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1、1,第二章 磁学性能 (magnetic properties),2,第一节 磁性基本量及磁性分类,一、磁质与磁矩 凡能被磁场磁化的物质称为磁质。磁质放进磁场，可能使总磁场增强，也可能使总磁场减弱，取决于磁质的性质。 物质在磁场中，由于受到磁场作用而呈现一定磁性的现象称为磁化。 磁质的磁化过程实质上是其内部原子磁矩取向的过程。,3,根据磁质被磁化后产生的附加磁场 的大小和方向，可将磁质分为三类：,(1) 抗磁质 凡是附加磁场 与外磁场 的方向相反， 即能使总磁场强度比原外磁场强度略微地减弱的磁质。,(2) 顺磁质 凡是附加磁场 与外磁场 的方向相同， 即能使总磁场强度比原外磁场强度略微地增强的
2、磁质。,(3) 铁磁质 凡是附加磁场 与外磁场 的方向相同， 即能使总磁场强度比原外磁场强度大大地增强的磁质。,4,物质磁化理论有两种观点：分子电流观点和等效磁荷观点，两 种观点是等效的（不同的理解角度)。 分子电流观点： 物质中的每个分子都存在一环形电流（分子中原子、离子 的电子循规、自旋运动)，环形电流强产生磁场。 无外磁场时，各分子环流取向杂乱无章，作用抵消，不显磁性； 施加外磁场后，分子电流的磁矩在磁场场作用下趋于定向排列， 而呈现出宏观磁性。 等效磁荷观点： 把材料的磁分子看成磁偶极子，末磁化时各磁偶极子取向 呈无序状态，其偶极矩的矢量和为0，不显磁性；当施加外磁 场后，偶极子受外磁
3、场作用而转向外场方向，使材料呈现宏观 磁性。,5,一个环形电流的磁矩定义为,磁偶极 想像为一包含南北极小磁棒 由箭头代表，由南指向北,磁场对磁偶极产生一力矩：顺向,6,7,磁场强度（magnetic field strength）H：外加磁场 如磁场由一圆柱形线圈（螺形线圈）产生 设线圈匝数为N，长度为L，电流为I H = NI/L,8,磁场中某方向的磁矩所具有的静磁能为,上式是分析磁体相互作用，以及在磁场中所处状态是否稳定的依据。,9,二、磁化强度（magnetization）和磁化率（magnetic susceptibility）,一个物体在外磁场中被磁化的程度，用单位体积内磁矩的多少来
4、衡量，称之为磁化强度,，是一无量纲的系数。,实质上是描写同一客观现象,它的大小反映了物质磁化的难易程度,10,对于顺磁质， 是一个很小的正值,对于抗磁质， 是一个很小的负值,对于铁磁质， 则是一个较大的正值，且其 值随外磁场强度的变化而变化，,11,磁化率三种表示形式： V表示单位体积的磁化率， A表示每摩尔的磁化率， g表示单位质量（每克）的磁化率。 不同磁介质其磁化曲线不同，曲线上任意一点都 对应着材料的某种磁化状态，它与坐标原点连线 的斜率即表示材料在该磁场下的磁化率。,12,三、磁感应强度（magnetic induction strength）和磁导率（ permeability ）
5、,磁感应强度（B）：通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数。单位：特斯拉。,13,材料内部的磁感应强度B可看成是由两部分叠加而成一是材料对自由空间磁场的反应 ， 另是材料对磁化引起的附加磁场的反应,材料磁化程度 外加磁场引致磁感应之难易,14,四、物质的磁性,1、抗磁性（diamagnetism）：由外加磁场改变电子轨道运动而来 为甚小的负常数，大约在 数量级，即M与H方向相反，在磁场中使磁场稍减弱，受微弱斥力， 金属中约有一半的简单金属是抗磁体 “经典”抗磁体，它的不随T变化，如铜、银、 金、汞、锌等。 (2) 反常抗磁体，它的随T变化，且大小是前者的 10100倍，如钴、铱、锑、
6、锡、钢等。,15,16,2、顺磁性（paramagnetism） 某些固体材料：轨道运动与/或（and/or）自旋磁矩不完全抵消，永久磁矩 (10-3 10-6) 随意指向 r 1 (1)正常顺磁体，其随T变化，且符合与T成反比的关系，如铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等。 (2) 与T无关的顺磁体，如锂、钠、钾、铷等。,17,18,19,3、铁磁性（ ferromagnetism ） 磁化率大 (10106)且为变数 室温下具有铁磁性的金属： Fe, Co, Ni, Gd,20,21,22,4、反铁磁性（anti-ferromagnetism） 电子自旋对齐与磁场反向 是甚小的正常数当T高于某
7、个温度时，其行为像顺磁体，如-Mn、铬、氧化镍、氧化锰等。 MnO Mn2+，O2- Mn2+：净磁矩，主要为自旋磁矩 邻近Mn2+磁矩反向：净磁矩=0,23,24,5、亚铁磁性（ferrimagnetism） 净磁矩来源 MFe2O4 Fe3O4：磁石,25,26,27,28,五类磁体的磁化曲线,思考： H？,29,第二节 抗磁性和顺磁性,原子中的电子进行着绕原子核的循轨运动和绕本身轴的自旋运动。这两种运动都相应地存在着恒定的磁矩，可分别称为电子的循轨磁矩和自旋磁矩。,30,r为电子运动轨道的半径，L为电子运动的轨道角动量，为电子绕核运动的角速度 电子轨道磁矩的方向垂直于电子运动轨迹平面，并
8、符合右手螺旋定则。 在外磁场方向上的投影： Plz = mlB (ml=0,1,2,l) 式中 ml为电子状态的磁量子数,31,循轨磁矩,轨道磁矩受晶格场的作用，其方向是变化的，不能形成一个联合磁矩，对外没有磁性作用,2m,32,自旋磁矩,原子磁矩是该原子的电子循轨磁矩、电子自旋磁矩和核自旋磁矩的矢量和。但核自旋磁矩仅是电子磁矩的11836.5。,自旋磁矩： B,m,33,34,当原子中某一电子层被电子填满时，该电子层的电子云在空间的分布呈球形对称，这时其电子循轨磁矩互相抵消，其电子自旋磁矩也互相抵消，即该层的电子磁矩对原子磁矩没有贡献。 若原子中的所有电子层全被电子填满，如惰性元素则不呈现原
9、子磁矩，即该原子不存在固有磁矩。 He, Ne, Ar以及某些离子材料,35,物体的磁性，取决于原子磁矩的取向。 在无外磁场作用时，各原子磁矩的取向是紊乱的，故物质不呈现宏观磁性。 在受外磁场作用时，则原子磁矩呈取向性分布，故物质呈现出宏观的磁性。,原子结合成分子时，外层电子磁矩发生变化，故分子磁矩不等于单个原子磁矩之和。,36,物质的抗磁性 无外H时，电子壳层已填满的原子总磁矩为0。 有外H作用时，即使总磁矩为0的原子，也会产生磁矩。 电子的循规运动在外H作用下都会产生抗磁矩(不管 循规运动的方向是绕H轴向顺时针还是逆时针),即产生的 附加磁矩总是与外H方向相反。为什么？ 取两个轨道平面与H
10、方向垂直而循规运动方向相反的 电子为例说明： 电子循规运动所产生的轨道磁矩： ，同时 必然受一向心力 ，在磁场中运动，磁场还要 对其产生一附加力K（方向符合左手定则） 。,37,电流方向顺时针（电子逆时针）时：K与K方向相 同，等于向心力增加，根据 ，m和r不变，故 增大，使Pl 增大，即产生的附加磁矩P的方向与外H方 向相反。 电流方向顺时针（电子逆时针）时：K与K方向相 反，等于向心力减小，根据 ，m和r不变，故 减小，使Pl 减小，也等于产生的附加磁矩P的方向与外 H方向相反。 即不管电子循轨运动方向是顺时针还是逆时针，在 外H中产生的附加磁矩方向总是与H方向相反，这就是物 质产生抗磁性
11、的原因。,38,显然，物质的抗磁性不是电子循规、自旋本身产生 的，而是在外H中电子循规运动产生的附加磁矩产生的， 所以抗磁磁化是可逆的，且P与H成正比。但抗磁体的 磁化率很小。 对于一个原子，有多个电子，具有不同的轨道半 径，且轨道平面不一定与H方向垂直。,39,物质的顺磁性 来源：原子（离子）的固有磁矩。 无外H时：由于热运动的影响，固有磁矩的取向为无序 的，宏观上无磁性。 外H作用下：固有磁矩与H作用，有较高的静磁能，为降低静磁 能，固有磁矩改变与H的夹角，趋于排向外H方向，表现为正向磁化。 在常温和H不是很高的情况下，M与H成正比，磁化要克服热运动的干 扰，磁矩难以有序排列，故顺磁化进行
12、十分困难，磁化率较小。,40,根据顺磁磁化率与温度的关系，可把顺磁体分为三类： 正常顺磁体：磁化率随温度升高而降低的顺磁体。 符合居里定律： 或居里外斯定律 磁化率与温度无关的顺磁体：如碱金属，其顺磁性是由价电子产生的。 存在反铁磁体转变的顺磁体：在反铁磁居里点或称尼尔点TN以上，与正常顺磁体一样符合居里外斯定律；在TN以下，呈反铁磁性，随温度降低，磁化率降低，T0时，磁化率趋近于一常数，在TN 温度磁化率最大。,41,一、正离子的抗磁性和顺磁性,正离子：去掉自由电子后的金属离子，即原子 核及其绕核运动的剩余电子。 电子壳层已全部被填满，即固有磁矩为零 在外磁场作用下由核外电子的循轨运动产生抗
13、磁矩， 强弱取决于核外电子的数量。 如离子部分总的抗磁矩大于自由电子的顺磁矩，则金 属为抗磁金属。（Cu、Au、Ag等，Sb、Bi、Pb等则是其自 由电子向共价键过渡，呈现出异常大的抗磁性）,42,（2）离子有未被填满的电子层，即离子具有较强的固有磁矩,有些金属（碱金属和碱土金属）的离子也是填满的电子结构，但其自由电子产生的顺磁性大于离子部分产生的抗磁性（Al、Mg、Li、Na、K等）,在外磁场作用下，其固有磁矩产生的顺磁矩远大于核外电子循轨运动产生的抗磁矩，属于强顺磁性金属。 （3d：Ti 、V 4d：Nb、Zr、Mo 5d：Hf、Ta、W、Pt）,43,外磁场作用下，原子磁矩Pm与B0的夹
14、角减少，逐渐转向外磁场方向。 当能量 U= Pm B0cos 的减少能补偿热运动能量时，原子磁矩就一致排列了。 ,室温下，顺磁性物质的原子磁矩沿外磁场方向规则取向，需10000 kOe 的磁场,目前最高60 kOe, 通常20 kOe,44,朗之万： （1）原子磁矩是独立的，彼此不存在相互作用 （2）原子磁矩与外磁场方向的夹角服从麦克斯韦 玻尔兹曼统计分布规律,温度较高时，外磁场方向的磁化强度,T103K， B0104 Oe，M0.1Gs,45,单位体积内金属顺磁磁化率,居里定律,为常数，与Pm有关,测量与T的关系后可求Pm,顺磁性物质的磁化率是抗磁性物质磁化率的1103倍，所以在顺磁性物质中
15、抗磁性被掩盖了,46,温度对磁性有影响 热振动：磁矩转向较易 温度升高：磁化降低 Curie温度（Tc）：M =0 Tc：768（Fe），1120（Co），335（Ni），586（Fe3O4） 0C Neel温度：反铁磁 M=0,47,48,对于呈强顺磁性的反铁磁性金属Cr、Mn及一些化合物来说，要取负值。,铁、钴、镍等铁磁性金属，便是居里温度。,在居里温度以上由铁磁性转变为强顺磁性。,49,铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性的自旋排列,50,反铁磁性物质各具有一个特定的温度Tn，称尼耳 (Neel）点，,金属发生同素异构转变与其它相变，磁化率会发生变化。,反铁磁性物质大都是非金属化合物，如MnO,5
16、1,二、自由电子的顺磁性和抗磁性,顺磁性：自旋磁矩（泡利顺磁性）,自由电子在磁场方向的分运动保持不变，而在垂直于磁场方向的平面内做圆周运动，产生的磁矩同外磁场方向相反，具有抗磁性。,52,53,54,无外场时，作用在电子上的力： 离心力和库仑力,外磁场B与0生产平行时，还受到罗伦兹力 电子由园周运动变成进动,2 020,55,反向平行时，电子所受罗仑兹力的方向为离开圆心, 0 e,56,在外磁场中电子的进动和附加磁矩,57,第三节 铁磁性物理本质,一、铁磁质的基本特征和基本参数,1磁各向异性,单晶铁磁质磁化时，沿不同方向磁化所产生的磁化强度不同，即沿不同方向上磁化的难易程度不同。,58,（a）铁单晶,59,（b）镍单晶,60,（c）钴单晶,61,沿单晶体的不同晶向磁化所消耗的磁化功不同，说明磁化矢量（Ms）在不同晶向上有不同的能量。,沿不同晶轴方向
