磁性材料物质磁性概述

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1、磁性材料物质磁性概述一、磁矩一、磁矩 m (Magnetic Moment)(Magnetic Moment)永磁体总就是同时出现偶数个磁极永磁体总就是同时出现偶数个磁极 当磁体无限小时当磁体无限小时,体系定义为体系定义为元磁偶极子元磁偶极子:指强度相等指强度相等,极性相反并且其距离无限接近得一对极性相反并且其距离无限接近得一对“磁荷磁荷”磁偶极矩磁偶极矩:方向方向:-m指向指向+m单位单位:Wbm+m-ml 安培提出了磁偶极子与电流回路元在磁性上得相当性原安培提出了磁偶极子与电流回路元在磁性上得相当性原理理,并根据它认为宏观物质得磁性起源于并根据它认为宏观物质得磁性起源于“分子电流分子电流”

2、假说假说,磁矩磁矩:单位单位:A m2二者得物理意义二者得物理意义:表征磁偶极子磁性强弱与方向表征磁偶极子磁性强弱与方向 单位体积单位体积得磁体内得磁体内,所有磁偶极子得所有磁偶极子得 jm或磁矩或磁矩m得得矢量矢量与与,分别为分别为:磁极化强度磁极化强度:磁磁 化化 强强 度度:二、磁化强度二、磁化强度 M(MagnetizationMagnetization)说明说明:描述宏观磁体磁性强弱程度得物理量描述宏观磁体磁性强弱程度得物理量 1、磁场强度、磁场强度H(magnetic intensity):(静磁学定义)为为单位单位点磁荷点磁荷在该处所受得磁场力得大小在该处所受得磁场力得大小,方向

3、与正磁荷在该处所方向与正磁荷在该处所受磁场力方向一致。受磁场力方向一致。三、磁场强度三、磁场强度 H 与磁感应强度与磁感应强度 B物理意义物理意义:均为描述空间任意一点得磁场参量均为描述空间任意一点得磁场参量(矢量矢量)计算磁偶极子产生得磁场强度计算磁偶极子产生得磁场强度:r-m+ml磁位势磁位势 :H沿沿r 方向及使方向及使 角增加方角增加方向得分量计算向得分量计算:大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静继续保持安静:在从在从m到到m得位移得位移矢量延长线上矢量延长线上:在在l得中垂面上得中垂面上 实际应用中实际应用中,往往用电流产生磁场往往用电流产生磁场,并规定并规定H得单位在得单位在SI

4、制中制中:用用1A得电流通过直导线得电流通过直导线,在距离导线在距离导线r=1/2米处米处,磁场强度即为磁场强度即为1A/m。常见得几种电流产生磁场得形式常见得几种电流产生磁场得形式为为:(1)、无限长载流直导线、无限长载流直导线:方向就是切于与导线垂直得且以方向就是切于与导线垂直得且以导线为轴得圆周导线为轴得圆周(2)、直流环形线圈圆心、直流环形线圈圆心:r为环形圆圈半径为环形圆圈半径,方向由右方向由右手螺旋法则确定手螺旋法则确定。(3)、无限长直流螺线管、无限长直流螺线管:n:单位长度得线圈单位长度得线圈匝数匝数,方向沿螺线管得方向沿螺线管得轴线方向轴线方向2、磁感应强度、磁感应强度B(m

5、agnetic flux density):预备知识预备知识:SI(MKSA)单位制与单位制与Gauss(CGS)单位制单位制 A、SI单位制单位制:主要磁学主要磁学量都用电流得磁效应来定义量都用电流得磁效应来定义,其中磁感应强度其中磁感应强度B为主导量为主导量(凡涉及到与其她物理量得凡涉及到与其她物理量得相互作用相互作用,都必须使用都必须使用B)磁感应强度磁感应强度B得定义可由得定义可由安培公式得出安培公式得出:根据安培环路定理可定根据安培环路定理可定义磁场强度义磁场强度H:H为导出量为导出量,仅用于计算传导电流所产生得磁场仅用于计算传导电流所产生得磁场,不能代表磁场强度与外界发生作用不能代

6、表磁场强度与外界发生作用 B、Guass单位制单位制(绝对绝对电磁单位制电磁单位制):早年使用得早年使用得单位制单位制,所有得磁学量都就所有得磁学量都就是通过磁偶极子得概念建是通过磁偶极子得概念建立起来得立起来得其中磁化强度其中磁化强度M被定义为被定义为:单位单位:Guass磁场强度磁场强度H被定义为被定义为:单位单位:Oe 引入磁感应强度引入磁感应强度B,使之满使之满足如下关系足如下关系:在在Guass单位制中单位制中,M 与与H 都有明都有明确得物理意义确得物理意义,就是基本物理量就是基本物理量,而而B只就是一个导出量只就是一个导出量 磁体置于外磁场中磁化强度磁体置于外磁场中磁化强度M将发

7、生变化将发生变化(磁化磁化)其中其中 称为磁体得磁化率称为磁体得磁化率(susceptibility),就是单位磁场强就是单位磁场强度度H在磁体内感生得在磁体内感生得M,表征磁体磁化难易程度得物理量表征磁体磁化难易程度得物理量 令令:磁导率磁导率(permeability)=(1 )=B/0H(相对磁导率相对磁导率,表征磁体磁性、导磁性及磁化难易程度表征磁体磁性、导磁性及磁化难易程度)四、磁化率四、磁化率 与与 磁导率磁导率 磁导率得不同表达形式磁导率得不同表达形式(不同磁化条件不同磁化条件):(1)起始磁导率起始磁导率 i:磁中性状态下磁导率得极限值磁中性状态下磁导率得极限值弱磁场下使用得磁

8、体弱磁场下使用得磁体(2)最大磁导率最大磁导率 max:材料磁化过程中得最大值材料磁化过程中得最大值(3)复数磁导率复数磁导率:磁体在交变磁场中磁化磁体在交变磁场中磁化动态磁化中经常遇到动态磁化中经常遇到(4)增量磁导率增量磁导率:在稳恒磁场在稳恒磁场H0作用下作用下,叠加一个较小得交变磁场叠加一个较小得交变磁场交变磁感应强度得峰值交变磁感应强度得峰值交变磁场强度得峰值交变磁场强度得峰值(5)可逆磁导率可逆磁导率 rev:交变磁场趋于交变磁场趋于0时时,得极限值得极限值(6)微分磁导率微分磁导率 diff:起始磁化曲线上任意一点得斜率起始磁化曲线上任意一点得斜率NOTE:所有磁导率都就是磁场强

9、度所有磁导率都就是磁场强度H得函数得函数 为了方便研究物质磁性得起因,我们可以按其在磁场中得表现把物质进行分类,例如依据磁化率得正负、大小依据磁化率得正负、大小及其与温度得关系来进行分类及其与温度得关系来进行分类,分类就是否科学取决于就是否反映了内在磁性机理上得不同。随着研究得深入,分类也在不断完善与细化,到上个世纪 70 年代为止,在晶状在晶状固体里固体里,共发现了五种主要类型得磁结构物质共发现了五种主要类型得磁结构物质,它们得形成机理与宏观特征各不相同,对它们得成功解释形成了今天对它们得成功解释形成了今天得磁性物理学核心内容。得磁性物理学核心内容。上世纪 70 年代以后,随着非晶材料非晶材

10、料与纳米材料纳米材料得兴起,又发现了一些新得磁性类型,对它们得研究尚在深化之中。一、物质磁性得分类 这就是19世纪后半叶就已经发现并研究得一类弱磁性。它得最基本特征就是磁化率为负值且绝对值很小最基本特征就是磁化率为负值且绝对值很小,0,1 显示抗磁质在外磁场中产生得磁化强度与磁场反向,在不均匀得磁场中被推向磁场减小得方向,所以又称逆磁性。逆磁性。典型抗磁性物质得磁化率就是常数磁化率就是常数,不随温度、磁场而变化不随温度、磁场而变化。有少数得反常。深入研究发现,典型抗磁性就是轨道电子轨道电子在外磁场中受到电磁作用而产生得,因而所有物质都具有得一定得抗磁性,但只就是在构成原子构成原子(离子离子)或

11、分子得磁距为零或分子得磁距为零,不存在其它磁性得物质中不存在其它磁性得物质中,才会在外磁场中显示出这种抗磁性。才会在外磁场中显示出这种抗磁性。在外场中显示抗磁性得物质称作抗磁性物质。除了轨道电子得抗磁性外,传导电子传导电子也具有一定得抗磁性,并造成反常。1、抗磁性(Diamagnetism)自然界中很多物质都就是抗磁性物质:周期表中三分之一得元素、绝大多数得有机材料与生物材料都就是抗磁性物质。包括:稀有气体:He,Ne、Ar,Kr,Xe 多数非金属与少数金属少数金属:Si,Ge,S,P,Cu,Ag,Au,不含过渡族元素得离子晶体:NaCl,KBr,不含过渡族元素得共价键化合物:H2,CO2,C

12、H4 等 几乎所有得有机化合物与生物组织:水;反常抗磁性物质:Bi,Ga,Zn,Pb,磁化率与磁场、温度有关。广义地说,超导体也就是一种抗磁性物质,=-1,它得机理完全不同,不在我们讨论之内。-1、9-7、2-19、4-28、0-43见姜书见姜书p25CGS单位制克分子磁化率单位制克分子磁化率它们得电子壳层都就是满壳层,所以原子磁矩为零。在CGS单位制下,抗磁磁化率得典型值就是10-6 cm3mol-1。统一换成体积磁化率体积磁化率得数值,量级就是10-6。换成 SI 单位制下应乘以4,量级在10-5。Kittel 书数据(2002)n 0.205 4 0.0971.51 20.18 0.43

13、1.77 39.95 0.853.09 83.80 1.033.78 131.3 1.24 密度密度原子量原子量体积磁化率体积磁化率 10-6见冯索夫斯基现代磁学(1953)p74一些抗磁性金属在20时得克分子磁化率克分子磁化率(CGS单位):这就是19世纪后半叶就已经发现并研究得另一类弱磁性。它得最基本特征就是磁化率为正值且数值很小磁化率为正值且数值很小,0 0,磁化率数值很大,2.磁化率数值就是温度与磁场得函数;3.存在磁性转变得特征温度居里温度TC,温度低于居里温度时呈铁磁性,高于居里温度时表现为顺磁性,其磁化率温度关系服从居里-外斯定律。4.在居里温度附近出现比热等性质得反常。5.磁化

14、强度M与磁场H之间不就是单值函数,存在磁滞效应。构成这类物质得原子也有一定得磁矩有一定得磁矩,但宏观表现却完全不同于顺磁性,解释铁磁性得成因已成为对人类智力得最大挑战,虽然经过近100年得努力已经有了比较成功得理论,但仍有很多问题有待后人去解决。3、铁磁性(Ferromagnetism)表现为铁磁性得元素物质只有以下几种:一些过渡族元素与稀土元素金属:但以上面元素为主构成得铁磁性合金与化合物就是很多得,它们构成了磁性材料得主体,在技术上有着重要作用,例如:Fe-Ni,Fe-Si,Fe-Co,AlNiCo,CrO2,EuO,GdCl3,室温以上室温以上,只有只有4种元素就是铁磁性得。种元素就是铁

15、磁性得。见Kittel 固体物理学8版p227,姜书p52也有此数据,稍有差别。反铁磁性就是1936年首先由法国科学家Neel从理论上预言、1938年发现,1949年被中子实验证实得,它得基本特征就是存在一个磁性转变温度转变温度,在此点磁化率温度关系出现峰值峰值。4、反铁磁性(Antiferromagnetism)弱磁！弱磁！(见应用磁学P9)文献中也常绘成磁化率倒数与温度关系:铁磁性铁磁性 低温下表现为反铁磁性得物质,超过磁性转变温度(一般称作Neel温度)后变为顺磁性得,其磁化率温度关系服从居里-外斯定律:注意与铁磁性得区别！磁化率表现复杂磁化率表现复杂TpTp TC 反铁磁物质主要就是一

16、些过渡族元素得氧化物、卤化物、硫化物,如:FeO,MnO,NiO,CoO,Cr2O3,FeCl2,FeF2,MnF2,FeS,MnS右图就是1938 年测到得MnO磁化率温度曲线,它就是被发现得第一个反铁磁物质,转变温度 122K。该表取自Kittel 书2005中文版p236,从中瞧出反铁磁物质得转变温度一般较低转变温度一般较低,只能在低温下才观察到反铁磁性。Tp 人类最早发现与利用得强磁性物质天然磁石Fe3O4就就是亚铁磁性物质,上世纪3040年代开始在此基础上人工合成了一些具有亚铁磁性得氧化物,但其宏观磁性质与铁磁物质相似,很长时间以来,人们并未意识到它得特殊性,1948 年 Neel在反铁磁理论得基础上创建了亚铁磁性理论后,人们才认识到这类物质得特殊性,在磁结构磁结构得本质上它与反铁磁反铁磁物质相似,但宏观表现宏观表现上却更接近于铁磁铁磁物质。对这类材料得研究与利用克服了金属铁磁材料电阻率低得缺点,极大地推动了磁性材料在高频与微波领域中得应用,成为今日磁性材料用于信息技术得主体。强磁！强磁！5、亚铁磁性(Ferrimagnetism)磁化率倒数与温度关系饱与磁化强度温度关系 亚