电子材料物理Ch5-2
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Ch5-2电子材料的磁学性能
B
0
PL方向绕平行于磁场方向
的某一固定轴发生转动
PL
在外磁场作用下，
v
电子的绕核运动的轨道平面，
整个地绕外磁场方向发生进动，
L
电子轨道平面的法线绕外磁场转动
结果使电子产生附加转动，形成附加的磁矩
这一磁矩称为原子在外磁场中的感应磁矩 L
从图上可以看出方向总是逆着外磁场方向
感应磁矩也 这一电流产生的附加磁场 B
M NJ L()
式中
L( ) cth 1
(5.26)
JH
kBT
cth
e e
e e
式（5.26）和（5.27）即为顺磁性朗之万方程。
(1) 高温情况：
在高温时，kBT J H ，所以 1
M N J2 H C H
3kBT
T
式中C为居里常数
C
N
2 J
3kB
顺磁材料的居里定律
N
换作用），形成相邻原子的磁矩都向一个方向排列 的小区域，称为磁畴
自发磁化：磁性体内任一小区域内的所有原子磁 矩由于内部相互作用呈磁有序现象。
铁磁性物质的基本特征
其内存在按磁畴分布的自发磁化 磁化率很大 磁化强度与磁化磁场强度之间不是单值函数
关系，显示磁滞现象，具有剩余磁化强度； 其磁化率都是磁场强度的函数 有一个磁性转变温度－－居里温度 在磁化过程中，表现出磁晶各向异性和磁滞 伸缩现象
在外磁场作用下
H
每个分子的电子因发生进 动产生感应磁矩，
产生的附加磁场方向与外 磁场方向相反
故削弱了外磁场
磁场中的电子
l
e 2m
PL
电子作轨道运动所对应的圆电 流在磁场中受到的磁力矩为
5-2稀土储氢材料
2、有机载体和贮氢材料的浆料技
将一种有机液体(如四氢呋喃等)与贮氢 材料混合成均匀浆料，用作热交换器工作介 质，可增加其导热性，实现流态化。
3、薄膜技术
为消除放氢时产生的内部应变，可将贮 氢材料制成薄膜。薄膜与氢反应的实际表面 积大为增加，反应速度也就大大加快，在充 电式电池或作为催化剂的应用中，以及内贮 氢材料组成的燃料电池中，均有重要作用。
拉夫斯相的特征是组成范围宽，允许AB2组成的波动。 e.g. TiMn2不吸氢，减少Mn量的TiMn1.5的组成就吸氢，该合 金吸氢后，晶体结构几乎不变。
TiMn1.5（C14结构） Ti1.0（Ti0.2Mn1.8）
由于能采用 多样的组成 及结构，在 开发材料时 很方便。
AB型合金（钛系合金） TiFe是立方晶CsCl结构
替代部分 Ni是改善LaNi5和MmNi5储氢性能的
重要方法。
② 镁系合金
镁在地壳中藏量丰富。MgH2是唯一一 种可供工业利用的二元化合物，价格便宜
，而且具有最大的储氢量。
MgH2缺点：释放温度高且速度慢，抗 腐蚀能力差。
新开发的镁系吸氢合金Mg2Ni1-xMx (M = V，Cr，Mn，Fe， Co) 和Mg2xMxNi
4、平板式热交换器新技术
在研制由贮氢材料组成的热泵和压缩
机的过程中。可以制成平板式或其他更高 效的热交换器，使整个装臵更紧凑，效率 也可得Байду номын сангаас提高。
5、贮氢材料制备的发展
贮氢材料的性能成本直接影响到它的应用 和推广。从成本来看，应用Fe-Ti系合金是很有 的途的，所以人们对改善这种合金性能进行了 大量研究，开发不需活化处理的Fe-Ti系合金 例如日本研制出在m(Ti/Fe)>1的合金基体 中加入少量Nb或O而制成的合金不需活化处理，
Ch材料的性能及应用意义
引言 材料是人类社会经济地制造有用器件的物质。
1. 所谓有用 — 使用性能
力学性能 物理性能 化学性能
铸造性能（热加工） 焊接性能（热加工） 热处理性能（热加工） 塑性加工性能（热、冷加工） 切削加工性能（冷加工）
2. 所谓制造—工艺性能
（原材料变成产品）
它们之间有联系、有区别，有统一、有矛盾，应合理应用。
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
硬度测试方法：
1. 布氏硬度 GB231-1984 2. 洛氏硬度 GB230-1991 3. 维氏硬度 GB4342-1984
硬度测试三要素：
1.载荷大小 2.压头尺寸 3.加载及保压时间
一、力学性能
1. 布氏硬度（HB） GB231-1984
§1.2 材料的使用性能 HB = F/S
2.陶瓷材料、 高分子材料、 复合材料的弹性模量对其成分和组织结构是敏感的，
可以通过不同的方法使其改变。
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（三）弹性——在外力作用下材料发生弹性行为的综合性能指标。
滞弹性（弹性滞后）：加载时应变不立即达到平衡值，卸载时变形也不 立即恢复。
§1.2 材料的使用性能
一、力学性能 二、物理性能 三、化学性能
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（一）强度 （三）弹性 （五）硬度 （七）疲劳性能
（二）刚度 （四）塑性 （六）韧性 （八）耐磨性
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（a）拉伸
（b）压缩
（c）弯曲
（d）剪切
（e）扭转
一、力学性能
HBS — 淬火钢球 （<450HB) （新国标中HBS已取消） HBW— 硬质合金球（<650HB) 1）误差小，重复性好。 2）压痕面积大，不适合成品检验。 3）与强度σb之间存在近似的换算：
1. 所谓有用 — 使用性能
力学性能 物理性能 化学性能
铸造性能（热加工） 焊接性能（热加工） 热处理性能（热加工） 塑性加工性能（热、冷加工） 切削加工性能（冷加工）
2. 所谓制造—工艺性能
（原材料变成产品）
它们之间有联系、有区别，有统一、有矛盾，应合理应用。
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
硬度测试方法：
1. 布氏硬度 GB231-1984 2. 洛氏硬度 GB230-1991 3. 维氏硬度 GB4342-1984
硬度测试三要素：
1.载荷大小 2.压头尺寸 3.加载及保压时间
一、力学性能
1. 布氏硬度（HB） GB231-1984
§1.2 材料的使用性能 HB = F/S
2.陶瓷材料、 高分子材料、 复合材料的弹性模量对其成分和组织结构是敏感的，
可以通过不同的方法使其改变。
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（三）弹性——在外力作用下材料发生弹性行为的综合性能指标。
滞弹性（弹性滞后）：加载时应变不立即达到平衡值，卸载时变形也不 立即恢复。
§1.2 材料的使用性能
一、力学性能 二、物理性能 三、化学性能
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（一）强度 （三）弹性 （五）硬度 （七）疲劳性能
（二）刚度 （四）塑性 （六）韧性 （八）耐磨性
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（a）拉伸
（b）压缩
（c）弯曲
（d）剪切
（e）扭转
一、力学性能
HBS — 淬火钢球 （<450HB) （新国标中HBS已取消） HBW— 硬质合金球（<650HB) 1）误差小，重复性好。 2）压痕面积大，不适合成品检验。 3）与强度σb之间存在近似的换算：
IC工艺Ch-2半导体材料的基本特性和用途
Bias voltage -(VR-Vp)
Carrier Capture
Carrier Emission
0
(c)
Vp
VR
Capture Time tp
Emission time t
Time (t)
Fig. 2-1. Majority carrier (electron in the P+N junction) and minority carrier (hole) captures (a) and emissions processes (b) in the n-side depletion layer W during the change process of the depletion region due to the pulsed bias (c), here Xi and Xf are the initial and final edge positions of the depletion layer. The minority carrier emission and capture occur only when a positive bias is applied to fill the minority carrier during the capture time.
•
？
– 常用测量方法：
• Photo Spectrum
sample
Wavelength
?
adjustable
探
光源
测
器
– 半导体材料对光的吸收机理？
• 原子吸收 • 晶格吸收
• 能带吸收
• XPS • Photo Absorption Spectrum • IR（Infrared）: ( FTIR)
高二化学选修5课件：5-2应用广泛的高分子材料
【解析】
从高聚物的结构简式入手，可知 3HB、
4HB、3HV 均是聚酯类结构，则其单体的结构简式依次 为 ：
人 教 版 化 学
C
。若 3HB 的单体名称
为 3－羟基丁酸， 4HB 的单体名称为 4－羟基丁酸， 则 3HV 的单体名称为 3－羟基戊酸。
第五章 进入含成有机高分子化合物的时代
【答案】
(1)4－羟基丁酸；3－羟基戊酸
第五章 进入含成有机高分子化合物的时代
2．合成纤维和人造纤维有何区别？ 提示：从原料的类别、化学处理或合成方法、性能与 用途等方面加以比较，找出二者的区别。 天然植物纤维(如木材、草类的纤维)经化学加工所得的 纤维为人造纤维，但它并非是真正“人造”的，只是将天 然纤维加工改造，故又称为“再生纤维”。例如黏胶纤维、
人 教 版 化 学
________，相对分子质量较低，熔融温度和密度低的聚乙
烯为________，相对分子质量较高，熔融温度和密度也高 的聚乙烯为________。
第五章 进入含成有机高分子化合物的时代
4．酚醛树脂是用________与________在酸或碱的催化 下相互缩合而成的________。在酸催化下，等物质的量的 苯酚与甲醛之间可缩合成________高分子；在碱催化下， 可生成________的酚醛树脂。 5．纤维分为________和________，化学纤维又分为 ________和________。
人 教 版 化 学
第五章 进入含成有机高分子化合物的时代
②酚醛塑料(俗称电木)。 酚醛树脂添加其他配料制成的产品。 制备：苯酚与甲醛进行缩聚反应制得。
人 教 版 化 学
特点：加热不会熔化，一般不溶于水及有机溶剂。电
绝缘性优良，耐许多化学试剂腐蚀，有良好的物理机械性 能。 应用：电气工业绝缘材料(开头、灯头)、化学工业防腐 材料等。
材料物理性能部分资料
1.光子这种微观粒子表现出双重性质——波动性和粒子性，这种现象叫做波粒二象性。
P22.波粒二象性是一切物质（包括电磁场）所具有的普遍属性。
P33.描述电子运动的概率波的波动方程是薛定谔方程。
P44.不允许的能量区间称为禁带。
P155.原子基态价电子能级分裂而成的能带称为价带。
相应于价带以上的能带（即第一激发态）称为导带。
P186.在晶格中存在角频率为ω的平面波，称此波为格波。
格波的特点是晶体中原子的振动，且相邻原子之间存在固定的位相。
P207.把频率和波矢的关系叫色散关系。
P208.声子就是晶格振动中的独立简谐振子的能量量子。
（声子的概念）P259.由复杂的力化学反应引起的高聚物的特殊流动称为化学流动．．．．是流动的主要机．．．．。
分段位移理。
P3910.热容是分子或原子热运动的能量随温度而变化的物理量，其定义是物体温度升高1K所需要增加的能量。
P4211.在20世纪已发现了两个有关晶体热容的经验定律。
一是元素的热容定律——杜隆–珀替定律：恒压下元素的原子热容为25J/(K∙mol)；另一个是化合物的热容定律——奈曼–柯普定律：化合物热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。
P4312.热容是和温度无关的常数，这就是杜隆–珀替定律。
由于双原子的固态化合物，1mol中的原子数为2N，故摩尔热容为=2×25J/(K∙mol)，三原子固态化合物的摩尔热容C v=3×25J/(K∙mol)，依此类推。
P4313.物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为膨胀．．。
P4814.当固体材料一端的温度比另一端高时，热量就会从热端自动的传向冷端，这个现象就称为热传导．．．。
P5215.气体的传热是依靠分子的碰撞来实现的，在固体中组成晶体的质点处在一定的位置上，相互之间有一定的距离，质点只能在平衡位置附近作微小的振动。
P52 （气体的热传导公式：λ=cvl/3）固体中的导热主要是由晶格振动的格波和自由电子的运动来实现的。
Ch-2半导体材料性能资料
பைடு நூலகம்
– C（金刚石）, 潜在的高温、高频、高压、大 功率器件材料
– C60 – 纳米碳管
– GaAs，高频、微波器件、发光 – InP，高频、微波器件、发光 – GaP，发光 – Ge1-xSix，高频异质结材料 – SiC，高温、高频、高压、大功率器件材料
– GaN，蓝光材料和深紫外探测 – AlxGa1-xAs， 发光 – HgCdTe、PbSnTe，长波红外探测 – 各种超晶格材料，（能带工程） – 磁性、超导、有机半导体和生物半导体 – 自旋半导体
1400 8500 350
600
600
500 400 100 40
40
1.4
0.55 1.1
3.7
3.6
• 2.1.3. 与器件工艺有关的化学特性
– Si:
常温下： 1) 一般不溶于各种酸
2) Si+2NaOH+H2O = Na2SiO3+H2 3) Si+4HNO3 SiO2+4NO2 +2H2O
2) 腐蚀液（无机、有机） – For cleaning and etching! （腐蚀和抗腐蚀工艺中浓度 和缓冲剂的重要性） （腐蚀过程中对晶向和缺陷的选择性）
2.2 半导体材料的晶体结构 – 2.2.1. Si、 GaAs、 SiC 的晶体结构
Si
金刚石结构
GaAs
闪锌矿zinc-blende，立方硫化锌
Concentration of Mass M
Depth (z)
Fig.2-7. Schematic drawing to show the basic principle of SIMS, which consists of
– C（金刚石）, 潜在的高温、高频、高压、大 功率器件材料
– C60 – 纳米碳管
– GaAs，高频、微波器件、发光 – InP，高频、微波器件、发光 – GaP，发光 – Ge1-xSix，高频异质结材料 – SiC，高温、高频、高压、大功率器件材料
– GaN，蓝光材料和深紫外探测 – AlxGa1-xAs， 发光 – HgCdTe、PbSnTe，长波红外探测 – 各种超晶格材料，（能带工程） – 磁性、超导、有机半导体和生物半导体 – 自旋半导体
1400 8500 350
600
600
500 400 100 40
40
1.4
0.55 1.1
3.7
3.6
• 2.1.3. 与器件工艺有关的化学特性
– Si:
常温下： 1) 一般不溶于各种酸
2) Si+2NaOH+H2O = Na2SiO3+H2 3) Si+4HNO3 SiO2+4NO2 +2H2O
2) 腐蚀液（无机、有机） – For cleaning and etching! （腐蚀和抗腐蚀工艺中浓度 和缓冲剂的重要性） （腐蚀过程中对晶向和缺陷的选择性）
2.2 半导体材料的晶体结构 – 2.2.1. Si、 GaAs、 SiC 的晶体结构
Si
金刚石结构
GaAs
闪锌矿zinc-blende，立方硫化锌
Concentration of Mass M
Depth (z)
Fig.2-7. Schematic drawing to show the basic principle of SIMS, which consists of
碳5氢5负电结构
碳5氢5负电结构全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：碳5氢5是一种简单的有机分子，其化学式为C5H5。
它的负电结构是碳原子与五个氢原子形成单键，碳原子上有一个共轭的π电子环，负电子在此π电子环上运动，使得整个分子呈现负电性。
碳5氢5负电结构在有机化学研究中有重要的应用价值，可以用于合成有机金属配合物、催化剂等。
碳5氢5负电结构的合成方法有多种途径，最常见的方法是通过对环戊二烯进行负电解质的处理。
环戊二烯是一种具有高度共轭性的烯烃化合物，可以通过合成或天然存在的方式获取。
在实验室条件下，可以将环戊二烯溶解在合适的溶剂中，加入适量的负电解质，并进行反应。
通过合适的反应条件，可以得到碳5氢5负电结构。
碳5氢5负电结构的性质主要体现在其与金属离子形成配合物的能力上。
由于碳5氢5分子上的负电子可以与金属离子发生配位作用，形成稳定的金属-有机配合物。
这种配合物常用于有机化学合成中的催化剂，可以提高反应速度和选择性，从而实现高效合成有机化合物的目的。
碳5氢5负电结构还可以在电催化反应中发挥重要作用。
电催化是一种利用外加电场促进化学反应进行的技术，碳5氢5负电结构作为电子供体可以参与典型的电催化反应，例如还原反应、氧化反应等。
通过改变反应条件，可以调控碳5氢5负电结构在电催化反应中的活性，实现对反应产物的选择性控制。
碳5氢5负电结构是一种具有重要应用价值的有机分子，在有机化学和电化学领域都有着广泛的应用前景。
未来随着化学合成技术和电化学技术的不断发展，碳5氢5负电结构的应用领域将进一步拓展，为相关领域的研究和应用带来新的机遇和挑战。
第二篇示例：碳氢负离子（C5H5^-）是一种带有负电荷的有机物离子，其结构包含五个碳原子和五个氢原子。
碳氢负离子在化学反应和有机合成中起着重要作用，具有一定的化学性质和结构特征。
下面将对碳氢负离子的结构、物理性质和化学性质进行详细介绍。
碳氢负离子的结构主要由一个含有五个碳原子和五个氢原子的环状结构组成，分子式为C5H5^-。
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(2)当外磁场H=0,各原子磁矩受热扰动的影响,在 平衡态时，其方向是无规分布的，所以体系的总 磁矩 M=0；
(3)外加磁场H时，原子磁矩趋近于磁场H方向。 某原子在磁场中的能量 Ei = −μH cosθi
顺磁性——郎之万理论
设第i个原子的磁矩为μJ，单位体积内有N个原子，外加磁 场H，则据经典统计理论可知系统的状态配分函数Z(H)为
ΔμrL
r B
′
v B
0
PL方向绕平行于磁场方向
r
的某一固定轴发生于转动
PL
在外磁场作用下， 电子的绕核运动的轨道平面，
vv
整个地绕外磁场方向发生进动，
μr L
电子轨道平面的法线绕外磁场转动
结这果一使磁矩电称子为产原生子附在加外转磁动场，中形的成感附应磁加矩的磁Δ矩μrL
从图上可以看出方向总是逆着外磁场方向
2 J
=
C
3kBT T
结论：物质的顺磁磁化率与温度成反比，居里常数与原子的 磁矩有关。
(2) 低温情况：
M = NμJ L(α )
低温情况下或在磁场非常强的条件下
α = μJH
kT
μJH>>kT，即α >>1, L(α)=1
得到：M=N·μJ= Ms （饱和磁化强度）
郎之万最早从理论上推导出居里定律，他开创 了从微观出发，用统计方法研究物质磁性的道路。
z固体的原子具有固有磁矩 z无外磁场作用时，材料中的原子磁矩无序排列，
材料表现不出宏观磁性 z受外磁场作用时，原子磁矩能通过旋转而沿外场
方向择优取向，表现出宏观磁性，这种磁性称为 顺磁性 z在此材料中，原子磁矩沿外磁场方向排列，磁场 强度获得增强，磁化强度为正值，相对磁导率＞1， 磁化率为正值，磁化率也很小，只有10-5～10-2 z磁化强度M与温度T的关系为朗之万顺磁理论。
朗之万函数
cthα
=
eα eα
+ e −α − e −α
(1) 高温情况：
M = NμJ L(α )
在高温时，kBT >> μJ ⋅ H
α << 1 ，所以 L(α ) = α
3
α = μJH
kT
M
=
N
⋅
μ
2 J
H
=
C
H
3kBT
T
式中C为居里常数
C
=
N
⋅
μ
2 J
3k B
顺磁材料的居里定律
χ
=
N
⋅
μ
M
χ
χ= C
1
T − Tc
χ
0
H
0 Tc
T 0 Tc
T
铁磁性物质的基本特征
z 其内存在按磁畴分布的自发磁化 z 磁化率很大 z 磁化强度与磁化磁场强度之间不是单值函数
关系，显示磁滞现象，具有剩余磁化强度； 其磁化率都是磁场强度的函数 z 有一个磁性转变温度--居里温度 z 在磁化过程中，表现出磁晶各向异性和磁滞 伸缩现象
∫ ∫ Z(H ) =
⎡ ⎢⎣
2π dϕ
0
eπ μJ ⋅cosθ / kT
0
sin
θdθ
⎤ ⎥⎦
N
=
⎜⎛ ⎝
4π α
shα ⎟⎞ Nμ
⎠
其中
α = μJH
kT
根据 ϕ = −kT ln Z
∂ϕ = ∂F = −M
∂H ∂H
得
M
=
kT
∂ ∂H
(ln Z ) =
Nμ J
L(α )
L(α ) = cthα − 1 α
2、顺磁性 (Paramagnetic)
¾抗磁体和顺磁体对于磁性材 M
料应用来说都视为无磁性
¾它们只有在外磁场存在下才
0
H
被磁化，且磁化率极小
χ
χ=M
H
1
χ
χ=C
T
T
T
0
0
顺磁性——郎之万理论
1905年郎之万在经典统计理论基础上,首先给 出了第一个顺磁性理论,其理论要点如下:
(1)设顺磁物质中每个原子(或磁离子)的固有磁 矩为μJ ，而且原子之间没有相互作用；
在外磁场作用下
H
每个电子因发生进动产生
感应磁矩，
产生的附加磁场方向与外 磁场方向相反
故削弱了外磁场
磁场中的电子
μr l
=
−
e 2m
r PL
与电子作轨道运动所对应的圆 电流在磁场中受到的磁力矩为
v M
L
=
μr L
×
v B0
v B
0
r PL
vv
μr L
磁场中的电子在磁力矩ML作用下，电子的轨 道角动量方向不断发生变化
¾ 在外磁场作用下，获得与外磁场
M
方向相反的磁矩的现象
¾ 抗磁性源于原子中电磁感应引起
电子轨道状态的变化。
0
¾ 抗磁性是一种很弱的、非永久性
的磁性，只有在外磁场存在时才
能维持。
χ
¾ 原子本征磁矩为零，磁场下所感 应的磁矩很小，与外磁场相反。
¾ 相对磁导率＜1，磁化率为负值，
ห้องสมุดไป่ตู้
0
约为-10-5数量级
例如：Bi,Cu,Ag,Au
0
¾ 铁、钴、镍等过渡元素都具有未成对的3d电子 ¾ 铁、钴、镍金属在室温下具有自发磁化的倾向，形成
自发磁化：磁性体内任一小区域内的所有原子磁 矩由于内部相互作用呈磁有序现象。
几个过渡元素原子的净磁矩示意图
原子
3d电子
磁矩(uB)
Cr ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
5
Mn ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
5
Fe ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑
4
Co ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑
3
Ni ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑
2
Cu ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓
H
χ=M
H
T
2、顺磁性 (Paramagnetic)
H
若原子磁矩不为零
在未加外磁场时，由于各 个原子磁矩的方向是完全 混乱的，彼此抵消，宏观 上不产生磁效应。
加上外磁场后，
磁矩将不同程度地沿着外磁 场方向排列起来，
宏观上呈现出附加磁场，附 加磁场与外磁场有相同方向
2、顺磁性 (Paramagnetic)
感应磁矩也 这一电流产生的附加磁场
r B
′
对应一电流 其方向也总是逆着外磁场方向
磁场中的电子
B
μL
ΔμrL
μL'
r B
′
ΔμrL
r B
′
B
fv
f v
μL μL'
外磁场作用下，电子产生附加转动，形成附加 的磁矩（感应磁矩），其方向与外磁场相反， 产生的附加磁场的方向与原磁场方向相反
1、抗磁性 (Diamagnetism)
问题：没有考虑到磁矩在空间的量子化，因而 与实验结果相比，在定量上有较大的差别。
3、铁磁性(Ferromagnetic)
z在很小的外磁场作用下产生很强的磁化强度，M>>H 磁化率可高达101～106
z外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性，这种磁性 称为铁磁性
z如：过渡金属Fe,Co,Ni和稀土金属钆、钇、钐、铕等
Ch5 电子材料的磁学性能
----物质的磁性
5.6 物质的磁性
所有的物质在磁场中都会受到磁力的作用，磁 性是物质的基本属性，就像物质具有质量和电性一 样。即：
一切物质都具有磁性。
抗磁性
顺磁性
物质的磁性可分为
反铁磁性 铁磁性
亚铁磁性
5.6 物质的磁性
1、抗磁性 (Diamagnetism)
若磁介质的原子磁矩为零 未加磁场，宏观不显磁性
(3)外加磁场H时，原子磁矩趋近于磁场H方向。 某原子在磁场中的能量 Ei = −μH cosθi
顺磁性——郎之万理论
设第i个原子的磁矩为μJ，单位体积内有N个原子，外加磁 场H，则据经典统计理论可知系统的状态配分函数Z(H)为
ΔμrL
r B
′
v B
0
PL方向绕平行于磁场方向
r
的某一固定轴发生于转动
PL
在外磁场作用下， 电子的绕核运动的轨道平面，
vv
整个地绕外磁场方向发生进动，
μr L
电子轨道平面的法线绕外磁场转动
结这果一使磁矩电称子为产原生子附在加外转磁动场，中形的成感附应磁加矩的磁Δ矩μrL
从图上可以看出方向总是逆着外磁场方向
2 J
=
C
3kBT T
结论：物质的顺磁磁化率与温度成反比，居里常数与原子的 磁矩有关。
(2) 低温情况：
M = NμJ L(α )
低温情况下或在磁场非常强的条件下
α = μJH
kT
μJH>>kT，即α >>1, L(α)=1
得到：M=N·μJ= Ms （饱和磁化强度）
郎之万最早从理论上推导出居里定律，他开创 了从微观出发，用统计方法研究物质磁性的道路。
z固体的原子具有固有磁矩 z无外磁场作用时，材料中的原子磁矩无序排列，
材料表现不出宏观磁性 z受外磁场作用时，原子磁矩能通过旋转而沿外场
方向择优取向，表现出宏观磁性，这种磁性称为 顺磁性 z在此材料中，原子磁矩沿外磁场方向排列，磁场 强度获得增强，磁化强度为正值，相对磁导率＞1， 磁化率为正值，磁化率也很小，只有10-5～10-2 z磁化强度M与温度T的关系为朗之万顺磁理论。
朗之万函数
cthα
=
eα eα
+ e −α − e −α
(1) 高温情况：
M = NμJ L(α )
在高温时，kBT >> μJ ⋅ H
α << 1 ，所以 L(α ) = α
3
α = μJH
kT
M
=
N
⋅
μ
2 J
H
=
C
H
3kBT
T
式中C为居里常数
C
=
N
⋅
μ
2 J
3k B
顺磁材料的居里定律
χ
=
N
⋅
μ
M
χ
χ= C
1
T − Tc
χ
0
H
0 Tc
T 0 Tc
T
铁磁性物质的基本特征
z 其内存在按磁畴分布的自发磁化 z 磁化率很大 z 磁化强度与磁化磁场强度之间不是单值函数
关系，显示磁滞现象，具有剩余磁化强度； 其磁化率都是磁场强度的函数 z 有一个磁性转变温度--居里温度 z 在磁化过程中，表现出磁晶各向异性和磁滞 伸缩现象
∫ ∫ Z(H ) =
⎡ ⎢⎣
2π dϕ
0
eπ μJ ⋅cosθ / kT
0
sin
θdθ
⎤ ⎥⎦
N
=
⎜⎛ ⎝
4π α
shα ⎟⎞ Nμ
⎠
其中
α = μJH
kT
根据 ϕ = −kT ln Z
∂ϕ = ∂F = −M
∂H ∂H
得
M
=
kT
∂ ∂H
(ln Z ) =
Nμ J
L(α )
L(α ) = cthα − 1 α
2、顺磁性 (Paramagnetic)
¾抗磁体和顺磁体对于磁性材 M
料应用来说都视为无磁性
¾它们只有在外磁场存在下才
0
H
被磁化，且磁化率极小
χ
χ=M
H
1
χ
χ=C
T
T
T
0
0
顺磁性——郎之万理论
1905年郎之万在经典统计理论基础上,首先给 出了第一个顺磁性理论,其理论要点如下:
(1)设顺磁物质中每个原子(或磁离子)的固有磁 矩为μJ ，而且原子之间没有相互作用；
在外磁场作用下
H
每个电子因发生进动产生
感应磁矩，
产生的附加磁场方向与外 磁场方向相反
故削弱了外磁场
磁场中的电子
μr l
=
−
e 2m
r PL
与电子作轨道运动所对应的圆 电流在磁场中受到的磁力矩为
v M
L
=
μr L
×
v B0
v B
0
r PL
vv
μr L
磁场中的电子在磁力矩ML作用下，电子的轨 道角动量方向不断发生变化
¾ 在外磁场作用下，获得与外磁场
M
方向相反的磁矩的现象
¾ 抗磁性源于原子中电磁感应引起
电子轨道状态的变化。
0
¾ 抗磁性是一种很弱的、非永久性
的磁性，只有在外磁场存在时才
能维持。
χ
¾ 原子本征磁矩为零，磁场下所感 应的磁矩很小，与外磁场相反。
¾ 相对磁导率＜1，磁化率为负值，
ห้องสมุดไป่ตู้
0
约为-10-5数量级
例如：Bi,Cu,Ag,Au
0
¾ 铁、钴、镍等过渡元素都具有未成对的3d电子 ¾ 铁、钴、镍金属在室温下具有自发磁化的倾向，形成
自发磁化：磁性体内任一小区域内的所有原子磁 矩由于内部相互作用呈磁有序现象。
几个过渡元素原子的净磁矩示意图
原子
3d电子
磁矩(uB)
Cr ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
5
Mn ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
5
Fe ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑
4
Co ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑
3
Ni ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑
2
Cu ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓
H
χ=M
H
T
2、顺磁性 (Paramagnetic)
H
若原子磁矩不为零
在未加外磁场时，由于各 个原子磁矩的方向是完全 混乱的，彼此抵消，宏观 上不产生磁效应。
加上外磁场后，
磁矩将不同程度地沿着外磁 场方向排列起来，
宏观上呈现出附加磁场，附 加磁场与外磁场有相同方向
2、顺磁性 (Paramagnetic)
感应磁矩也 这一电流产生的附加磁场
r B
′
对应一电流 其方向也总是逆着外磁场方向
磁场中的电子
B
μL
ΔμrL
μL'
r B
′
ΔμrL
r B
′
B
fv
f v
μL μL'
外磁场作用下，电子产生附加转动，形成附加 的磁矩（感应磁矩），其方向与外磁场相反， 产生的附加磁场的方向与原磁场方向相反
1、抗磁性 (Diamagnetism)
问题：没有考虑到磁矩在空间的量子化，因而 与实验结果相比，在定量上有较大的差别。
3、铁磁性(Ferromagnetic)
z在很小的外磁场作用下产生很强的磁化强度，M>>H 磁化率可高达101～106
z外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性，这种磁性 称为铁磁性
z如：过渡金属Fe,Co,Ni和稀土金属钆、钇、钐、铕等
Ch5 电子材料的磁学性能
----物质的磁性
5.6 物质的磁性
所有的物质在磁场中都会受到磁力的作用，磁 性是物质的基本属性，就像物质具有质量和电性一 样。即：
一切物质都具有磁性。
抗磁性
顺磁性
物质的磁性可分为
反铁磁性 铁磁性
亚铁磁性
5.6 物质的磁性
1、抗磁性 (Diamagnetism)
若磁介质的原子磁矩为零 未加磁场，宏观不显磁性