第三章材料的磁性

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磁性的来源——磁偶极子
magnetic dipoles
The spin of the electron produces a magnetic field with a direction dependent on the quantum number
Electrons orbiting around the nucleus create a magnetic field around the atom .
ms
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磁性的来源——磁偶极子
材料的磁性主要来源于电子的轨道磁矩和自旋磁矩。 材料中原子核的磁矩很小，通常可以略去不计。
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磁性的来源——磁偶极子
组成宏观物质的原子有两类： 1、原子中的电子数为偶数，即电子成对地存在于 原子中。这些成对电子的自旋磁矩和轨道磁矩方向 相反而互相抵消，使原子中的电子总磁矩为零，整 个原子就好像没有磁矩一样，习惯上称他们为非磁 原子。 2、原子中的电子数为奇数，或者虽为偶数但其 磁矩由于一些特殊原因而没有完全抵消使原子中 电子的总磁矩(有时叫净磁矩，剩余磁矩)不为零， 带有电子剩余磁矩的原子称作磁性原子。
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磁学的基本概念
Hm：磁化强度
- 22 magnetization
m：磁化率
magnetic susceptibility
磁学的基本概念
偶极子：构成质点的正负电荷 沿电场方向在有限范围内短程 移动，形成一个偶极子。 电偶极矩 ：=ql E l
-q
+q
Mi= qmL 磁矩：将磁极强度为qm、相距 为L的磁极对臵于磁场强度H中， H 为达到与磁场平行，该磁极对要 受到磁场力F的作用，在转矩 N T=LqmHsin的作用下，发生旋 qmH 转,该式中的系数qmL定义为磁矩。 S 磁偶：具有磁矩的磁极对 - 23 qmH
–在外电场作用下，相邻磁矩反向排列。 – Mn、Cr
• 铁氧体磁性(ferrimagnetism)
– 不同的磁矩反平行排列时，在一个方向呈现出净磁矩。 – 代表：磁铁矿Fe3O4
铁磁性 氧体磁性
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反铁磁性
铁
反铁磁性(MnO)
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思考题
为什么材料会表现出不同的磁性？ 在晶体中，轨道与轨道、轨道与自旋、自旋与自 旋的直接或间接的相互作用以及这些磁矩对外磁场 响应的特性就构成了各种不同的磁性物质。物质中 产生磁场的方式通常有三种：
电子轨道磁矩 电子轨道磁矩在外磁场方向上的分量，满足量子 化条件：
ml为电子运动状态的磁量子数，下角z表示外磁场方 向；μB为玻尔磁子(Bohr magneton)，是电子磁矩的 最小单位，其值为
e 、h、 me分别为电子电量、普朗克(Planck)常量和电子
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自旋磁矩 每个电子本身作自旋运动，产生一个沿自旋轴方向的 自旋磁矩 （electronic spin magnetic moment）。因此可以把原 子中每个电子都看作一个小磁体，具有永久的轨道磁矩 和自旋磁矩。
磁性材料的应用 军事工业中的应 用。
铁氧体雷达波吸收材料用于F117隐身战机
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本章纲要
磁学基本概念
磁性的种类
自发磁化和磁畴 磁性材料的种类 磁性材料的应用 磁性在材料研究中应用
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磁学的基本概念
磁学现象的两个基本命题： (1)磁及磁现象的根源是电流，或者说是电荷的运 动。 （电流的磁效应和变化磁场的电效应) (2) 所有的物质都是磁性 体。 （磁的自发性） 电流(或运动电 荷)

引 言
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极 光
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磁学与磁性材料的发展
公元前4世纪 Fe3O4磁性记载（中国）
《吕氏春秋.精通篇》云：”慈石召铁，或引之 也。”
司南（春秋战国）
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公元前3世管辂《管氏地理指蒙》
磁者母之道，针者铁之戕，母子之性，以是感以 是通，受戕之性，以是复以是完，体轻而径，所 指必端，应一气之所，召土曷中而方曷，偏较轩 辕之纪，尚在星虚丁癸之躔，惟岁差之法，随黄 道而占之，见成象之昭然。 磁石受太阳之气而成，磁石孕二百年而成，铁虽 成于磁，然非太阳之气不生，则火实为石之母， 南离属太阳，真火针之指南北，顾母而恋其子也。
磁感应强度
1820年，奥斯特发现电流能在周围空间产生磁场， 一根通有I安培(A)直流电的无限长直导线，在距导线轴 线r米(m)处产生的磁场强度H（magnetic field strength）为:
H I 2r
在国际单位制中，单位为安培/米(A/m
材料在磁场强度为H的外加磁场(直流、交变或脉 冲磁场)作用下，会在材料内部产生一定磁通量密度， 称其为磁感应强度B (magnetic flux density)。
-
磁矩(magnetic moment)
是表示磁体本质的一个物理量。 任何一个封闭的电流都具有磁 矩m; 其方向与环形电流法线的方向 一致; 其大小为电流与封闭环形的面积的乘积 IΔS。 磁矩 在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩J J＝m×B
式中，J为矢量积，B为磁感应强度，其单位为
金
水银 硅 银
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-3.44×10-5
-2.85×10-5 -0.41×10-5 -2.38×10-5
铬
钠 钛 锆
3.13×10-4
8.48×10-6 1.81×10-4 1.09×10-4
磁性的种类
磁化率是很大的正数，且与外 磁场呈非线性关系变化。 类似于铁磁体，但磁化率 没有铁磁体那样大 磁化率为正值，约为l0-3~10-6
r 1 介质的磁化率
0
M H
介质的磁化率

仅与磁介质性质有关。它反映材料磁化的能力，没有单位，为一纯数。
可正、可负，决定于材料的不同磁性类别 常见材料在室温时的磁化率
材料名称 氧化铝 铜 磁化率 -1.81×10-5 -0.96×10-5 材料名称 锌 铝 磁化率 -1.56×10-5 2.07×10-5
磁性的种类
• 铁磁性(ferromagnetism)
μr很大约102~104； – 在不太强的磁场中，就可以磁化到饱和状态 。 χm为正值，很大；M – 铁磁居里温度 与H呈非线性关系 ferromagnetic Curie temperature
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磁性的种类
• 反铁磁性(antiferromagnetism)
即在强度为H的磁场被磁化后，物质内磁场强度的 大小。 B和H是既有大小、又有方向的向量。 单位为特斯拉 (T)或韦伯/米2(Wb/m2)。
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磁学的基本概念
磁导率的定义是μ=B/H，是磁化曲线上任意一点上 B和H的比值。磁导率实际上代表了磁性材料被磁化 的容易程度，或者说是材料对外部磁场的灵敏程度。
公元1600年，英国的 吉尔伯特发表了世界上 第一部磁学专著<<论磁 石>>。
吉尔伯特
磁学与磁性材料的发展
法拉 第
安 培
韦 伯
麦克斯 韦
磁性物质 的分子场假 说，奠定了 现代磁学的 基础。
赫 兹
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外 斯
磁学与磁性材料的发展
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磁性材料的应用 发电机和电动机等电气化设备，是以磁场的作用和 磁性材料为基础进行能量转换的。
北宋.沈括《梦溪笔谈》
以磁石磨针锋，则能指南；然常微偏东， 不全南也。水浮多荡摇，指爪及碗唇上皆可 为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬为 最善。其法：取新纩中独茧缕，以芥子许腊 缀于针腰，无风处悬之，则针常指南。其中 有磨而指北者。予家指南、北者皆有之。磁 石之指南，犹柏之指西，莫可原其理。
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电子轨道磁矩 电子绕原子核的轨道运动，产生一个非常小 的磁场，形成一个沿旋转轴方向的轨道磁矩。设r 为电子运动轨道的半径，L为电子运动的轨道角动 量，ω为电子绕核运动的角速度，电子的电量为 e， 质量为m。
该磁矩的方向垂直于电子运 动轨迹平面，并符合右手螺旋 定则。
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为了求得磁矩在磁场中所受的力，对一维情况可以写出
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Fx m dB / dx
磁化强度
在一外磁场H中放入一磁介质，磁介质受外磁场 作用，处于磁化状态，则磁介质内部的磁感强度B将发 生变化： B H 式中μ为介质的绝对磁导率，μ只与介质有关。
B 0 H 0 M 0 ( H M ) H
J B m N m V s Wb 2 2 A m2 m m
其中Wb(韦伯)是磁通量的单位。
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静磁能
在均匀磁场中，磁矩受到磁场作 用的力矩J试图使得磁矩m处于位能较 低的方向。磁矩与外加磁场的作用能称 为静磁能。
U＝－m· B
此式为分析磁体相互作用、以 及在磁场中所处状态是否稳定 的依据。
式中M称为磁化强度（intensity of magnetization），它表征物质被磁化的程度。 对于一般磁介质，无外加磁场时，其内部各磁矩 的取向不一，宏观无磁性。但在外磁场作用下，各磁 矩有规则地取向，使磁介质宏观显示磁性，这就叫磁 - 26 化。
磁化强度
磁化强度的物理意义是单位体积的磁矩。设体积元△V内磁矩的矢量和为
μr略小于1，χm=-10-4~-10-8
磁场撤去 后磁效应 消失
• 顺磁性(paramagnetism) m >0
– 含有非零角动量原子(例如过渡金属)的材料。 mT-1(居里定理) – 一些非过渡金属(例如Al)。 m与T无关 μr略大于1，χ=10-3~10-6
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磁 场
磁学的基本概念
磁场强度：指空间某处磁场的大小，符号H，单位 :(A/m)。 磁化强度：指材料内部单位体积的磁矩矢量和，符 号M，单位:(A/m)。