第6节 抗磁性、顺磁性和铁磁性
顺磁性抗磁性铁磁性
原子物理学顺磁性，抗磁性，铁磁性指导教师：XXX专业：XXXX学号：XXXXXXXXXX姓名：XXXXXXX大学XXXX年X月X日顺磁性，抗磁性，铁磁性摘要：一些物质放在磁场中经过磁化后，它的宏观磁矩方向同磁场方向相反，此类物质称为抗磁性的；另一些物质放在磁场中经过磁化后，它的宏观磁矩方向同磁场方向相同，此类物质称为顺磁性的；而某些物质，如铁、钴、镍以及一些稀土元素和许多氧化物，在受到外磁场磁化后，显出比顺磁性强的很多的磁性，在失去磁场后，还保留磁性，这种现象称为铁磁性。
关键词：顺磁性，抗磁性，铁磁性一、顺磁性简介：顺磁性物质的磁化率为正值，比反磁性大1～3个数量级，X约10^-5～10^-3，遵守Curie定律或Curie-Weiss定律。
物质中具有不成对电子的离子、原子或分子时，存在电子的自旋角动量和轨道角动量，也就存在自旋磁矩和轨道磁矩。
在外磁场作用下，原来取向杂乱的磁矩将定向，从而表现出顺磁性。
定义：顺磁性是一种弱磁性。
当分子轨道或原子轨道上有落单的原子或电子时，就会产生顺磁性。
顺磁(性)物质的主要特点是原子或分子中含有没有完全抵消的电子磁矩，因而具有原子或分子磁矩。
但是原子(或分子)磁矩之间并无强的相互作用(一般为交换作用)，因此原子磁矩在热骚动的影响下处于无规(混乱)排列状态，原子磁矩互相抵消而无合磁矩。
但是当受到外加磁场作用时，这些原来在热骚动下混乱排列的原子磁矩便同时受到磁场作用使其趋向磁场排列和热骚动作用使其趋向混乱排列，因此总的效果是在外加磁场方向有一定的磁矩分量。
这样便使磁化率(磁化强度与磁场强度之比)成为正值，但数值也是很小,一般顺磁物质的磁化率约为十万分之一(10^-5)，并且随温度的降低而增大。
原理：顺磁性物质可以被看作是由许多微小的磁棒组成的，这些磁棒可以旋转，但是无法移动。
这样的物质受到外部磁场的影响后其磁棒主要顺磁力线方向排列，但是这些磁棒互相之间不影响。
热振动不断地使得磁棒的方向重新排列，因此磁棒指向不排列比排列的可能性高。
抗磁性和顺磁性.
3. d 和核外电子数成正比，和原子半径 r 2 成正比，定 性地和实验结果是一致的，（见下页图）
4. 计算一个自由原子的抗磁磁化率，归结为计算原子中 电子轨道半径数值，但这是经典理论不能完成的，量 子力学也只能精确计算氢原子等少数物质。已有一些 计算结果，见姜书p26表1-4中数据。经典公式利用量 子力学结果也可以称之为半经典理论。
B J
Hale Waihona Puke J mJ JmJ J
e
x
p
mJ J
J mJ J
exp
mJ J
d d
ln
J mJ J
exp
mJ J
0gJ JB H
kBT
该函数称作广义朗之万 函数，又称布里渊函数
利用等比级数求和公式，求出 2J+1 项之和，可以证明：
B J 2 J 2 J 1 c o th 2 J 2 J 1 2 1 Jc o th 2 J
发展了通过磁化率测量确定原子磁矩的方法。
★ Langevin 开创了从微观出发，用经典统计方法研究
物质磁性的道路，物理思想清晰，结果明确。
★ 原子有磁矩是量子力学的结论，量子力学确定原子
磁矩在空间是量子化的，在磁场方向只能取不连续
值： Jz g J m JB( m J 0 , 1 , 2 , J )
习题 2.1 上述文献中，金属Cu的抗磁磁化率有 4 种不同数据：
1.08106(SI) 5.4 106(cm3 mol-1) 这是一个可靠的原始数据 9.7 106( 4 cgs)
1.0105
试分析出它们所指磁化率的具体意义及单位。 ,m,mol
附录：磁化率的单位： 体积磁化率无量纲，无单位
Omar 《固体物理导论》所引数据：应是SI单位制下的体积磁化率数值。
材料物理性能 课件 第六部分 材料的磁性能
有交换相互作用
1、磁性的起源
磁畴：每个区域内部包含大量原子，这些原子的 磁矩都像一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的 不同区域之间原子磁矩排列的方向不同
单晶磁畴结构示意图
多晶磁畴结构示意图
1、磁性的起源
磁光效应：线偏振光透过放置磁场中的物 质，沿着磁场方向传播时，光的偏振面发 生旋转的现象。 对磁畴进行可视化
4、磁性材料的应用
由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如 变压器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软磁 材料制成。 常见的软磁材料有：铁、坡莫合金、硅钢片、铁铝合 金、铁镍合金等。
变压器
磁性传感器
4、磁性材料的应用
硬磁材料 I、具有较大的矫顽力， 典型值Hc＝104～106A/m； II、剩磁很大； III、充磁后不易退磁。 IV、高的稳定性 对外加干扰磁场和温度、 震动等环境因素变化的高 稳定性。
• 1991年，英国航空公司一架波音767，从曼谷起飞后不久 失事，造成233人遇难：经查实是笔记本电脑导致了机上 一台计算机失控；
• 1996年巴西空难、1998年台湾空难：乘客违规使用了手 机；
• 2000年1月，某航班从湛江起飞后航线偏离了10海里：发 现有乘客在起飞过程中使用手机；
• 2000年2月，某航班在郑州机场降落时，导航信号不正常： 发现有乘客在降落过程中使用手机，干扰了导航系统，使 飞机无法降落。
晶粒度与矫顽力
进一步减小， 各单畴晶粒发 生转动的可能 性将越来越大 （更容易转 动）。所以矫 顽力反而减小。
晶粒度与矫顽力
4、磁性材料的应用
磁滞回线围成的面积，可以简单理解为外磁场对磁性材料做的功 对于交流环境，温度累计会使得材料的温度急剧上升。
磁学学习题集
1. 顺磁性、抗磁性、铁磁性、反磁性的物理特征及代表性材料一、两种，它们的磁化率的温度关系。
金属导电电子的顺磁性（泡利顺磁性）磁化率FB E n 232μχ=的推导、各种抗磁性的来源。
顺磁性：一种弱磁性，呈现正的磁化率，数量级为10-5-10-2，磁性离子之间不存在明显的相互作用。
代表材料：FeCl2,CoCl2。
磁化率与温度的关系：居里定律和居里-外斯定律。
抗磁性：一种弱磁性，呈现负的磁化率，数量级为10-5，磁性离子之间不存在明显的相互作用，主要分为正常抗磁性和反常抗磁性（Bi ）。
代表材料：Ag,Ag,Cu 。
磁化率与温度的关系：正常抗磁性磁化率基本不随温度和磁场变化；反常抗磁性与温度和磁场有明显的依赖关系，在极低温下出现德哈斯-范阿尔芬效应。
正常抗磁性：电磁感应；反常抗磁性：导电电子受周期性晶格场的作用而引起的。
铁磁性：一种强磁性，在居里温度以下，存在自发磁化现象和分畴现象，近邻磁矩排列平行。
代表材料：Fe ，Co ，Ni,Fe3O4,Fe2O3。
磁化率与温度的关系：在居里温度以上，满足居里-外斯定律。
反铁磁性：一种强磁性，在居里温度以下，存在自发磁化现象和分畴现象，近邻磁矩排列反平行。
代表材料：MnO ，FeO 。
磁化率与温度的关系：在居里温度以上，满足居里-外斯定律。
金属导电电子的顺磁性推导：《铁磁学上》P57 2. 孤立原子的磁矩的组成。
用洪德法则分析单个离子（d 电子和f 电子）的磁矩。
原子组成晶体时轨道角动量冻结现象的理解、轨道角动量冻结的本质及其对磁矩的影响。
组成：轨道磁矩与自旋磁矩的耦合。
上P24分析例子：上P25。
轨道冻结：上P73。
3. 铁磁性的基本特征。
从唯象理论和交换作用理论的角度理解铁磁性物质的自发磁化和居里温度（包括反铁磁和亚铁磁情况）。
居里—外斯定律的推导、分子场的本质。
自旋波的理解与低温下铁磁体的磁化强度与温度的关系。
铁磁性基本特征：一种强磁性，在居里温度以下，存在自发磁化现象和分畴现象，近邻磁矩排列平行。
磁学的基础概念和磁性材料特性
磁学的基础概念和磁性材料特性磁学是物理学的一个重要分支，研究物质中的磁性现象以及磁场的产生和作用。
磁学的研究内容非常广泛，从最基本的磁性概念到磁性材料的特性都是磁学的重要内容。
磁性是物质的一种基本性质，表现为物质在外磁场作用下产生磁化的能力。
根据物质对外磁场的响应，可以将物质分为顺磁性、抗磁性和铁磁性三类。
顺磁性是指物质在外磁场作用下，磁矩与外磁场方向相同，而磁化强度较弱，且随外磁场的增强而增加。
顺磁性物质中的原子或离子具有未成对的电子自旋，这些电子自旋在外磁场的作用下会被排列起来，从而产生顺磁性。
抗磁性是指物质在外磁场作用下，磁矩与外磁场方向相反，且磁化强度较弱。
抗磁性物质中的原子或离子的电子自旋总数为偶数，因此在外磁场的作用下，磁矩相互抵消，导致物质呈现出抗磁性。
铁磁性是指物质在外磁场作用下，磁矩与外磁场方向相同，且磁化强度较强。
铁磁性物质中的原子或离子具有未成对的电子自旋，并且这些电子自旋在外磁场的作用下会被排列起来，形成一个较强的磁矩。
铁磁性物质在外磁场的作用下，磁矩的排列会发生变化，从而产生明显的磁化。
磁性材料是指具有磁性的物质，广泛应用于电子、通信、磁存储等领域。
根据磁性材料的特性，可以将其分为软磁性材料和硬磁性材料。
软磁性材料是指在外磁场作用下，能够快速磁化和去磁化的材料。
软磁性材料具有低的矫顽力和高的磁导率，能够有效地吸收和放出磁场能量。
软磁性材料广泛应用于变压器、电感器等电子设备中，用于实现能量的传输和转换。
硬磁性材料是指在外磁场作用下，能够长时间保持磁化状态的材料。
硬磁性材料具有高的矫顽力和高的剩磁，能够产生强大的磁场。
硬磁性材料广泛应用于磁头、磁盘等磁存储设备中，用于实现信息的读写和存储。
除了软磁性材料和硬磁性材料，还存在一些特殊的磁性材料，如铁氧体、钕铁硼和钴磁体等。
这些材料具有特殊的磁性特性，可以在特定的应用领域中发挥重要作用。
总之，磁学是物理学的一个重要分支，研究物质中的磁性现象以及磁场的产生和作用。
顺磁性和抗磁性
顺磁性和抗磁性
类似电介质的讨论，从物质电结构来说明磁性的起源。
介质的分子（原子）中的所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和，称为分子磁矩。
分子的磁效应可用分子磁矩来表示，并可用具有相同磁矩的圆电流来替代分子。
设分子电流的电流强度为I，圆面积S，对应的分子磁矩为
式中en为圆电流平面法向单位矢量，它与电流方向成右手螺旋关系。
(1) 抗磁质
磁介质的分子磁矩为零，在外磁场中，各个分子中的电子都因拉莫进动而产生感应磁矩。
感应磁矩的方向与外磁场方向相反，相应的附加磁场的方向也与外磁场方向相反，使介质中的磁感应强度减弱。
抗磁质在外磁场中的磁化过程称为感应磁化。
(2) 顺磁质
磁介质的分子磁矩不为零，在无外磁场时，各个分子磁矩的方向完全无规则，宏观上不产生磁效应。
有外磁场时，各个分子磁矩将转向外磁场方向。
达到平衡时，分子磁矩将不同程度地沿外磁场方向排列起来，在宏观上呈现出附加磁场，附加磁场的方向与外磁场方向相同，使介质中的磁感应强度增加。
顺磁质在外磁场中也会出现感应磁矩，但它比分子磁矩约小5个数量级，因此完全可以忽略。
顺磁场在外磁场中的磁化过程称为取向磁化。
第6节抗磁性顺磁性和铁磁性ppt课件
顺磁性：具有磁矩的原子构成的物体，在磁场中磁化后， 物体的宏观磁性与外磁场相同。
磁化规律： M H
磁化率
抗磁性：<0 顺磁性： >0
磁介质放在磁场中发生磁化，其宏观磁性来源于：
（1）在磁场中，原子中的电子轨道将发生旋进； （2）具有磁矩的原子在磁场中各种取向的平均效果。
（2）具有磁矩的原子在磁场中各种取向的平均效果 产生宏观磁性
具有磁矩的原子在磁场中的附加能量：
=－ J B cos J 和外磁场夹角< 90o的原子的能级
低于 J 和外磁场夹角> 90o的原子的能级
当达到热平衡时，原子的分布服从波尔兹曼分布率
Ni eE / KT
低能级原子 比 高能级原子 多
就平均效果来说，平均磁矩与外磁场同方向，表现出顺磁性。
6
铁磁性
铁磁性物质：Fe、Co、Ni，以及某些稀土元素和一些氧化物。 铁磁性：在受外磁场磁化时，显示比顺磁性强很多的磁性， 而且去了磁场之后，还保留了磁性。
为什么铁磁质有这么大的磁性？因为它存在磁畴。
磁畴是铁磁质中已经存在的许多自发的均匀磁化小区域。
未加外磁场之前，各个磁畴有各不相同 的取向，对外的效果相互抵消；加外磁 场之后，各磁畴的磁矩方向向外磁场转 动，对外就显示较强的宏观磁性。
L
1
2
l
Pl
B
e
4 m
0
H
一个原子中的Z个电子形成的环流： i
Ze L
oZe2 4 m
H
一个原子中的Z个电子轨道旋进引起的磁矩为：
oZe2
6m
H
r2
铁磁性课件.ppt
反铁磁性
• 物质原子间静电交换作用使原子磁矩有序排列，当 交换积分A<0时，原子磁矩反平行排列的状态称为 反铁磁态，处于反铁磁态的物体称为反铁磁体。
某些反铁磁体的磁性常数
物质
TN(K)
χ(θ)/χ(TN)
MnO
122
2/3
MnS
165
0.82
MnSe
150
MnTe
323
0.68
MnF2
72
FeO
5
• 铁磁性研究的核心问题就是为什么铁磁体 的原子磁矩比顺磁体容易整列？
物质内部原子磁矩的排列 a:顺磁性 b:铁磁性 c:反铁磁性 d:亚铁磁性
6
铁磁性的物理本质
7
Weiss假设
• Weiss提出第一个假设：磁体中存在与外场无关的自 发磁化强度，在数值上等于技术饱和磁化强度Ms， 而且这种自发磁化强度的大小与物体所处环境的温 度有关。对于每一种铁磁体都有一个完全确定的温 度，在该温度以上，物质就完全失去了其铁磁性。
• 人们把注意力转向静电力。但是，建立在Newton力 学和Maxwell电磁力学上的经典电子论也不能揭示 铁磁体自发磁化的本质。
• Heisenberg和Frank按照量子理论证明，物质内相邻 原子的电子间有一种来源于静电的相互作用力。由 于这种交换作用对系统能量的影响，迫使各原子的 磁矩平行或反平行排列。
• 磁相互作用力的能量与热运动的能量相比太小了， 根据计算，在磁相互作用力下，物体只需加热到 1K就可以破坏原子磁矩的自发平行取向，因而物 体的居里温度应在1K左右。
13
• 实际铁磁体的居里温度在数百K甚至上千K。
• 引起铁磁体内原子磁矩排列整齐，并使有序状态 保持到如此高的温度的力量显然比磁相互作用力 要大千百倍。
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铁磁性
铁磁性物质：Fe、Co、Ni，以及某些稀土元素和一些氧化物。 铁磁性：在受外磁场磁化时，显示比顺磁性强很多的磁性， 而且去了磁场之后，还保留了磁性。 为什么铁磁质有这么大的磁性？因为它存在磁畴。 磁畴是铁磁质中已经存在的许多自发的均匀磁化小区域。 未加外磁场之前，各个磁畴有各不相同 的取向，对外的效果相互抵消；加外磁 场之后，各磁畴的磁矩方向向外磁场转 动，对外就显示较强的宏观磁性。 铁磁质中起主要作用的是电子的自旋磁矩。电子自旋磁矩可 以不靠外磁场、在小范围内取得一致方向而形成磁畴。 8
单位体积的原子数
M N
o Ze N
2
6m
H r2
o Ze2 N 2 M r H 6m
4
电子轨道在磁场中旋进产生的宏观磁性具有抗磁性
（2）具有磁矩的原子在磁场中各种取向的平均效果 产生宏观磁性
具有磁矩的原子在磁场中的附加能量：
=－ J B cos
J 和外磁场夹角< 90o的原子的能级 低于 J 和外磁场夹角> 90o的原子的能级
J
e Mg B / KT
可算出平均磁矩为
J ( J 1) g 2 B 2 B 3kT
o J ( J 1) g 2 B 2 磁化率： H 3KT
o J 2
3KT
（一个原子磁化率）
磁化率与绝对温度成反比，与实验得到的居里定律一致。
6
综合（1）（2），得到一个原子的磁化率：
0 Ze 2
6m
r
2
2 0 J
3kT
对于 J0 的原子在磁场作用下有顺磁性也有抗磁性。在 室温下，顺磁性磁化率比抗磁性磁化率大2或3个数量级， 物体表现出顺磁性。 对于J=0的原子，上式第二项为0，就只有抗磁性了。
物体的宏观磁性不仅取决于原子的磁性，而且取决于分子 的构成。如JN=3/2，JO=2，但是N2的总角动量为零，因而表 现为抗磁性；而O2的总角动量却不为零,为顺磁性。
§6.6：磁矩为零的原子构成的物体，在磁场中磁化后， 物体的宏观磁性与外磁场相反。 顺磁性：具有磁矩的原子构成的物体，在磁场中磁化后， 物体的宏观磁性与外磁场相同。 磁化率 抗磁性：<0 顺磁性： >0 磁介质放在磁场中发生磁化，其宏观磁性来源于： （1）在磁场中，原子中的电子轨道将发生旋进； （2）具有磁矩的原子在磁场中各种取向的平均效果。
2
磁化规律： M H
（1）电子轨道在磁场中旋进产生的宏观磁性
M dPl Pl sin d Pl sin L dt dt
M l B sin
L
l
Pl
B
B
d dPl Pl
B
µ l
Pl dPl
3
旋进角动量与外磁场同方 向，与旋进角动量相应的 轨道磁矩（感应磁矩）与 外磁场方向相反。 感应磁矩是抗磁性的来源。
当达到热平衡时，原子的分布服从波尔兹曼分布率
Ni eE / KT
低能级原子 比 高能级原子 多 就平均效果来说，平均磁矩与外磁场同方向，表现出顺磁性。
5
平均磁矩
E / KT e z E / KT e
M J
J
Mg B e Mg B / KT
M J
µ l
L
l
Pl
B
1 l e B 0 H 电子轨道旋进频率： L 2 Pl 4 m
o Ze H 一个原子中的Z个电子形成的环流： i Ze L 4 m
2
o Ze2 H r2 一个原子中的Z个电子轨道旋进引起的磁矩为： 6m
磁化强度（单位体积中的磁矩)：