chap讲义ter2 磁性的起源
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磁性的来源PPT课件
没有强磁性。
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4
铁、钴、镍正常状态下无磁性的原因
• 尽管铁钴镍等物质它们的原子内部电子在不同自转方向上
的数量不一样，在自转相反的电子磁极互相抵消以后，还 剩余一部分电子的磁矩没有被抵消。从而整个原子具有总 的磁矩。 但是，我们举个例子，铁钉，铁钉的内部却被 分成为许多细小的区域，在每一个区域，原子磁矩具有相 同的取向，但不同区域内的原子磁矩却有不同的取向。这 一个 个的小区域叫做“磁畴”。如果只看这每一个磁畴， 其中原子磁矩的取向是一致的，因而这每一个磁畴倒像是 一块独立的磁体。但是，相邻的磁畴总是一个磁畴的N 极 与另一个磁畴的S极紧靠一起，而N极和S极的磁场线相连， 结果就没有磁场线延伸到物质的外部，因而不显示磁性。 这就是说，在通常情况下铁原子同时处在两种状态。它们 在同一个磁畴中，磁矩具有相同的取向，但在不同的磁畴 中磁矩有不同的取向，因而不会有磁场线延伸到物质的外 部显示磁性。
• 天然磁石也是通过类似的自然过程形成的。含有铁元素的
岩石在火山爆发中被加热，然后自然冷却。在此过程中， 其中的原子磁矩受到地球磁力（地球磁场）的作用作整齐 排列，并被固定下来。受到雷击被加热的含有磁性元素的 岩石，冷却下来，也有可能形成天然磁体。
.
8
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9
新变为磁体呢？办法是再一次加热失去磁性的磁体，使其 中的原子作激烈运动，然后利用其他磁体的 磁力来使失 去磁性的磁体内的原子磁矩作取向一致的排列。在原子磁 矩取向一致的状态下降低温度，失去磁性的磁体就会恢复 磁性，重新成为磁体。
• 其实，这也就是制造磁体的方法。先把制造磁体的各种原
料混合在一起，做成具有所需形状的半成品，然后加热。 由于受热，半成品中的原 子磁矩变得容易改变方向，此 时用电磁体等向半成品施加磁力，并同时使之冷却，降低 温度。这个过程叫做“磁化”。经过磁化的半成品就变成 了具有磁性的磁体。 事实上，不论什么种类的磁体都是 使用这种基本方法制造出来的。
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铁、钴、镍正常状态下无磁性的原因
• 尽管铁钴镍等物质它们的原子内部电子在不同自转方向上
的数量不一样，在自转相反的电子磁极互相抵消以后，还 剩余一部分电子的磁矩没有被抵消。从而整个原子具有总 的磁矩。 但是，我们举个例子，铁钉，铁钉的内部却被 分成为许多细小的区域，在每一个区域，原子磁矩具有相 同的取向，但不同区域内的原子磁矩却有不同的取向。这 一个 个的小区域叫做“磁畴”。如果只看这每一个磁畴， 其中原子磁矩的取向是一致的，因而这每一个磁畴倒像是 一块独立的磁体。但是，相邻的磁畴总是一个磁畴的N 极 与另一个磁畴的S极紧靠一起，而N极和S极的磁场线相连， 结果就没有磁场线延伸到物质的外部，因而不显示磁性。 这就是说，在通常情况下铁原子同时处在两种状态。它们 在同一个磁畴中，磁矩具有相同的取向，但在不同的磁畴 中磁矩有不同的取向，因而不会有磁场线延伸到物质的外 部显示磁性。
• 天然磁石也是通过类似的自然过程形成的。含有铁元素的
岩石在火山爆发中被加热，然后自然冷却。在此过程中， 其中的原子磁矩受到地球磁力（地球磁场）的作用作整齐 排列，并被固定下来。受到雷击被加热的含有磁性元素的 岩石，冷却下来，也有可能形成天然磁体。
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新变为磁体呢？办法是再一次加热失去磁性的磁体，使其 中的原子作激烈运动，然后利用其他磁体的 磁力来使失 去磁性的磁体内的原子磁矩作取向一致的排列。在原子磁 矩取向一致的状态下降低温度，失去磁性的磁体就会恢复 磁性，重新成为磁体。
• 其实，这也就是制造磁体的方法。先把制造磁体的各种原
料混合在一起，做成具有所需形状的半成品，然后加热。 由于受热，半成品中的原 子磁矩变得容易改变方向，此 时用电磁体等向半成品施加磁力，并同时使之冷却，降低 温度。这个过程叫做“磁化”。经过磁化的半成品就变成 了具有磁性的磁体。 事实上，不论什么种类的磁体都是 使用这种基本方法制造出来的。
高二物理竞赛基本磁现象及磁性起源的认识课件
3
电流磁效应的发现
1820年：奥斯特发现通电直导线能使小磁 针偏转；磁铁也可以使通电直导线发生偏转；
4
安培对磁现象的探索及磁性起源的猜想
（1）重复奥斯特实验，发 现新规律，指出磁针转动方 向与电流方向满足右手定则
安培
5
安培对磁现象的探索及磁性起源的猜想
（2）磁铁对电流有作用力
6
安培对磁现象的探索及磁性起源的猜想
北宋沈括《梦溪 带电粒子在磁场中运动所受的力与运动方向有关.
恒定磁场
笔谈》：指南针， 磁铁也可以使通电直导线发生偏转；
磁铁也可以使通电直导线发生偏转； 大小与 无关
地磁偏角 （2）磁铁对电流有作用力
安培对磁现象的探索及磁性起源的猜想 磁铁也可以使通电直导线发生偏转； 北宋沈括《梦溪笔谈》：指南针，地磁偏角 北宋沈括《梦溪笔谈》：指南针，地磁偏角 安培对磁现象的探索及磁性起源的猜想 实验发现带电粒子在磁场中沿某一特定直线方向运动时不受力，此直线方向与电荷无关. 安培对磁现象的探索及磁性起源的猜想 带电粒子在磁场中沿其他方向运动时 垂直于 与特定直线所组成的平面. 1820年：奥斯特发现通电直导线能使小磁针偏转； （2）磁铁对电流有作用力 （3）通电导线间有相互作用力 当带电粒子在磁场中垂直于此特定直线运动时受力最大. （4）提出分子电流假说 解释磁现象本质
vv
o
z
F0
+ vv
x
带电粒子在磁场中
沿 垂其 直于他方v 向与运特动定时直F 线
所组成的平面.
当带电粒子在磁场 中垂直于此特定直线运 动时受力最大.
F F m ax F qvFqmavx 大小与 q,v 无关
磁感强度
B
的定义：
电流磁效应的发现
1820年：奥斯特发现通电直导线能使小磁 针偏转；磁铁也可以使通电直导线发生偏转；
4
安培对磁现象的探索及磁性起源的猜想
（1）重复奥斯特实验，发 现新规律，指出磁针转动方 向与电流方向满足右手定则
安培
5
安培对磁现象的探索及磁性起源的猜想
（2）磁铁对电流有作用力
6
安培对磁现象的探索及磁性起源的猜想
北宋沈括《梦溪 带电粒子在磁场中运动所受的力与运动方向有关.
恒定磁场
笔谈》：指南针， 磁铁也可以使通电直导线发生偏转；
磁铁也可以使通电直导线发生偏转； 大小与 无关
地磁偏角 （2）磁铁对电流有作用力
安培对磁现象的探索及磁性起源的猜想 磁铁也可以使通电直导线发生偏转； 北宋沈括《梦溪笔谈》：指南针，地磁偏角 北宋沈括《梦溪笔谈》：指南针，地磁偏角 安培对磁现象的探索及磁性起源的猜想 实验发现带电粒子在磁场中沿某一特定直线方向运动时不受力，此直线方向与电荷无关. 安培对磁现象的探索及磁性起源的猜想 带电粒子在磁场中沿其他方向运动时 垂直于 与特定直线所组成的平面. 1820年：奥斯特发现通电直导线能使小磁针偏转； （2）磁铁对电流有作用力 （3）通电导线间有相互作用力 当带电粒子在磁场中垂直于此特定直线运动时受力最大. （4）提出分子电流假说 解释磁现象本质
vv
o
z
F0
+ vv
x
带电粒子在磁场中
沿 垂其 直于他方v 向与运特动定时直F 线
所组成的平面.
当带电粒子在磁场 中垂直于此特定直线运 动时受力最大.
F F m ax F qvFqmavx 大小与 q,v 无关
磁感强度
B
的定义：
第二章磁性的起源.
二、电子自旋磁矩 自旋→自旋磁矩
实验证明：电子自旋磁矩在外磁场方向分量等于一 个μB，取正或取负。
μ
s
H
μ B
e 2m
e m2
自旋角动量：
PS SS 1
在外场方向分量：Ps H
ms
2
（自旋磁量子数：ms
1) 2
自旋磁矩与自旋角动量的关系为：
2、La系收缩：指La系元素的原子与离子半径随原子序 数的增加而逐渐缩小。
3、稀土离子的有效波尔磁子
J＝gJ J (J 1)B
因为受外面 5s25p66s2电子的屏蔽作用，稀土离子中的4f电 子受到外界影响小，离子磁矩与孤立原子相似。
Sm3＋与Eu3+除外，原因是他们不能满足hv>>kBT。
2. 计算原子总自旋角动量时，只考虑未填满次壳层中 的电子。
3. 电子总磁矩可写为：
g e P P，g : Lande因子
2m
g 1，来源于轨道运动；
g 2，来源于自旋；
1 g 2, 来源于二者
第二节 原子磁矩
由上面的讨论可知，原子磁矩总是与电子的角动量联
• 过渡元素的原子或离子组成物质时，轨道角动量冻结，
因而不考虑L
• 孤立Fe原子的基态（6.7 μB)与大块铁中的铁原子(2.2 μB) 磁矩不一样。
• 物质中：
Fe3＋的基态磁矩为5 μB
Mn2＋
5 μB
Cr2＋
4μB
Ni2＋
2 μB
Co2＋
3 μB
Fe2＋
4 μB （有几个未成对电子，就有几个μB）
其产生的μl电 子iA 轨 道2磁 e矩 ：r2
实验证明：电子自旋磁矩在外磁场方向分量等于一 个μB，取正或取负。
μ
s
H
μ B
e 2m
e m2
自旋角动量：
PS SS 1
在外场方向分量：Ps H
ms
2
（自旋磁量子数：ms
1) 2
自旋磁矩与自旋角动量的关系为：
2、La系收缩：指La系元素的原子与离子半径随原子序 数的增加而逐渐缩小。
3、稀土离子的有效波尔磁子
J＝gJ J (J 1)B
因为受外面 5s25p66s2电子的屏蔽作用，稀土离子中的4f电 子受到外界影响小，离子磁矩与孤立原子相似。
Sm3＋与Eu3+除外，原因是他们不能满足hv>>kBT。
2. 计算原子总自旋角动量时，只考虑未填满次壳层中 的电子。
3. 电子总磁矩可写为：
g e P P，g : Lande因子
2m
g 1，来源于轨道运动；
g 2，来源于自旋；
1 g 2, 来源于二者
第二节 原子磁矩
由上面的讨论可知，原子磁矩总是与电子的角动量联
• 过渡元素的原子或离子组成物质时，轨道角动量冻结，
因而不考虑L
• 孤立Fe原子的基态（6.7 μB)与大块铁中的铁原子(2.2 μB) 磁矩不一样。
• 物质中：
Fe3＋的基态磁矩为5 μB
Mn2＋
5 μB
Cr2＋
4μB
Ni2＋
2 μB
Co2＋
3 μB
Fe2＋
4 μB （有几个未成对电子，就有几个μB）
其产生的μl电 子iA 轨 道2磁 e矩 ：r2
第二类磁性的影响因素(精华版)
磁滞回线
磁滞回线的形状和面积直接表征磁性材料的主要磁 特性。 软磁材料的磁滞回线窄，故其矫顽力低，损耗也 低。用软磁材料制成的器件，工作稳定，效率高。 若磁滞回线面积窄而接近矩形这种软磁材料不仅 矫顽力Hc低而且Br／Bs值也高，适宜作记亿元件和 开关元件，这种材料也称为矩磁材料。 永磁材料的磁滞回线的面积宽，Br和H值也高，因 此磁滞回线的面积大。所以永磁材料经饱和磁化后， 储存磁能量大。
磁滞回线
矫顽力（Hc） ： 当H＝0，Br＝0Mr。若要将Br降为零，必须 加一反向磁场，这个反向磁场强度的绝对值 称为磁感应矫顽力，BHc，通常简称矫顽力Hc。 同样，要将剩余磁感应强度Br点所对应的 0Mr降为零，所需要磁场强度的绝对值称为 内禀矫顽力HMC。
磁滞回线
剩磁比： 剩磁Br与饱和磁感应强度Bs之比称为剩磁比 (或称开关矩形比)，即Br／Bs。它是表征矩磁 材料磁滞回线接近矩形的程度。
杂质和气孔的分布对剩磁的影响
杂质和气孔的影响包括两个方面： 一方面是在杂质和气孔周围产生一定的退磁 场，使材料内部磁化不均匀，导致剩磁的降 低； 另一方面，由于杂质、气孔等不均匀性，为 反磁化过程提供了反磁化核生长的条件，使 其反磁化过程在磁滞回线第一象限内，就有 反磁化核长大，因而降低了磁滞回线的矩形 度，剩磁也减小。
★剩磁状态的物理概念
剩磁状态是H＝o，而M≠0的磁化状态。 剩磁 状态一般可以理解为材料磁化至饱和后，在 反磁化过程中保留了大量不可逆的磁化部分， 而退掉了在H＞o区域中的可逆磁化部分。图 2表示出单抽各向异性晶粒组成的多晶体剩余 磁化的磁畴结构变化示意图。
●剩磁
剩余磁化强度的大小，决定于材料从饱和磁 化降到H＝0的反磁化过程中磁畴结构的变化。 剩磁是反磁化过程中不可逆磁化的标志，也 是决定磁滞回线形状大小的一个重要物理量。
第二章磁性的起源讲义
磁性物理学
第二章 磁性的起源
2）磁荷
磁介质的最小单元是磁偶极子 介质没有被磁化，磁偶极子的取向无规， 不显磁性； 处于磁场中， 产生一个力矩，磁偶极 矩转向磁场的方向，各磁偶极子在一定 程度上沿着磁场的方向排列，显示磁性
磁性物理学
第二章 磁性的起源
2、现代观点：物质的磁性来源于组成物质中原子的磁性
(2) 对于满壳层的电子排布来说，电子的自旋运动占据了所有可
能的方向，因此总的自旋量子数S为零，从而导致总轨道磁矩S
为零，计算某原子的磁矩时，只考虑磁性电子壳层中的电子
磁性物理学
第二章 磁性的起源
i e e T 2
其产生的电子轨道磁矩：
μl
iA 2
e
r2
1 er 2
2
又∵轨道动量矩：
l
e 2m
pl
将轨道磁矩与 pl mvr mr 2
动量矩之间建 立关系：
l l pl
轨道旋磁比： l
e 2m
磁性物理学
第二章 磁性的起源
众所周知，电子轨道运动是量子化的，因而只有分立的轨 道存在，换言之、角动量也应该是量子化的，并由下式给出
第二章 磁性的起源
第一节 电子的轨道磁矩和自旋磁矩 第二节 原子磁矩 第三节 稀土及过渡族元素的有效玻尔磁子 第四节 轨道角动量的冻结 第五节 铁磁合金的磁性
磁性物理学
第二章 磁性的起源
1、早期观点 1）安培分子电流
在磁介质中分子、原子存在着一种环形电 流——分子电流，分子电流使每个物质微 粒都成为微小的磁体 在没有被磁化时，分子电流杂乱无章排列， 不显磁性；加入磁场，分子电流沿磁场方 向规则排列，显磁性
（4）电子自旋的方向由自旋量子数 s 决定 s=±½
物质磁性的起源[整理版]
![物质磁性的起源[整理版]](https://img.taocdn.com/s3/m/d26ac07226d3240c844769eae009581b6bd9bd66.png)
一、物质磁性的起源如果磁是电磁以太涡旋，一个磁铁，没看到任何电磁以太的涡旋，为什么会有磁性？我们的回答是：物质的磁性起源于原子中电子的运动，电子的运动会产生一个电磁以太的涡旋。
0早在1820年，丹麦科学家奥斯特就发现了电流的磁效应，第一次揭示了磁与电存在着联系，从而把电学和磁学联系起来。
0为了解释永磁和磁化现象，安培提出了分子电流假说。
安培认为，任何物质的分子中都存在着环形电流，称为分子电流，而分子电流相当一个基元磁体。
当物质在宏观上不存在磁性时，这些分子电流做的取向是无规则的，它们对外界所产生的磁效应互相抵消，故使整个物体不显磁性。
在外磁场作用下，等效于基元磁体的各个分子电流将倾向于沿外磁场方向取向，而使物体显示磁性。
0磁现象和电现象有本质的联系。
物质的磁性和电子的运动结构有着密切的关系。
乌伦贝克与哥德斯密特最先提出的电子自旋概念，是把电子看成一个带电的小球，他们认为，与地球绕太阳的运动相似，电子一方面绕原子核运转，相应有轨道角动量和轨道磁矩，另一方面又绕本身轴线自转，具有自旋角动量和相应的自旋磁矩。
施特恩-盖拉赫从银原子射线实验中所测得的磁矩正是这自旋磁矩。
（现在人们认为把电子自旋看成是小球绕本身轴线的转动是不正确的。
）电子绕原子核作圆轨道运转和绕本身的自旋运动都会产生电磁以太的涡旋而形成磁性，人们常用磁矩来描述磁性。
因此电子具有磁矩，电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成。
在晶体中，电子的轨道磁矩受晶格的作用，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。
因此，物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而是主要由自旋磁矩引起。
每个电子自旋磁矩的近似值等于一个波尔磁子。
是原子磁矩的单位，。
因为原子核比电子重2000倍左右，其运动速度仅为电子速度的几千分之一，故原子核的磁矩仅为电子的千分之几，可以忽略不计。
0孤立原子的磁矩决定于原子的结构。
原子中如果有未被填满的电子壳层，其电子的自旋磁矩未被抵消，原子就具有“永久磁矩”。
磁性的起源
N0为阿伏伽德罗常数，кB为玻尔兹曼常数，μB为玻尔磁子。 2、在某一温度下，进行磁化曲线的测试，摩尔磁化强度Mmol与样品磁 矩M和摩尔磁化率χmol间的关系为：
M mol
M Mr mol H m
Mmol的常用单位为Gs∙cm3/mol或是Nβ，N和β分别是阿伏加 德罗常数和玻尔磁子，两者的转换关系为：1 Nβ = 5585 Gs∙cm3/mol。
铁磁性物质的特性
铁磁性物质的磁性与温度密切相关：只有在铁磁居
里温度Tc以下才具有铁磁性，并且磁化强度随温度 增加而逐渐减小，磁化率χ和温度T有如下关系：
还可以看出随着颗粒尺寸的减 小，TC降低， 磁化强度M降低 ?
铁磁性物质的磁化特性
在居里温度以下
如果磁化过程不 可逆性，即磁滞 现象。反复磁化 时，磁化强度与 磁场的关系是一 闭合曲线，称为 磁滞回线。 磁化过程包括磁 畴的转动与移动
m
M Mr H m
M为样品磁矩（CGS单位制下，其单位为emu），Mr为样品的 摩尔质量（g/mol），H为磁场强度（Oe），m为样品质量（g）。 在CGS单位制下，χm的常用单位为cm3/mol。 有效磁矩μeff（常用单位为μB）与间的关系为：
eff
3 B N0
2 B
mol T 2.828 mol T
a). J≠0 ，无相互作用，各原子磁矩取向混乱，对外不显示宏观磁性 b). 弱磁性，它呈现出正的磁化率χp>0，室温下χp：10-6-10-3 。 c). χp与T有关。
顺磁朗之万理论：原子磁矩之间无相互作用，为自由磁矩，热平衡态下为无 规则分布，受外加磁场作用后，原子磁矩的角度发生变化，沿着接近于外磁 M 场，方向作择优分布，因而引起顺磁磁化强度。 M H， H
磁性材料基础知识 ppt课件
磁路的欧姆定律：
FNiHlB l lS R m m
磁路的欧姆定律：
Bl l
FNiHl S R m m
自感 L Ψ i N iΦ N (F i m ) N (N i m )i N 2 m
N ——线圈匝数
Λm——自感磁通所经磁路的磁导
自感的大小与匝数的平方和磁路的 磁导成正比；
铁心线圈的自感要比空心线圈的大 得多；
类 硬（永）磁材料 Hc>1000A/m(12.5Oe)
按化学组成分类： 金属（合金）；无机（氧化物）；有机化合物
按维度分类： 纳米（零维；一维；二维）；微晶；非晶；块体
提纲
1 磁性材料的发展简史
2 磁学基本常识
磁性来源 磁学基本概念 磁性材料分类
3 电磁学主要定律-恒稳/交变磁场
4 磁性材料性能分析
3.2 磁场高斯定律
1、内容
通过任意闭合曲面的磁通量必等于零。
2、解释
BdS0
S
磁感应线是闭合的，因此 有多少条磁感应线进入闭 合曲面，就一定有多少条
磁感应线穿出该曲面。 B
S
B
3、说明
•磁场是无源场； 电场是有源场 •磁极相对出现，不存在磁单极； 单独存在正负电荷
3.3 安培环路定理
1、内 容 B
V
A A·mm -1 1
J m和M亦有如下关系：
Jm=µ0M
2.1 磁性来源
（a）无外磁场情况
铁磁材料内部的 磁畴排列杂乱无章， 磁性相互抵消，因此
对外不显示磁性。
磁畴是怎 么形成的
？
铁磁材料之所以具有高导磁 性，是因为在它们的内部具有 一种特殊的物质结构—磁畴。
（b）有外磁场情况