基本磁学的性能

1 基本磁学的性能 2 目录 材料的磁性磁性的分类抗磁性顺磁性反铁磁性铁磁性亚铁磁性 3 材料的磁性 物质的磁性的根源是电流 或者说 是电荷的运动 所有物质都是由原子构成的 而原子由原子核及核外电子构成 带有负电荷的电子在原子核周围作轨道运动和自旋运动 无论轨道运动还是自旋运动都会产生磁矩 原子核 由于带电 其运动也会产生磁矩 只是其磁矩很小 例如 氢核质子产生的磁矩仅为电子产生最小磁矩的1 658左右 物质磁性的主要根源是电子的运动 4 磁矩 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I S 在均匀磁场中 磁矩受到磁场作用的力矩J 磁矩在磁场中所受的力 所以 磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量 磁矩愈大 磁性愈强 即物体在磁场中所受的力也大 磁矩只与物体本身有关 与外磁场无关 5 1 轨道磁矩 由电子循轨运动产生的磁矩 以ml表示 ml为矢量 它垂直于电子运动的轨道平面 其大小为 式中 l为轨道角量子数 可取0 1 2 3 n 1 分别代表s p d f层的电子态 mB为玻尔磁子 mB 9 27 10 24Am2 是磁矩的最小单元 2 自旋磁矩 电子自旋运动产生的磁矩 以ms表示 其方向平行于自旋轴 其大小为 式中 Si为自旋量子数 其值为1 2 运动电子的磁矩 一般是轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和 6 材料的磁化 磁化 物质在磁场中由于受磁场的作用会改变磁场的强度 即都呈现出一定的磁性的现象 磁介质 能被磁场磁化的物质 磁场强度的单位是A m 安 米 磁化强度M 材料被磁化后 单位体积的磁矩 磁化强度的单位是A m 安 米 mi为原子固有磁矩 7 磁化率 表征物质本身的磁化特性 量纲为1 其值可正 可负 磁感应强度B 通过磁场中某点 垂直于磁场方向单位面积的磁力线数 单位为T 特斯拉 它与磁场强度H的关系是 式中 0为真空磁导率 它等于4 10 7H m 享 米 r为相对磁导率 为磁导率或导磁系数 单位与 0相同 反应了磁感应强度B随外磁场H变化的速率 8 物质磁性的分类 按照磁体磁化时磁化率的大小和符号 可将物质的磁性分为5大类 弱磁性 1 抗磁性 是很小的负常数 约 10 5数量级 与温度和磁场都无关 M与H反向 2 顺磁性 是正常数 但很小 约10 3 10 6数量级 与温度有密切关系 3 反铁磁性 为甚小的正常数 在某个温度存在极大值 强磁性4 铁磁体 为很大的正变数 约在10 106数量级 5 亚铁磁体 与铁磁体相似 但 值较小 如磁铁矿 Fe3O4 9 抗磁性 抗磁性是由于外磁场作用下 原子内的电子轨道绕场向运动 获得附加的角速度和微观环形电流 从而产生与外磁场方向相反的感生磁矩 原子磁矩叠加的结果使宏观物质产生与外场方向相反的磁矩 由于属于此类的物质有C Au Ag Cu Zn Pb等 形成抗磁磁矩 m的示意图 10 H m m Dm k k Dk Dk Dm 产生抗磁性的原理 m 磁矩 Dm 附加磁矩 Dk 附加向心力 k 向心力 抗磁性具有普遍性 物质是否表现出抗磁性要看物质的抗磁场是否大于其顺磁场 11 顺磁性 定义 当材料被磁化后 磁化矢量与外加磁场的方向相同时 固体表现为顺磁性 顺磁性物质的磁化率一般很小 室温下约为10 3 10 6数量级 原子内部存在固有磁矩 离子有未填满的电子壳层 如过渡元素 稀土元素 3d 金属Ti V 4d 金属铌Nb 锆Zr 钼Mo 钯Pd 5d 金属 Hf Ta W 铂Pt 自由电子的顺磁性大于离子的抗磁性 如 碱金属和碱土金属离子虽然是填满的壳层 但Li Na K Mg Al是顺磁性金属 顺磁性物质的磁化率与温度的关系服从居里 外斯定律 12 顺磁磁化过程示意图 a 无磁场 b 弱磁场 c 强磁场 静磁能 原子磁矩与外加磁场的相互作用能 为了降低静磁能 磁矩必将改变与磁场之间的夹角 于是便产生了磁化 顺磁性物质主要源于原子内部存在永久磁矩 13 反铁磁性 在反铁磁性中 近邻自旋反平行排列 它们的磁矩因而相互抵消 因此反铁磁体不产生自发磁化磁矩 显现微弱的磁性 反铁磁的相对磁化率 的数值为10 5到10 2 与顺磁体不同的是自旋结构的有序化 14 当施加外磁场时 由于自旋间反平行耦合的作用 正负自旋转向磁场方向的转矩很小 因而磁化率比顺磁磁化率小 随着温度升高 有序的自旋结构逐渐被破坏 磁化率增加 这与正常顺磁体的情况相反 然而在某个临界温度以上 自旋有序结构完全消失 反铁磁体变成通常的顺磁体 因而磁化率在临界温度 称奈耳温度Neelpoint 显示出一个尖锐的极大值 反铁磁材料的磁化率与温度关系 15 铁磁性 这是人类最早发现并利用的强磁性 它的主要特征是 1 磁化率数值很大磁化率数值是温度和磁场的函数 存在磁性转变的特征温度 居里温度 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 16 铁磁性有一类物质如Fe Co Ni 室温下磁化率可达10 106数量级 这类物质的磁性称为铁磁性铁磁性物质即使在较弱的磁场内 也可得到极高的磁化强度 而且当外磁场移去后 仍可保留极强的磁性 有剩磁 各类磁性物质的 曲线示于下图 17 亚铁磁性 1948年Neel在反铁磁理论的基础上创建了亚铁磁性理论后 人们才认识到这类物质的特殊性 在磁结构的本质上它和反铁磁物质相似 但宏观表现上却更接近于铁磁物质 对这类材料的研究和利用克服了金属铁磁材料电阻率低的缺点 极大地推动了磁性材料在高频和微波领域中的应用 成为今日磁性材料用于信息技术的主体 亚铁磁性体 相邻原子磁体反平行 磁矩大小不同 产生与铁磁性相类似的磁性 一般称为铁氧体的大部分铁系氧化物即为此 磁性材料 铁磁性与亚铁磁性的统称 18 尖晶石结构 Fe3O4 MnFe2O4 CoFe2O4石榴石结构 A3Fe5O12 A