第七章-材料的磁性能-1解析.ppt

第七章材料的磁性能,2009.05,磁性与物质的微观结构有关物质的原子结构原子间的相互作用-键合情况和晶体结构着重介绍原子磁矩和物质磁性的分类，铁磁性的分子场理论，亚铁磁性的超交换理论，铁磁性物质内部的能量和磁畴的形成,磁矩,磁偶极子的概念是讨论磁性材料的核心问题。与电荷不同，孤立的磁极是没有的。磁体的最小基元是小圆形电流（“分子电流”）一个小圆形电流所形成的磁场，在较远地方的分布情况和一个电偶极子的电场分布极为相似。因此一个小圆形电流可称作一个磁偶极子。一个电偶极子有它的电矩。一个磁偶极子(小圆形电流)有它的磁矩。,磁矩是一个矢量，用m表示，其大小可表示为,I为小圆形电流的电流强度，S为小圆形电流的面积。磁矩的方向为它本身在圆心所产生的磁场方向。,磁矩是表示磁体本质的一个物理量，表征磁性物体磁性大小。磁矩愈大，磁性愈强，即物质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。,7.1磁学基本量及物质磁性分类,7.1.1磁学基本量,1.磁矩,2.磁场强度,一无限长螺旋管，每米有N匝，通过的电流为I，管中心轴上的磁场强度大小为：,磁场强度单位H为Am-1,在磁场中，单位速率的单位电荷所受的最大磁力定义为磁感应强度，用B表示，单位为T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，这就叫磁化。任何物质在外磁场的作用下，由于物质内部的微观电流，还要产生一个附加的磁场。外磁场和附加磁场的和称为材料的磁感应强度。在真空中，磁感应强度B与外磁场H成正比，即,3.磁感应强度,磁化强度表征磁介质本身的磁化程度。在外磁场的作用下，在磁介质内任取一个体积单元，要求这个体积单元在微观上要足够大，即包含足够数量的磁偶极子，但在宏观上要足够小，即能表征该处的磁化强度（M）。磁化强度的物理意义：单位体积的磁矩。,单位：A/m,将材料放入磁场为H的自由空间中，材料的磁感应强度B：,【J/m3】,磁矩与外加磁场的作用能称为磁位能或静磁能。,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。,4.磁位能(静磁能),单位体积磁铁所受力矩：,宏观上，物体在磁场中被磁化的程度与磁场强度有关。体积磁化率(磁化率)和绝对磁导率定义为,为正（同向时）为负（反向时）,5.磁化率与磁导率,相对磁导率r定义为,实质上是描述同一物理客观现象的磁性参量。,磁场和电场重要物理量及公式对比,7.1.2物质的磁性分类,1.抗磁体,磁化率为甚小的负数，大约在10-6数量级在磁场中受到微弱斥力金属中有一半简单金属是抗磁体根据磁化率与温度的关系又可分为：（1）“经典”抗磁体，不随温度变化（铜银金汞锌）（2）反常抗磁体，随温度变化，且其大小是前者的10100倍（铋镓锑锡铟铜锆合金中的相等）,2.顺磁体,磁化率为正值，10-310-6在磁场中受到微弱吸力（1）正常顺磁体，随温度变化，符合1/T关系。（2）与温度无关的顺磁体,3.铁磁体,在较弱的磁场作用下，能产生很大的磁化强度是很大的正数，且与外磁场呈非线性关系具体金属是铁钴镍及其合金铁磁体在温度高于某临界温度后变为顺磁体此临界温度称为居里点或居里温度（TC）,4.亚铁磁体和反铁磁体,亚铁磁体有些像铁磁体，但值没有铁磁体那样大，磁铁矿和铁氧体等属于亚铁磁体反铁磁体的是小的正数，在温度低于某温度时，它的磁化率同磁场的取向有关；高于这个温度，其行为像顺磁体，如-Mn、铬，氧化镍和氧化锰。,磁性根源,电子绕原子核运动，产生电子轨道磁矩；电子本身自旋，产生电子自旋磁矩。,7.2原子和离子的固有磁矩,7.2.1孤立原子本征磁矩,1.电子轨道磁矩,nl：角量子数,当n=1，nl=1时，即1s电子轨道磁矩B称为玻尔磁子，是磁矩的最小单位B=9.273210-24A.m2,用量子力学波函数来描述电子运动,：轨道量子数，(代表s，p，d，f等电子态)，可取值0，1，2，3，(n-1)。,：磁量子数，可取值0，1，2，l，共（2l+1）个值,说明电子轨道磁矩在磁场中的投影值是量子化的。,根据量子理论,在外电场下,轨道磁矩在外磁场方向的投影值并不能任意取值,而只能取,在填满了电子的次电子层（s、p、d、f、）中，各电子的轨道运动分别占据了所有可能的方向，形成一个球形对称体系，因此合成的总轨道角动量等于零，总轨道磁矩也等于零。所以在计算原子的总轨道磁矩时，只考虑未填满的那些次壳中电子的贡献。,s：自旋量子数，可取值1/2,自旋磁矩在外磁场方向的分量：,ms：自旋角动量方向量子数，可取值,如果在s、p、d、f等次电子层填满了电子时，电子总自旋磁矩也为零。所以，计算原子的总自旋磁矩时，只需要考虑未填满的那些次壳层中各电子的贡献。,2.电子自旋磁矩,电子自旋运动是由于量子力学效应，在宏观物体中还找不出一种运动与之对应。实验和量子力学已证明电子在作轨道运动的同时还绕自身的轴作自旋运动，自旋运动产生的磁矩S为,原子磁矩为电子轨道磁矩与自旋磁矩的总和。,耦合方式：,J-J耦合L-S耦合,原子序数大于82时，各电子轨道磁矩与自旋磁矩作用较强。各个电子的轨道磁矩和自旋磁矩耦合成电子的总磁矩后，再由各个电子的总磁矩耦合成原子的总磁矩。,原子序数小于32时，由于电子轨道磁矩与自旋磁矩作用较弱，而电子的轨道磁矩间，自旋磁矩间强相互作用。因此原子内各电子的轨道磁矩先组合成原子总的轨道磁矩，各电子的自旋磁矩先组合成原子的总的自旋磁矩，然后两者再耦合成原子的总磁矩。,原子序数介于两者之间时，两种耦合均存在；随着原子序数增加，由L-S耦合向J-J耦合转化。,3.原子总磁矩,原子总磁矩在外磁场方向的分量：,mJ：原子的磁量子数（总磁量子数），可取值0，1，2，J,原子磁矩：,L为原子总轨道角量子数；S为原子总自旋量子数。,gJ：朗德（Lande）因子，其值一般在12之间。J：原子总角量子数；,当mJ取最大值J时，得到原子磁矩在磁场方向的最大分量：它和物质的磁性密切相关。,（1）在泡利（Pauli）原理许可的条件