材料物理基础-材料的磁学

1、叶松材料物理基金会磁性是物质的基本属性，它有着广泛的应用，例如1)电气化：发电机中的磁钢，用于发电和电动机；2)信息化：磁记录器和磁存储器；3)高能加速器和粒子探测器；4)需要使用强磁场；4)关于原子核和基本粒子的微物理学研究：用于产生磁场的装置；5)生物和医学：生物体是弱磁体。 不同组织和器官的弱磁性不同7)天文学研究和新的空间技术：目前，天文学研究中存在最强的磁场(脉冲星中子星的磁场高达108-109 T)和最低的磁场(星系际磁场低至10-13 T)。 材料的磁性，4.1材料的磁性，4.2材料的抗磁性和顺磁性理论，4.3材料的铁磁性理论，4.4材料的磁性能指标，4材料的磁性，引言，早在春秋

2、时期的管子年和战国时期的吕氏春秋年，就有关于“慈氏”和“慈氏称铁”的记载。公元前4世纪，中国的编年史中有关于天然磁铁矿(Fe3O4)的记载。公元前三世纪，中国用磁铁制造出了世界上最早的南针。关于磁性的外国记录始于公元前6世纪希腊人泰勒斯的作品。丹麦物理学家奥斯特于1820年发现了电流的磁效应，开始了对磁现象的深入理解。一根无限长的直导线和一安培(A)的直流电，在距离导线轴线r米(m)处产生的磁场强度h是：在国际单位制中，h的单位是安培/米(A/m)，而法国物理学家安培提出了“分子电流”是物质的磁起源的假设。1831年，英国物理学家法拉第发现电磁感应定律对磁和电之间的内在关系有了更深刻的理解，对

3、磁体本身内在规律的研究始于19世纪末。法国物理学家居里发现了铁磁性的临界温度指出了抗磁性和顺磁性的存在居里抗磁性定律和居里顺磁性定律。朗之万将经典统计理论应用于具有固定原子磁距居里定律的系统，并给出了顺磁性的现象学解释。在朗之万理论的基础上，维斯发展成为研究物质铁磁性的两个分支：分子场假说和磁畴假说。原子有一定磁距的假设在经典物理学中是不可接受的。因为范莱文已经证明，在基于经典力学的统计物理中，不可能得出平均磁距离的结论。原子有磁距离的结论是建立在量子力学的基础上的。原子物理学的量子理论证明，过渡元素的原子有一定大小的固定磁距离(既来自电子的轨道运动，也来自电子的自旋)。)，认为物质的磁性只来

4、自磁矩的观点统称为磁矩学说，或磁偶极矩学说。他的一个明确结论是没有磁单极子。1931年，狄拉克从理论上证明了磁单极存在的可能性。但到目前为止，还没有实验发现磁单极子。磁性现象是带电粒子的量子效应，磁性是所有物质的基本属性之一。磁性是磁性材料的一个重要物理参数。根据现代科学的观点，无论处于何种状态(气体、液体和固体)，无论处于何种温度和压力下，所有物质(从微小的微观粒子到宏观物质，甚至宇宙天体)都表现出某种磁性状态。磁性材料的研究和制备始于20世纪初。在过去的100年里取得了重大进展。硅钢(硅铁合金)于1905年研制成功，坡莫合金(铁镍合金)于1920年研制成功，铝镍钴永磁合金于1935年研制成

5、功，尖晶石型软磁铁氧体于1952年研制成功，磁铅石型永磁铁氧体于1953年研制成功，磁矩铁氧体(用于计算机)于1956年研制成功，石榴石型稀土铁氧体于1966年研制成功，钐钴5永磁合金于1977年研制成功，钐钴17永磁合金于1983年研制成功，钕铁14B于1983年研制成功，基本磁参数，磁矩和磁偶极矩，(1)回路电流的磁矩电流为1安培回路电流，其封闭面积为S(m2)，则：微米=IS，微米方向符合右手定则，单位为Am2。(2)磁偶极矩小磁体的磁强度可以用极小的回路电流来表示，它被定义为磁偶极矩。假设磁偶极子两端的磁荷强度为P(Wb)，磁极之间的距离为l(cm)，磁偶极矩为： jm=Pl，单位为W

6、bm，JM=0 m，0为真空磁导率， 0=4 10-7亨利/米(h/m)，磁化和磁极化，以及单位体积物质的磁矩矢量之和。磁场是导体中的电流或其周围永磁体的作用，稳恒电流产生的磁场和永磁体周围的磁场是DC磁场，交流电产生的磁场是交流磁场。磁场强度h是描述磁极周围空间或电流周围空间中任何点的磁场作用的物理量，其单位是(a/m)，载流直导线外任何点的磁场强度h和长载流螺线管中心线上任何点p的磁场强度h，其中n是每单位长度线圈的匝数。无限螺线管中心的磁场强度：磁感应强度，磁感应强度b指物质中每单位面积通过的磁力线的数量，是描述磁极周围任何一点的磁场力或磁极周围的磁场效应的物理量。b的单位是特斯拉(t)

7、或韦伯/平方米(WB/m2)，磁化率和磁导率，磁化率指单位磁体中单位磁场强度h感应的磁化强度的物理量m。它是一个物理量，表示物质磁化能力的大小和性质。其中是体积磁化率，无量纲单位。大使物质易于磁化，而小使物质难以磁化。正负活性材料的磁性分类。磁导率是指物质中单位磁场强度H所感应的磁感应强度B的物理量。定义相对渗透率：无量纲单位。绝对磁导率：磁导率是材料的固有参数，表示在单位磁场强度的外部磁场作用下材料内部的磁通量密度。材料磁性的微观机制。通常，线性像原子一样小的小磁体被称为磁偶极子，它可以等效于电路中流动的电荷。例如，电子围绕原子核的运动、电子的自旋和旋转的带正电的原子核都是磁偶极子。jm=0

8、m，磁偶极矩与磁距的关系，电子围绕原子核的轨道运动产生一个非常小的磁场，沿着旋转轴形成一个轨道磁矩，每个电子沿着自旋轴形成一个自旋磁距，这比轨道磁矩大得多。物质由原子组成。在原子系统中，原子核和电子分别是带正电荷和负电荷的带电粒子，它们的运动会产生磁距离。然而，原子核的磁距离非常小，只有电子磁距离的1/1836.5，可以忽略不计。因此，原子的磁矩主要是由电子的运动产生的。根据量子力学理论，轨道电子的运动状态应该用波函数来表示，其中n、l、m和s是表征该状态的四个量子数。空间量子数、自旋量子数和空间量子数的物理意义：1)n=1，2，3，它被称为主量子数，决定了电子的能量。对于氢原子，电子能量是2

9、)l=0，1，2，n-1，这叫做轨道角动量量子数(轨道量子数)，它决定了轨道角动量的绝对值：3)m=0，1，2，l，这叫做磁量子数。它决定了电子轨道角动量Pl在空间任意指定方向(如外磁场方向H)的投影值。空间电子轨道角动量的方向是量子化的。玻尔磁子是磁距离或磁偶极距离的基本单位。电子的轨道磁矩是：实验表明，与自旋角动量相关的自旋磁矩在外磁场方向上的投影正好等于玻尔磁子。原子是否有磁矩取决于它的电子壳层结构。如果有一个未填充的电子壳层，并且电子的自旋磁矩没有完全抵消(相反的磁矩可以互相抵消)，那么原子就有一个永久磁矩。例如，铁原子的电子壳层分布：1s22s22p63s23p63d64s2，除3d

10、壳层外的所有层都充满了电子(它们的自旋磁矩相互抵消)。根据亨特的规则，3d壳层中的电子应该尽可能地填充不同的轨道，并且它们的自旋应该尽可能地平行。因此，除了一个轨道充满了两个自旋相反的电子之外，其他四个轨道只有一个电子，并且这四个电子的自旋方向相互平行，因此电子的总自旋磁矩为4 B.有些元素，如锌，具有原子结构，其壳层中充满了电子，它们的电子磁矩相互抵消，因此它们没有磁性。材料磁性分类，抗磁性：磁化强度m变成一个很小的负值，相对磁导率略小于1，磁化率0，很小，数量级为10-5 10-2。大多数顺磁性材料的磁化率随着温度的升高而降低。它与温度t成反比，遵循居里定律。大多数金属的铁磁性为：(1)0

11、，其值非常大。的大小为10-1 106。(2)不仅随T和H变化，而且与磁化历史有关。(3)磁变化有一个临界温度(居里温度)。当温度低于居里温度时，它是铁磁性的；当温度高于居里温度时，它是顺磁性的。反铁磁 0，10-5 10-3，有些类似顺磁性。顺磁性的主要区别是：在-T曲线上有一个最大值。对应于最大值的温度是临界温度(奈尔温度)。当温度低于纳氏温度时，它是反铁磁有序结构(晶格中相邻离子的磁距离是反平行的)；当t高于奈尔温度时，它变成顺磁性的。铁磁性其宏观磁性与铁磁性相同，但其磁化率在数量级上略低，为100 103。它的内部磁结构与反铁磁相同，但相反排列的磁距离不相等。因此，铁磁性是未补偿反铁磁

12、性结构的铁磁性。材料磁性的热力学关系，磁性材料在磁场作用下构成一个热力学系统。根据热力学第一定律和热力学第二定律的微分形式，有，而且磁化功、机械功、和磁性材料的热力学关系是，如果不考虑磁性材料的体积变化，上面的公式可以写成，也就是说，从这里，我们可以得到：上面的两个公式分别为M和t。在外部磁场的作用下，电子轨道除了它的原始运动外，还围绕着H进动，进动频率为l。称为拉莫尔进动频率。因此，电子一方面做轨道运动，另一方面绕着H进动。电子将产生额外的磁距离：这是从电子到Z轴距离的平方的平均值。当单位体积内有N个原子，每个原子有Z轨道电子时，产生的磁化强度为：这是一种反磁化效应，因为M和H方向相反。磁化

13、率为：对于封闭壳层，轨道电子的分布是球形对称的，因此，它是所有轨道电子运动半径的平均值。朗之万的反磁化率表达式，反磁性量子理论，从量子力学的观点来看，在恒定磁场的原子中，电子系统的能量算符是：其中是动能算符和磁场矢量势，而v是电子系统内部的静电势(在电子和原子核之间，在电子和电子之间)量子力学方法没有给轨道电子的抗磁性能的计算带来新的结果，但它的价值在于给出了抗磁性和顺磁性之间的密切关系和明显的物理图像。1895年，当研究O2气体时，居里夫妇发现它的磁化率符合居里定律。顺磁性材料的原子或离子具有一定的磁矩，因此它们之间没有明显的相互作用。在没有外部磁场的情况下，由于热运动的作用，原子的磁矩是随

14、机取向的。当施加外部磁场时，原子磁矩倾向于沿着磁场方向取向，因此表现出数量级为=10-510-2的正磁化率。朗之万的顺磁性理论和经典顺磁性理论是由朗之万首先提出的。该理论的基本概念如下：(1)假设顺磁性材料的原子或离子具有固定的磁距，磁距之间没有相互作用；在热扰动下，磁距离在平衡状态下会迷失方向，因此在没有外部磁场时不会显示磁性。在外磁场中，每个原子的磁距不同程度地转向外磁场的方向，所以顺磁磁化率是在外磁场的方向上产生的。假设顺磁性体含有N个原子，原子磁矩与外磁场H的夹角为，原子磁矩在外磁场作用下的磁场能量为U=-0Hcos。根据经典统计理论，可以得到系统的磁化强度。这里，圆括号中的函数称为朗

15、之万函数，用l()表示。讨论：1。弱场和高温：对于TC，这也显示了分子场理论的局限性；2)居里点的磁化强度不为零，这可以用短程有序来解释；3)在实际物质中，由居里温度以上的顺磁磁化率获得的有效原子磁矩与由铁磁自发磁化获得的有效原子磁矩不一致。有效磁矩由高温磁化率获得。Fe:3.15b (2.2b)，Co33603.15b (1.7b)，Ni33601.61b (0.6b)，海森堡证明了分子场是量子交换相互作用的结果，这是纯量子效应。可以看出，铁磁自发磁化源于电子之间的静电交换相互作用。因此，描述自发极化的分子场理论也被称为静电交换相互作用理论。得出居里温度TC与交换积分A的关系，表明铁磁材料的居里温度Tc与交换积分A成正比，居里温度的本质是铁磁材料静电交换的宏观表达式。交换效应越强，破坏这种效应所需的热能就越多。从宏观上看，它表明居里温度较高。材料铁磁性的条件如下：必要条件：材料原子中有一个未填充的电子壳，即有一个原子磁矩；充分条件：交换积分a 0。交换效应铁磁性不仅取决于电子结构，还取决于晶体结构。实践证明，不同原子之间和未填充壳层上的电子有特殊的相互作用。这种互动被称为“交换”。