第7章材料的磁學(xué)性能(Magneticpropertiesofmaterials),1,物質(zhì)磁性或磁學(xué)是一門古老(現(xiàn)象與應(yīng)用的歷史悠久)又年輕(應(yīng)用愈加廣泛，形成了與磁學(xué)有關(guān)的邊緣學(xué)科)的學(xué)科。,磁性是物質(zhì)的基本屬性，一切物質(zhì)都具有磁性；磁性不只是一個(gè)宏觀的物理量，而且與物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此，研究磁性是研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要方法之一。,Magnetism,2,2,物質(zhì)磁性的普遍性,3,磁性是物質(zhì)的基本屬性，應(yīng)用領(lǐng)域很廣,1）電氣化：發(fā)電用的發(fā)電機(jī)和動(dòng)力用的電動(dòng)機(jī)內(nèi)磁鋼2）信息化：磁記錄器和磁存儲(chǔ)器3）高能加速器和粒子檢測(cè)器：需要使用強(qiáng)磁場(chǎng)4）原子核和基本粒子的微觀物理學(xué)研究：產(chǎn)生磁場(chǎng)的裝置5）生物學(xué)和醫(yī)學(xué)：生物體為弱磁體，各組織和器官的弱磁性有所不同，疾病診斷6）地球科學(xué)研究和應(yīng)用：研究地磁場(chǎng)的起源和演化。7）天文學(xué)的研究和航天新技術(shù)：目前已知的最強(qiáng)磁場(chǎng)（脈沖星即中子星的磁場(chǎng)高達(dá)108-109T）和最低磁場(chǎng)（星系際磁場(chǎng)低到10-13T）均存在于天文學(xué)的研究中。,4,4,5,6,電磁學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，誕生與發(fā)展依賴于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與分析。,7,1,磁學(xué)和電學(xué)基本物理量的比較,8,8,磁性科學(xué)早期發(fā)展,古代春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期看到的磁石吸鐵。(公元前770年公元前221年)管子地?cái)?shù)載：“山上有慈石(即磁石)者，其下有銅金?！彼就侥希簴|漢時(shí)期思想家王充寫的論衡書中“司南之杓，投之于地，其柢指南”的記載。不要太相信古代中國(guó)人對(duì)電和磁有多少科學(xué)的理解。公元前600年，希臘的Thales也有琥珀摩擦吸引草屑的記載。電磁學(xué)真正的科學(xué)研究來(lái)自于英國(guó)WilliamGilbert(電磁學(xué)之父)對(duì)電和磁的實(shí)驗(yàn)。吉伯為磁通勢(shì)單位，用以紀(jì)念這位磁學(xué)的先驅(qū)者。論磁記錄基本磁現(xiàn)象：吸引與排斥、極性、地磁、退磁等,9,9,庫(kù)倫定律,庫(kù)倫，法國(guó)物理學(xué)家,17361806,庫(kù)倫扭秤,同種磁極相互排斥，異種磁極相互吸引。磁極之間的相互作用力與距離的平方成反比。,庫(kù)倫定律使電磁學(xué)研究由定性進(jìn)入定量階段，是電磁學(xué)史上一塊重要的里程碑。,兩個(gè)距離為r，磁極強(qiáng)度(簡(jiǎn)稱極強(qiáng))分別為qml和qm2(單位:韋伯Wb或A.m)的磁極間相互作用力在二者連線上，大小為:其中，k=6.35*l04N,兩磁鐵的同極性相斥，異極性相引。,11,無(wú)限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線：,方向是切于與導(dǎo)線垂直的且以導(dǎo)線為軸的圓周,電流的磁效應(yīng),磁場(chǎng)強(qiáng)度,H,r,奧斯特，丹麥科學(xué)家,1820年，由奧斯特等人發(fā)現(xiàn)。證明電流可以產(chǎn)生磁場(chǎng)。第一個(gè)非天然的磁場(chǎng),12,電和磁的關(guān)系,13,13,安培，法國(guó)科學(xué)家（1775-1836）,電磁相互作用,發(fā)現(xiàn)時(shí)間：1820-1827,發(fā)現(xiàn)一通電的線圈和磁鐵相似。,發(fā)現(xiàn)二相同方向的平行電流相互吸引，相反方向的平行電流相互排斥。,發(fā)現(xiàn)三磁是由運(yùn)動(dòng)的電荷產(chǎn)生的。,由此說(shuō)明了地磁的成因和物質(zhì)的磁性。,發(fā)現(xiàn)四提出了分子電流假說(shuō)。,揭示了物質(zhì)磁性的本質(zhì)。,推導(dǎo)出兩個(gè)電流元之間的作用力公式。,電和磁本質(zhì)上是統(tǒng)一的。,14,電磁感應(yīng)現(xiàn)象,自學(xué)成才,1831年，由法拉第發(fā)現(xiàn)。,俗稱磁生電，直接導(dǎo)致了發(fā)電機(jī)的發(fā)明，影響非常深遠(yuǎn)。,1834年，發(fā)現(xiàn)了電解定律，開創(chuàng)了電化學(xué)學(xué)科。,發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的抗磁性。,其它成果：,提出了電磁場(chǎng)這一概念。,15,經(jīng)典電動(dòng)力學(xué),麥克斯韋，英國(guó)物理學(xué)家,18311879,推導(dǎo)出著名的麥克斯韋方程組，首次將電和磁在理論上統(tǒng)一起來(lái)，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)立了經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)。,提出了電磁波這一概念，并確認(rèn)光也是一種電磁波，對(duì)后世影響深遠(yuǎn)。,是繼法拉第之后集電磁學(xué)大成的偉大科學(xué)家，揭示了光、電、磁現(xiàn)象在本質(zhì)的統(tǒng)一性，完成了物理學(xué)的又一次大綜合。,16,居里定律,皮埃爾居里法國(guó)物理學(xué)家,1859-1906,發(fā)明了磁秤（磁天平），實(shí)現(xiàn)了對(duì)弱磁性的測(cè)量。,根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)出著名的居里定律。,壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)；放射性物質(zhì)研究，發(fā)現(xiàn)了鐳。,抗磁體的磁化率不依賴磁場(chǎng)強(qiáng)度且一般不依賴于溫度；順磁體的磁化率不依賴磁場(chǎng)強(qiáng)度且與溫度成反比；鐵在某一溫度（居里溫度）以上失去磁性。,17,郎之萬(wàn)和外斯,郎之萬(wàn)提出了抗磁性和順磁性的經(jīng)典理論。,外斯提出了分子場(chǎng)理論，闡明了鐵磁性的起源，擴(kuò)展了郎之萬(wàn)的理論。,用基元磁體的概念對(duì)物質(zhì)的順磁性及抗磁性作了經(jīng)典的說(shuō)明。,PaulLangevin1872年-1946年,WeissPierre1865年-1940年,18,材料的磁學(xué)材料磁學(xué)性質(zhì)、來(lái)源？材料對(duì)外磁場(chǎng)的反應(yīng)？本質(zhì)原因？不同磁性材料的性能及其應(yīng)用。磁性與材料的微觀結(jié)構(gòu)的聯(lián)系通過(guò)磁性研究材料的結(jié)構(gòu)：鍵合情況、晶體結(jié)構(gòu)。,本章提要,19,19,7.1材料磁性能的表征參量和材料磁化的分類(Characterparametersofmagneticpropertiesofmaterialsandclassificationofmaterialmagnetization),20,7.1.1材料磁性能的表征參量(Characterparametersofmagneticpropertiesofmaterials),21,一、磁極、磁場(chǎng)和磁力線,溫故,磁極判斷Single,22,22,Single,1928年相對(duì)論形式的薛定諤方程，也就是著名的狄拉克方程()；預(yù)言了正電子的存在()；預(yù)言了反粒子的存在，電子正電子對(duì)的產(chǎn)生和湮沒()；提出反物質(zhì)存在的假設(shè)；1931年預(yù)言可能存在磁單極；,23,23,古老的地球的鐵礦石和來(lái)自地球之外的鐵隕石。高能加速器加速質(zhì)子沖擊原子核。宇宙射線(本身和碰撞)。1973年“阿波羅”飛船帶回的月巖。宇宙射線照射高空的感光底板產(chǎn)生又粗又黑的痕跡(強(qiáng)的吸引作用)151天的超導(dǎo)量子干涉式磁強(qiáng)計(jì)的觀察(未能重復(fù))。海洋、深海沉積物。中國(guó)、瑞士、日本等國(guó)的研究小組在鐵磁晶體的物質(zhì)中觀察反?；魻栃?yīng)，提供假設(shè)的間接證據(jù)。,如何尋找磁單極子?,上窮碧落下黃泉，兩處茫茫皆不見!,24,24,磁場(chǎng),磁極之間的作用力是在磁極周圍空間傳遞的，這里存在著磁力作用的特殊物質(zhì)，稱之為磁場(chǎng)。磁場(chǎng)是對(duì)磁極產(chǎn)生作用力的空間，采用磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁通密度B來(lái)表示。磁場(chǎng)是電磁場(chǎng)的組成部分，其特征可用場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)著的帶電粒子所受的力來(lái)確定，這種力源于粒子的運(yùn)動(dòng)及其所帶電荷。,25,磁場(chǎng)和物體的萬(wàn)有引力場(chǎng)，電荷的電場(chǎng)一樣，都具有一定的能量，磁場(chǎng)還有本身的特性：a)磁場(chǎng)對(duì)載流導(dǎo)體或運(yùn)動(dòng)電荷表現(xiàn)作用力；b）載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)要做功現(xiàn)在物理研究表明，物質(zhì)的磁性也是電流產(chǎn)生的。,25,地球是個(gè)大磁場(chǎng)。地球的磁極卻非亙古不變。自地球誕生以來(lái)，其南北磁極曾經(jīng)發(fā)生過(guò)幾次轉(zhuǎn)變，即“磁極倒轉(zhuǎn)”。,在近450萬(wàn)年里兩次“正向期”，兩次“反向期”。且在每一個(gè)磁性時(shí)期里，有時(shí)發(fā)生短暫的磁極倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。從大約6億年前的前寒武紀(jì)末期到約5.4億年前的中寒武世，反向磁性為主;從中寒武世到約3.8億年前的中泥盆世，正向磁性為主;中泥盆世到約0.7億年前的白璽紀(jì)末，正向極性為主;白璽紀(jì)末至今，則是以反向極性為主。,26,26,27,27,磁極倒轉(zhuǎn)：1967年，斯蒂納提出：與地球追隨太陽(yáng)作環(huán)繞銀河系中心的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。1979年，與恐龍滅絕同步的地磁倒轉(zhuǎn)可能與巨大隕石的墜落有關(guān)；1989年，美國(guó)繆拉發(fā)表氣候變化導(dǎo)致地磁極倒轉(zhuǎn)。磁極倒轉(zhuǎn)危害：1)兩極倒轉(zhuǎn)過(guò)程中一旦地球磁場(chǎng)消失太陽(yáng)強(qiáng)烈輻射的宇宙射線猛擊地球大氣層，對(duì)地球氣候和人類產(chǎn)生致命的影響。一些低軌道人造衛(wèi)星也將完全暴露在太陽(yáng)電磁風(fēng)暴的吹打中，不久將被完全摧毀。2)許多靠地球磁場(chǎng)導(dǎo)航的生物，諸如燕子、羚羊、鯨魚、鴿子和趨磁性細(xì)菌等，將迷失方向。3）甚至懷疑：地球磁極倒轉(zhuǎn)曾是古人類文明覆滅的原因地磁場(chǎng)強(qiáng)度在急劇減弱，這是地球南北兩極不久將要出現(xiàn)磁極大倒轉(zhuǎn)的危險(xiǎn)信號(hào)!,28,28,澳大利亞南部的亞塔斯馬尼亞島總要發(fā)生鯨魚擱淺事件！,29,29,圖示電磁場(chǎng)的工具，用以表征H的方其上某點(diǎn)的切線方向表示該點(diǎn)H的方磁力線的疏密表示H的相對(duì)大小。,磁力線,在有限空間里，磁力線總是閉合的，不能夠看到起點(diǎn)和終點(diǎn)！,30,30,二、磁通量、磁感應(yīng)強(qiáng)度（magneticinduction）,磁通量:垂直于某一面積所通過(guò)的磁力線的多少。單位韋伯，Wb。=B*S,磁通密度B：B=/S，等于穿過(guò)單位面積的磁通量。單位特斯拉T，Wb.m-2。B=F/IL，,磁介質(zhì)（除超導(dǎo)體以外不存在磁絕緣的概念，故一切物質(zhì)均為磁介質(zhì)）在磁場(chǎng)中發(fā)生的磁化對(duì)源磁場(chǎng)也有影響（場(chǎng)的迭加原理）。,31,31,磁感應(yīng)強(qiáng)度（magneticinduction）與磁場(chǎng)強(qiáng)度（magneticintensity）,1、磁場(chǎng)強(qiáng)度（H）和磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）均為表征磁場(chǎng)性質(zhì)（即磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向）的兩個(gè)物理量，兩種表示方法。,2、若包括介質(zhì)因磁化而產(chǎn)生的磁場(chǎng)在內(nèi)時(shí)，用磁感應(yīng)強(qiáng)度B表示，其單位為特斯拉T，是一個(gè)基本物理量；單獨(dú)由電流或者運(yùn)動(dòng)電荷所引起的磁場(chǎng)（不包括介質(zhì)磁化而產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí)）則用磁場(chǎng)強(qiáng)度H表示，其單位為A.m-1，是一個(gè)輔助物理量。,32,32,磁感應(yīng)強(qiáng)度B描述的是傳導(dǎo)電流的磁場(chǎng)和磁介質(zhì)中磁化電流的磁場(chǎng)的綜合場(chǎng)的特性。,如果磁場(chǎng)在真空中形成的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0，則磁場(chǎng)的強(qiáng)度H可由下式確定：B0=0H0：真空磁導(dǎo)率（真空透磁率）0=410-7亨利米(H/m)H描述磁場(chǎng)的一個(gè)重要的物理量，無(wú)論在真空或在磁介質(zhì)中，H只表征傳導(dǎo)電流的磁場(chǎng)特征，與磁介質(zhì)無(wú)關(guān)。,33,33,將材料放入磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的自由空間，則材料中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=H,其中稱為材料的磁導(dǎo)率或絕對(duì)磁導(dǎo)率。,所以B=B0+B=0H+0M=0(H+M)其中M稱為材料的磁化強(qiáng)度，其物理意義為材料在外磁場(chǎng)中被磁化的程度。,材料內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度可看成材料對(duì)自由空間的反應(yīng)0H和磁化引起的附加磁場(chǎng)0M兩部分場(chǎng)疊加而成。,34,電介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度E為真空中的電場(chǎng)強(qiáng)度E0和由于電極化而產(chǎn)生的附加電場(chǎng)強(qiáng)度E之和,磁場(chǎng)強(qiáng)度H(magneticintensity)：(靜磁學(xué)定義)為單位點(diǎn)磁荷在該處所受的磁場(chǎng)力的大小，方向與正磁荷在該處所受磁場(chǎng)力方向一致。,35,實(shí)際應(yīng)用中，往往用電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，并規(guī)定H的單位在SI制中：用1A的電流通過(guò)直導(dǎo)線，在距離導(dǎo)線r=1/2米處，磁場(chǎng)強(qiáng)度即為1A/m。,35,預(yù)備知識(shí)：SI(MKSA)單位制和Gauss(CGS)單位制,SI單位制：主要磁學(xué)量都用電流的磁效應(yīng)來(lái)定義，其中磁感應(yīng)強(qiáng)度B為主導(dǎo)量（凡涉及到與其他物理量的相互作用，都必須使用B）,磁感應(yīng)強(qiáng)度B的定義可由安培公式得出：,根據(jù)安培環(huán)路定理可定義磁場(chǎng)強(qiáng)度H：,H為導(dǎo)出量，僅用于計(jì)算傳導(dǎo)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，不能代表磁場(chǎng)強(qiáng)度與外界發(fā)生作用,36,Guass單位制（絕對(duì)電磁單位制）：早年使用的單位制，所有的磁學(xué)量都是通過(guò)磁偶極子的概念建立起來(lái)的,其中磁化強(qiáng)度M被定義為：,單位：Guass,磁場(chǎng)強(qiáng)度H被定義為：,單位：Oe,引入磁感應(yīng)強(qiáng)度B，使之滿足如下關(guān)系：,在Guass單位制中，M和H都有明確的物理意義，是基本物理量，而B只是一個(gè)導(dǎo)出量,37,兩種單位制的比較,1、兩種單位制對(duì)磁學(xué)量的定義來(lái)源于兩種不同的觀點(diǎn)；2、在SI單位制中（依據(jù)于分子電流觀點(diǎn)），磁場(chǎng)用磁感應(yīng)強(qiáng)度B來(lái)描述，而磁場(chǎng)強(qiáng)度H只是一個(gè)導(dǎo)出量，它存在的惟一含義就是滿足3、在Guass單位制中（依據(jù)于磁偶極子觀點(diǎn)），磁場(chǎng)用磁場(chǎng)強(qiáng)度H描述，它是電流和磁性體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度的矢量和，而磁感應(yīng)強(qiáng)度B只是一個(gè)引入的輔助量，僅在于滿足方程divB=0。,38,從物理的角度來(lái)看到底哪一種觀點(diǎn)更加合理、更加接近于物質(zhì)磁性起源的真實(shí)情況呢？,從目前來(lái)看，視乎分子電流的觀點(diǎn)更接近于真實(shí)情況,a、電子的軌道磁矩來(lái)自電子的軌道電流，支持分子電流的觀點(diǎn)；b、狄拉克(Dirac)雖然從理論上預(yù)言了“磁單極”的存在，但至今沒有發(fā)現(xiàn)“磁單極”，使磁偶極子的概念失去了存在的基礎(chǔ)。,39,SI單位制和Gauss單位制的轉(zhuǎn)換,（1）、B：1G=10-4TH：103A/m的H有4Oe的值，103/4A/m=79.577A/m=1Oe（2）、磁矩：在Gauss單位制中0=1G/Oe，則磁偶極矩與磁矩?zé)o差別，通稱為磁矩，單位為電磁單位（e.m.u）1e.m.u(磁偶極矩)410-10Wbm1e.m.u(磁矩)10-3Am2,40,（3）、磁化強(qiáng)度：Gauss單位制中，磁極化強(qiáng)度（J）與磁化強(qiáng)度（M）相同，單位：G,41,42,42,物質(zhì)在磁場(chǎng)中由于受到磁場(chǎng)的作用而表現(xiàn)出一定的磁性，該過(guò)程稱為磁化。能夠被磁化的或能被磁性物質(zhì)吸引的物質(zhì)叫做磁性物質(zhì)或磁介質(zhì),三磁化、磁化強(qiáng)度與磁矩,43,43,安培的分子電子說(shuō),將磁性歸為分子電流產(chǎn)生安培分子電流的假說(shuō)，揭示了磁鐵磁性的起源，它使我們認(rèn)識(shí)到：磁鐵的磁場(chǎng)和電流的磁場(chǎng)一樣，都是由電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的,44,磁矩,分子電流觀點(diǎn)可用環(huán)形電流描述磁矩P的定義：P=IS（I：為環(huán)形電流，S：封閉環(huán)形的面積）磁化強(qiáng)度M:單位體積中的偶極矩或磁偶矩，表征材料被極化或磁化的能力。M=Pm/V,45,45,偶極子：構(gòu)成質(zhì)點(diǎn)的正負(fù)電荷沿電場(chǎng)方向在有限范圍內(nèi)短程移動(dòng)，形成一個(gè)偶極子電偶極矩：=ql,-q,+q,l,E,偶極子,46,磁荷觀點(diǎn),46,與電荷類似，將磁荷定義成磁的基本單位。兩磁極若分別有q1和q2磁荷的磁極強(qiáng)度，則其作用力,其中r為磁極間距，k為比例常數(shù)。磁極q在外磁場(chǎng)中要受到力的作用，且有該力F=qH其中H為外磁場(chǎng)的強(qiáng)度。,47,將相互接近的一對(duì)磁極q和q稱為磁偶極子真空中，單位外磁場(chǎng)作用在相距d的磁偶極子上的最大的力矩Pmqd稱為該磁偶極子的磁偶極矩（磁動(dòng)量）。磁偶極矩與真空磁導(dǎo)率0的比值稱為磁矩，用m表示，即m=Pm/0,48,當(dāng)磁偶極子與外磁場(chǎng)方向成一定角度時(shí)它將受到磁場(chǎng)力的作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩力圖使磁偶極矩Pm處于能量最低方向。,磁偶極矩與外磁場(chǎng)的作用的勢(shì)能稱為靜磁能UPmHPmHcos其中是Pm與H的夾角。,外磁場(chǎng)作用下磁場(chǎng)力的作用轉(zhuǎn)矩有使磁偶極矩處于能量最低狀態(tài)的趨勢(shì)。,49,磁極化強(qiáng)度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)的磁偶極矩矢量和環(huán)電流和磁偶極子等效，一個(gè)磁矩為Pm的電流環(huán)可以看成一個(gè)磁偶極矩為的磁偶極子,50,51,磁極化強(qiáng)度：,磁化強(qiáng)度：,51,磁矩的意義,表征磁偶極子磁性強(qiáng)弱和方向的一個(gè)物理量。磁矩是表征磁性物體磁性大小的物理量。磁矩愈大,磁性愈強(qiáng),即物體在磁場(chǎng)中所受的力也大。磁矩只與物體本身有關(guān),與外磁場(chǎng)無(wú)關(guān)。和磁極化強(qiáng)度具有相同的物理意義，但J和M各有自己的單位和數(shù)值，有如下關(guān)系,52,52,分子環(huán)流和等效磁荷學(xué)說(shuō)！,53,53,磁化率,磁體置于外磁場(chǎng)中磁化強(qiáng)度M將發(fā)生變化（磁化）,54,其中稱為磁體的磁化率(susceptibility)，是單位磁場(chǎng)強(qiáng)度H在磁體內(nèi)感生的M，表征磁體磁化難易程度的物理量,所有物質(zhì)，相對(duì)于磁場(chǎng)都會(huì)產(chǎn)生磁化現(xiàn)象，只是其磁化強(qiáng)度M的大小不同而己。,54,當(dāng)一個(gè)物體在外加磁場(chǎng)中H被磁化時(shí)，物體所在空間的總磁感應(yīng)強(qiáng)度B（真空中B0）是外加磁場(chǎng)強(qiáng)度H和材料磁化強(qiáng)度M之和，即B=B0+B=u0H+u0H=u0H+u0M=u0(H+M)=u0(H+xH)=u0(1+x)H=u0urH=uH,55,令：磁導(dǎo)率(permeability)r=1（相對(duì)磁導(dǎo)率，表征磁體磁性、導(dǎo)磁性及磁化難易程度）,55,絕對(duì)磁導(dǎo)率、相對(duì)磁導(dǎo)率r、和磁化率都是描述材料在外磁場(chǎng)下磁化能力的物理量，他們之間有固定的關(guān)系，知道其中的一個(gè)即可求出另外的兩個(gè)。,56,磁化率：表征物質(zhì)本身的磁化特性，量綱為1，其值可正、可負(fù)。,磁導(dǎo)率：反映了磁感應(yīng)強(qiáng)度與外磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，即當(dāng)外磁場(chǎng)增加時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度增加的速率。,磁化率：理論研究中常用的參數(shù)。磁導(dǎo)率：工程技術(shù)上喜歡采用的參數(shù)。,7.1.2材料磁化的分類(classificationofmaterialmagnetization),58,根據(jù)物質(zhì)的磁化率，可以把物質(zhì)的磁性大致分為五類。按各類磁體磁化強(qiáng)度M與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的關(guān)系，可做出其磁化曲線。,59,分類依據(jù)：磁化率的大小和符號(hào),59,一、抗磁體（1）當(dāng)受到外磁場(chǎng)H作用后，感生出與H方向相反的磁化強(qiáng)度，故其d0（2）數(shù)值很小，一般為10-610-3（3）磁化率與溫度的關(guān)系遵從居里-外斯定律代表性物質(zhì)：稀土金屬，第一、二主族的金屬以及O2等,T,Tp,p10-610-3,H,順磁性郎之萬(wàn)理論,62,三、反鐵磁體N在某一溫度TN處存在最大值，當(dāng)溫度TTN時(shí)，磁化率與普通的順磁性物質(zhì)相似，服從居里外斯定律，但通常居里溫度都是小于零的；當(dāng)溫度T0，且為101106（3）也存在一個(gè)臨界溫度TC（4）MH呈非線性關(guān)系代表性物質(zhì)：11種金屬元素和眾多的化合物和合金,64,五、亞鐵磁體內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)卻與反鐵磁性相同，但相反排列的磁矩大小不等量。故亞鐵磁性具有宏觀磁性（未抵消的反鐵磁性結(jié)構(gòu)的鐵磁性）。0，大小為1103代表性物質(zhì)：各種鐵氧體,65,1.抗磁體,2.順磁體,66,66,磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率,67,67,課堂練習(xí),68,68,7.2孤立原子的磁矩(Magneticmomentofisolatedatoms),69,磁性起源的現(xiàn)代觀點(diǎn)(實(shí)驗(yàn)論證),物質(zhì)的磁性來(lái)源于組成物質(zhì)中原子的磁性。所有物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的，而原子由原子核及核外電子構(gòu)成。帶有負(fù)電荷的電子在原子核周圍作軌道運(yùn)動(dòng)和自旋運(yùn)動(dòng)。無(wú)論軌道運(yùn)動(dòng)還是自旋運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生磁矩。原子核，由于帶電，其運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生磁矩，只是其磁矩很小，例如，氫核質(zhì)子產(chǎn)生的磁矩僅為電子產(chǎn)生最小磁矩的1658左右。,磁及磁現(xiàn)象的根源是電荷的運(yùn)動(dòng)。電子運(yùn)動(dòng)不能完全抵消的原子的原子具有磁矩。原子磁矩包括電子軌道磁矩、電子自旋磁矩和原子核磁矩。電子軌道磁矩和電子自旋磁矩構(gòu)成了原子的固有磁矩，也稱本征磁矩。,磁性起源,71,7.2.1電子和原子核的磁矩(magneticmomentsofelectronsandatomicnucleus),72,核外電子結(jié)構(gòu)用哪幾個(gè)量子數(shù)表征？,73,原子內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)服從量子力學(xué)規(guī)律，由電子軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)量矩應(yīng)由角動(dòng)量來(lái)代替，角動(dòng)量是量子化的。當(dāng)電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主量子數(shù)為n時(shí)，角動(dòng)量由角量子數(shù)l來(lái)確定，角動(dòng)量Pl的絕對(duì)值為：,74,1.電子軌道磁矩,74,將電子繞核的運(yùn)動(dòng)考慮成環(huán)形電流，設(shè)軌道半徑為r，電子電量為e，質(zhì)量為m，運(yùn)動(dòng)角速度為，軌道角動(dòng)量為Pl，則軌道電流強(qiáng)度,電子軌道磁矩,其中S為環(huán)形電流的面積。,75,電子的軌道角動(dòng)量,所以電子軌道磁矩,是量子化的。其中,為一常數(shù)，是電子磁矩的最小單位，稱為玻爾磁子,76,電子軌道磁矩的方向垂直于電子運(yùn)動(dòng)環(huán)形軌跡的平面，并符合右手螺旋定則，它在外磁場(chǎng)方向的投影，即電子軌道磁矩在外磁場(chǎng)z方向的分量,也是量子化的，其中ml=0,1,2,l，為電子軌道運(yùn)動(dòng)的磁量子數(shù)。,由于電子的軌道磁矩受不斷變化方向的晶格場(chǎng)的作用，不能形成聯(lián)合磁矩。,77,電子自旋角動(dòng)量Ls和自旋磁矩ms取決于自旋量子數(shù)s，s=1/2，,在外磁場(chǎng)z方向的分量取決于自旋磁量子數(shù)mss=1/2，即,其符號(hào)取決于電子自旋方向，一般取與外磁場(chǎng)方向z一致的方向?yàn)檎?。?shí)驗(yàn)上也測(cè)定出電子自旋磁矩在外磁場(chǎng)方向的分量恰為一個(gè)玻爾磁子,78,2.電子自旋磁矩（spinmagneticmoment）,79,1、在填滿電子的電子殼層中，合成的總軌道角動(dòng)量等于零。電子自旋角動(dòng)量也互相抵消。2、對(duì)殼層皆填滿的原子，其電子的本征磁矩為0。Why?3、在計(jì)算原子總的磁矩時(shí)，只需考慮未填滿的次殼層。4、一般不考慮原子核磁矩。,小結(jié)：,80,80,以上關(guān)于物質(zhì)磁性惟一來(lái)源于磁矩的觀點(diǎn)，統(tǒng)稱為磁矩學(xué)說(shuō)，或稱為磁偶極矩學(xué)說(shuō)。他的一個(gè)很明確的結(jié)論是不存在磁單極。1931年狄拉克從理論上論證了磁單極子存在的可能性。但至今還未曾從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)磁單極子。,3.原子核磁矩,原子核中的質(zhì)子也帶電，其自旋也會(huì)產(chǎn)生磁矩。,質(zhì)子質(zhì)量是電子質(zhì)量的103倍以上，運(yùn)動(dòng)速度比電子小三個(gè)數(shù)量級(jí)，其磁矩N一般比玻爾磁子B三個(gè)數(shù)量級(jí)?？紤]原子磁矩時(shí)可將其忽略。,但利用核能級(jí)（磁矩）的量子化可以分析材料的結(jié)構(gòu)（鍵結(jié)構(gòu)、磁矩結(jié)構(gòu)等）。,物理基礎(chǔ)原子核與周圍電子云的超微細(xì)相互作用。,82,穆斯堡爾效應(yīng)（Mossbauereffect,原子核對(duì)射線的共振吸收）：處于不同環(huán)境的原子吸收的射線光子數(shù)目不同。核磁共振(Nuclearmagneticresonance,NMR)：處于不同環(huán)境的原子與外界交變磁場(chǎng)產(chǎn)生共振的頻率不同。,分析穆斯堡爾譜或核磁共振譜可了解磁體中順磁相、鐵磁相的量及各類原子周圍的化學(xué)環(huán)境（鍵結(jié)構(gòu)）。,超微細(xì)相互作用：原子核與其周圍的電子云相互作用，使原子核的能級(jí)發(fā)生極其微小的移動(dòng)或分裂的現(xiàn)象。,83,7.2.2原子的磁矩(Magneticmomentofatoms),84,如果要確定一個(gè)原子的磁矩，并考慮核外電子多于一個(gè)電子的情況，則首先要了解原子中電子的分布規(guī)律以及原子中電子的角動(dòng)量是如何耦合的。在多電子原子中，決定電子所處的狀態(tài)的準(zhǔn)則有兩條：一是泡利不相容原理，即是說(shuō)在已知體系中，同一量子態(tài)上不能有多于一個(gè)電子；二是能量最小原理，即體系能量最低時(shí)，體系最穩(wěn)定。,85,85,總的來(lái)說(shuō)，組成宏觀物質(zhì)的原子有兩類：一類原子中的電子數(shù)為偶數(shù)，即電子成對(duì)地存在于原子中。這些成對(duì)電子的自旋磁矩和軌道磁矩方向相反而互相抵消，使原子中的電子總磁矩為零，整個(gè)原子就好像沒有磁矩一樣，習(xí)慣上稱他們?yōu)榉谴旁?。偶?shù)電子的原子并不都是非磁性原子，例如：1）堿土金屬2）一些過(guò)渡元素,86,磁性原子,另一類原子中的電子數(shù)為奇數(shù)，或者雖為偶數(shù)但其磁矩由于一些特殊原因而沒有完全抵消使原子中電子的總磁矩（有時(shí)叫凈磁矩，剩余磁矩）不為零，帶有電子剩余磁矩的原子稱作磁性原子但原子本身的磁性無(wú)法完全決定凝聚態(tài)物質(zhì)的磁性，原子間相互作用,87,不考慮原子核的貢獻(xiàn)，原子的總角動(dòng)量和總磁矩由其中電子的軌道與自旋角動(dòng)量耦合而成。,總軌道角動(dòng)量由總軌道量子數(shù)L決定：,其中L=mli是各電子的軌道磁量子數(shù)的總和?？傑壍来啪?Russell-Saunders耦合，各電子的軌道角動(dòng)量與自旋角動(dòng)量先分別合成總軌道角動(dòng)量PL和總自旋角動(dòng)量PS，然后二者再合成出總角動(dòng)量PJ。,88,總自旋角動(dòng)量由自旋量子數(shù)S決定：,其中S=msi是各電子的自旋磁量子數(shù)的總和?？傋孕啪?總軌道磁矩在外磁場(chǎng)z方向的分量為L(zhǎng)z=mLB,其中mL=L,(L-1),(L-2),0，對(duì)應(yīng)于2L+1個(gè)取向。,89,總自旋磁矩在外磁場(chǎng)z方向的分量為Sz=2mSB,其中mS=S,(S-1),(S-2),0，對(duì)應(yīng)于2S+1個(gè)取向。,原子總角動(dòng)量由總角量子數(shù)J決定：,其中J由L和S合成，依賴于PL和PS的相對(duì)取向,原子的總磁矩,90,其中,稱為朗德劈裂因子，其數(shù)值反映出電子軌道運(yùn)動(dòng)和自旋運(yùn)動(dòng)對(duì)原子總磁矩的貢獻(xiàn)。當(dāng)S=0而L0時(shí)，gJ=1；當(dāng)S0而L=0時(shí)，gJ=2；當(dāng)S0且L0時(shí)，孤立原子或離子的gJ可大于或小于2。,原子總自旋磁矩在外磁場(chǎng)z方向的分量為Jz=gJmJB,其中mJ=J,(J-1),(J-2),0，共2J+1個(gè)可能值。,91,小結(jié),以上孤立原子磁矩的表達(dá)式都適用于孤立離子。,當(dāng)原子的J=0時(shí)，原子的總磁矩J=0當(dāng)原子中的電子殼層均被填滿時(shí)即屬此情況。當(dāng)原子的電子殼層未被填滿時(shí)，其J0，原子的總磁矩J0，其原子總磁矩稱為原子的固有磁矩或本征磁矩。,原子的固有磁矩與其中的電子排布有關(guān)。,占據(jù)同一軌道的兩電子的自旋磁矩方向相反，互相抵消,92,原子的電子殼層是滿填的，自旋磁矩完全相互抵消，原子磁矩由軌道磁矩決定。原子的電子殼層未滿填洪特規(guī)則自旋磁矩未完全抵消，磁矩主要由自旋磁矩決定。,洪特(Hund)規(guī)則描述含有未滿殼層的原子或離子基態(tài)的電子組態(tài)及其總角動(dòng)量。第一，未滿殼層中各電子的自旋取向(mS)使總自旋量子數(shù)S最大時(shí)能量最低；第二，在滿足第一規(guī)則的條件下，以總軌道角量子數(shù)L最大的電子組態(tài)能量最低；第三，當(dāng)未滿殼層中的電子數(shù)少于狀態(tài)數(shù)的一半時(shí)，J=的能量最低。,93,例：孤立鐵原子的電子層分布為1s22s22p63s23p63d64s2其d電子的軌道占據(jù)情況為：,使總電子自旋磁矩為4B。,未滿殼層中的電子數(shù)少于狀態(tài)數(shù)的一半時(shí)占據(jù)盡可能多的軌道，且其中電子自旋方向平行。,94,7.3抗磁性和順磁性(Diamagnetismandparamagnetism),95,材料中原子的電子態(tài)與孤立原子不同，使其磁性與孤立原子不同鍵合使外層電子排布發(fā)生了變化。,共價(jià)結(jié)合常使價(jià)電子配對(duì)甚至雜化成總磁矩為零的電子結(jié)構(gòu)氫分子。在離子化合物中可使有磁矩的原子變成無(wú)磁矩的離子。金屬中磁性取決于正離子實(shí)和自由電子的磁性。例：過(guò)渡金屬中，d軌道展寬成能帶，與s能帶交疊，使s帶和d帶中的電子數(shù)與孤立原子不同。孤立鈀原子的外層電子組態(tài)為3d104s0，沒有磁矩，但在金屬鈀中外層電子組態(tài)則變成3d9.44s0.6，出現(xiàn)磁矩。,96,7.3.1抗磁性(Diamagnetism),97,理論研究表明，抗磁性來(lái)源于電子軌道運(yùn)動(dòng)在外磁場(chǎng)作用下的改變。,外磁場(chǎng)使材料中電子軌道運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化，感應(yīng)出很小的磁矩，其方向與外磁場(chǎng)方向相反。,所有物質(zhì)均有抗磁性磁化率，但其磁化率很小，在材料具有原子、離子或分子磁矩時(shí)，其他磁化率掩蓋了抗磁化率只有材料中沒有固有磁矩或固有磁矩很小時(shí)抗磁性才能表現(xiàn)出來(lái)電子殼層滿填的物質(zhì)才能成為抗磁體。,98,沒有外磁場(chǎng)時(shí)，分子或原子中各個(gè)電子的軌道磁矩和自旋磁矩完全抵消，其矢量和為0，即每個(gè)分子或原子的固有磁矩均為零。故整塊抗磁質(zhì)不顯現(xiàn)磁性。,在外磁場(chǎng)下當(dāng)電子順時(shí)針作軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的洛侖茲力（左手定則）向外而削弱向心力，使原逆時(shí)針?lè)较虻碾娏鳒p弱。相當(dāng)于施加了反方向的電流，根據(jù)右手定則產(chǎn)生的附加磁矩m與外加磁場(chǎng)H方向相反。,99,99,每個(gè)原子內(nèi)有z個(gè)電子，每個(gè)電子有自己的運(yùn)動(dòng)軌道，在外磁場(chǎng)作用下，電子軌道繞H進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)頻率為，稱為L(zhǎng)amor進(jìn)動(dòng)頻率。由于軌道面繞磁場(chǎng)進(jìn)動(dòng)，使電子運(yùn)動(dòng)速度有一個(gè)變化v，電子軌道磁矩增加，但方向與磁場(chǎng)相反，使總的電子軌道磁矩減小?？傊?，由于磁場(chǎng)作用引起電子軌道磁矩減小，表現(xiàn)出抗磁性。,100,101,101,無(wú)論電子順時(shí)針運(yùn)動(dòng)還是逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，所產(chǎn)生的附加磁矩m都與外加磁場(chǎng)的方向相反，故稱為抗磁矩。,一個(gè)電子在外加磁場(chǎng)H的作用下，產(chǎn)生的的抗磁矩為,式中，負(fù)號(hào)表示ml與H的方向相反;分母me為電子質(zhì)量,一個(gè)原子常有z個(gè)電子，每個(gè)電子都要產(chǎn)生抗磁矩，由于電子的軌道半徑不同，故一個(gè)原子的抗磁矩為,任何材料在磁場(chǎng)作用下都要產(chǎn)生抗磁性，與溫度、外磁場(chǎng)無(wú)關(guān)。從廣義上來(lái)說(shuō)，超導(dǎo)也是一種抗磁性。,102,外加磁場(chǎng)所感生的軌道矩改變,抗磁性,抗磁性是普遍存在的，它是所有物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下毫不例外地具有的一種屬性，大多數(shù)物質(zhì)的抗磁性因?yàn)楸惠^強(qiáng)的順磁性所掩蓋而不能表現(xiàn)出來(lái)。,103,物質(zhì)的抗磁性不是由于電子的軌道磁矩和自旋磁矩產(chǎn)生的，而是由外磁場(chǎng)作用下電子循軌運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的附加磁矩造成的，此磁矩與外磁場(chǎng)成正比，也是可逆的。任何物質(zhì)的電子都有循軌運(yùn)動(dòng)，因此任何物質(zhì)都有抗磁性抗磁性和抗磁體是有區(qū)別的。有抗磁性但不一定是抗磁體,抗磁性物質(zhì),104,104,7.3.2順磁性(Paramagnetism),105,順磁質(zhì)在外磁場(chǎng)中的磁化，主要是由分子磁矩的取向作用所產(chǎn)生的，而抗磁效應(yīng)是無(wú)足輕重的。無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)，分子中各個(gè)電子的軌道磁矩與自旋磁矩未能相互抵消，每個(gè)分子有固有磁矩Pm且不等于0。即順磁質(zhì)中，每個(gè)分子均顯示出磁性。但整個(gè)物質(zhì)由于熱運(yùn)動(dòng)的影響，對(duì)外并不表現(xiàn)為磁性。組成材料的原子中具有未成對(duì)電子或內(nèi)殼層未被填滿、或具有奇數(shù)個(gè)核外電子的原子或離子產(chǎn)生的磁矩不為0。,106,106,郎之萬(wàn)順磁性理論,理論的基本概念：順磁性物質(zhì)的原子間無(wú)相互作用（類似于稀薄氣體狀態(tài)），在無(wú)外場(chǎng)時(shí)各原子磁矩在平衡狀態(tài)下呈現(xiàn)出混亂分布，總磁矩為零，當(dāng)施加外磁場(chǎng)時(shí)，各原子磁矩趨向于H方向。,107,當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí)，由于磁場(chǎng)與分子電流磁矩的相互作用除克服磁矩間相互作用引起的無(wú)序，還需克服溫度使原子磁矩趨于的混亂分布，最后外加磁場(chǎng)使原子磁矩趨于規(guī)則取向。一旦外加磁場(chǎng)增加到能補(bǔ)償熱運(yùn)動(dòng)能量時(shí)，原子磁矩就一致排列，顯示為順磁性。,108,順磁性主要來(lái)源于外磁場(chǎng)對(duì)原子或離子固有磁矩的取向作用。,108,1895年居里(P.Curie)順磁磁化率與溫度的關(guān)系(居里定律),其中T為絕對(duì)溫度；C為常數(shù)，稱為居里常數(shù)。,朗之萬(wàn)(P.Langevin)等的解釋：根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論，原子熱振動(dòng)的動(dòng)能Ek與溫度成正比，即EkkT其中k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。,熱振動(dòng)使原子磁矩傾向于混亂分布，在任何方向上的原子磁矩之和為零，對(duì)外不表現(xiàn)磁性。,109,當(dāng)外磁場(chǎng)增加到使勢(shì)能U的減少能夠補(bǔ)償熱運(yùn)動(dòng)的能量時(shí)，原子磁矩即一致排列，此時(shí)：,當(dāng)有磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0的外磁場(chǎng)時(shí)，原子磁矩m與B0的夾角要盡量小，以降低勢(shì)能：U=-mB0cos外磁場(chǎng)使原子磁矩m趨于一致排列。,kTmB0,110,不考慮材料中磁性離子的相互作用，在高溫低磁場(chǎng)的情形下，可推導(dǎo)出磁化率,其中n為單位體積內(nèi)的原子數(shù),稱為居里常數(shù),通過(guò)測(cè)量和T的關(guān)系，可求出斜率C，進(jìn)而求出原子磁矩m。,111,計(jì)算表明：當(dāng)T=1000K，磁場(chǎng)為1T，順磁物質(zhì)的磁化強(qiáng)度M102A/m順磁物質(zhì)很難磁化。,當(dāng)材料中磁性離子較多，相互作用較強(qiáng)而不可忽略時(shí)，其順磁磁化率常服從居里外斯定律,其中Tc是居里溫度，可能來(lái)源于交換作用、偶極子相互作用或晶體電場(chǎng)的作用。,112,順磁體/順磁性物質(zhì),1.正常順磁體,O2，NO，Pt；Pd稀土金屬；Fe,Co,Ni的鹽類；Fe,Co,Ni,2.磁化率與溫度無(wú)關(guān),3.存在反鐵磁體轉(zhuǎn)變,堿金屬,過(guò)渡族金屬及其合金或它們的化合物,113,113,1、正常順磁體,居里定律,居里-外斯定律,磁化率與溫度成反比。,114,114,2、磁化率與溫度無(wú)關(guān)的順磁體堿金屬3、存在反鐵磁體轉(zhuǎn)變的順磁體,115,反鐵磁體當(dāng)溫度高于尼爾點(diǎn)（TN）時(shí)，表現(xiàn)為順磁體。,過(guò)渡族金屬及其合金或它們的化合物。,115,練習(xí)：鐵磁性物質(zhì)磁化率與溫度的關(guān)系示意圖,116,T,TC,116,7.4鐵磁性(Ferromagnetism),117,鐵磁體？,如果物質(zhì)的大于0，且數(shù)值很大，這類物質(zhì)為鐵磁性物質(zhì)，如Fe、Co、Ni等。鐵磁性材料具有很強(qiáng)的磁性，在技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用，通常所指的磁性材料就是這類材料。,電工純鐵,金屬鈷,金屬鎳,118,研究表明，鐵磁性和順磁性具有相同的來(lái)源。對(duì)順磁體來(lái)說(shuō)，要使順磁體中由于熱擾動(dòng)而排列混亂的磁矩在室溫下達(dá)到接近于整齊排列的狀態(tài)，需要8108A/m的強(qiáng)磁場(chǎng)，目前的極限磁場(chǎng)很難達(dá)到如此高的強(qiáng)度。對(duì)鐵磁體來(lái)說(shuō)，它的磁化強(qiáng)度容易改變，只需在很小的磁場(chǎng)下（1103A/m）就可以達(dá)到技術(shù)飽和；磁場(chǎng)去除后，這種排列仍然可以保持下去。,119,順磁性的來(lái)源？,鐵磁性研究的核心問(wèn)題就是為什么鐵磁體的原子磁矩比順磁體容易整列得多？,物質(zhì)內(nèi)部原子磁矩的排列a:順磁性b:鐵磁性c:反鐵磁性d:亞鐵磁性,120,7.4.1鐵磁體磁化的現(xiàn)象(Phenomenaofthemagnetizationofferromagneticmaterials),121,它表示磁場(chǎng)強(qiáng)度H與所感生的B或M之間的關(guān)系（非線性）O點(diǎn)：H0、B0、M0，磁中性或原始退磁狀態(tài)OA段：近似線性，起始磁化階段AB段：較陡峭，表明急劇磁化HHm后，M逐漸趨于一定值MS（飽和磁化強(qiáng)度），而B則仍不斷增大(原因?)由BH（MH）曲線可求出或,一、磁化曲線(magnetizationcurve),122,施加外部磁場(chǎng)H：,M和B都沿OB線增加,至B點(diǎn)達(dá)到飽和,Ms和Bs分別稱為飽和磁化強(qiáng)度和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。,以后磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，M不升高。,達(dá)到飽和后，逐漸減弱外磁場(chǎng)H，M和B也減小，此過(guò)程稱為退磁。,磁滯回線,123,退磁并不沿OB逆向進(jìn)行，而是沿BC段進(jìn)行。,繼續(xù)增大反向磁場(chǎng)，至E點(diǎn)M和B達(dá)到反向飽和。,124,當(dāng)H=0時(shí)，M和B處于Mr和Br處(C點(diǎn))，不為零，稱為剩余磁化強(qiáng)度和剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度（剩磁）,加反向磁場(chǎng)至D，則M=0，B=0，即完全消除剩磁，此處的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc稱為矯頑力。,磁滯現(xiàn)象：退磁過(guò)程中M和B的變化落后于H的變化的現(xiàn)象。,再沿正方向增大磁場(chǎng)，可得另一半磁化曲線EFGB,D,E,C,Mr(Br),Hc,磁滯回線：外磁場(chǎng)強(qiáng)度H從Hm變到-Hm再到Hm，磁化曲線形成封閉環(huán)。,磁滯回線所包圍的面積表征磁化和退磁一周所消耗的功，稱為磁滯損耗,125,125,磁滯回線是磁材的重要特性之一磁滯回線的第二象限為退磁曲線（依據(jù)此考察永磁材料性能），退磁曲線上每一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的B和H的乘積BH為磁能積，表征永磁材料中能量大小。最大磁能積(BH)max是永磁的重要特性參數(shù)之一。,126,電滯回線,回線包圍的面積就是極化強(qiáng)度反轉(zhuǎn)兩次所需的能量。,127,Residual剩磁Mrcoerciveforce矯頑力HcSaturation飽和磁化強(qiáng)度Ms,重點(diǎn),127,NOTE:Hc是表征材料在磁化后保持磁化狀態(tài)的能力。,通常以Hc劃分軟磁、永磁、半永磁材料：,軟磁永磁半永磁,128,磁化功：磁性材料磁化時(shí)消耗的能量。,顯然在易磁化方向上的磁化功小，在此方向的磁化強(qiáng)度矢量Ms能量低。,2.磁晶各向異性,在不同方向上得到同樣的磁化強(qiáng)度要消耗不同的能量。,磁化功在數(shù)值上等于陰影部分的面積,129,在晶體的不同的取向與外磁場(chǎng)平行時(shí)，磁化的難易不同,Fe,Ni,Co不同晶向的磁化難易,130,對(duì)立方晶系,其中K0為主晶軸方向上的磁化能量；1、2、3分別是磁化強(qiáng)度與x,y,z軸夾角的余弦，即1=cos，2=cos，3=cos；K1、K2稱為磁晶各向異性常數(shù)。,一般K2較小，可忽略，Ek僅用K1表示。,磁晶各向異性能：磁化強(qiáng)度矢量沿不同晶軸方向的能量差，用Ek表示。,其他晶系也有相應(yīng)的磁晶各向異性能的表達(dá)式。,131,轉(zhuǎn)矩磁強(qiáng)計(jì)的原理是，當(dāng)樣品(片狀或球狀)置于強(qiáng)磁場(chǎng)中，使樣品磁化到飽和。若易磁化方向接近磁化強(qiáng)度的方向，則磁晶各向異性將使樣品旋轉(zhuǎn)，以使易軸與磁化強(qiáng)度方向平行這樣就產(chǎn)生一個(gè)作用在樣品上的轉(zhuǎn)矩。如果測(cè)量轉(zhuǎn)矩與磁場(chǎng)繞垂直軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度關(guān)系，就可以得到轉(zhuǎn)矩曲線，并由此可求得磁晶各向異性常數(shù)。,右圖是用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)矩曲線的轉(zhuǎn)矩儀。,磁晶各向異性常數(shù)的測(cè)量方法,H,易磁化方向,磁場(chǎng),132,無(wú)織構(gòu)的多晶鐵磁體磁化時(shí)不顯示各向異性，如果其形狀為球形則其磁化是各向同性的。,實(shí)際鐵磁體：幾乎沒有球形,3.形狀各向異性,同樣的磁場(chǎng)強(qiáng)度下在x、y、z方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度不同,由于磁體的形狀不同引起的各方向磁化的差異,133,原因：不同方向有不同的退磁場(chǎng)能。,退磁場(chǎng)：鐵磁體表面出現(xiàn)磁極后除在鐵磁體周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)外，在鐵磁體內(nèi)部也產(chǎn)生磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)與鐵磁體的磁化強(qiáng)度方向相反，起退磁作用，稱為退磁場(chǎng)。其表達(dá)式為：,Hd=-NM,N：退磁因子；M：磁化強(qiáng)度,N與鐵磁體形狀有關(guān)。如棒狀鐵磁體越短粗N越大，退磁場(chǎng)越強(qiáng)，達(dá)到磁飽和的外磁場(chǎng)越強(qiáng),134,鐵磁體在磁場(chǎng)中磁化時(shí)形狀和尺寸發(fā)生變化的現(xiàn)象,4.磁致伸縮,為線磁致伸縮系數(shù)，其中l(wèi)0為初始長(zhǎng)度，l為磁化后的長(zhǎng)度。,磁化達(dá)到飽和時(shí)的線磁致伸縮系數(shù)稱為飽和線磁致伸縮系數(shù)，對(duì)一定的材料是定值。,定義,磁飽和后不繼續(xù)伸縮,135,135,飽和線磁致伸縮系數(shù)代表鐵磁體的磁致伸縮能力。一般鐵磁體的飽和線磁致伸縮系數(shù)在10-6-10-3。,磁致伸縮現(xiàn)象可用于微步進(jìn)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、機(jī)器人、傳感器、驅(qū)動(dòng)器等。,專門研制的磁致伸縮合金如TbDyFe合金的飽和線磁致伸縮系數(shù)可達(dá)0.2%,如果鐵磁體在磁化過(guò)程中的尺寸變化受到限制，不能自由伸縮，則會(huì)形成拉（壓）內(nèi)應(yīng)力，在磁體內(nèi)部引起彈性能，稱為磁彈性能。,磁彈性能是附加的內(nèi)能升高，是磁化的阻力,136,136,137,138,139,測(cè)量磁致伸縮的一個(gè)方便可行的方法是應(yīng)變片技術(shù)。電阻應(yīng)變片是材料長(zhǎng)度變化引起應(yīng)變片的電阻變化，因而通過(guò)測(cè)量電阻的變化，得到材料的形變。也就是得到l/l，再用公式就可以得到：100,111,110等磁致伸縮常數(shù)。,例對(duì)3.93Ni-V的單晶，制作成圓片，圓片面為(010)測(cè)量磁致伸縮與角的函數(shù)關(guān)系，為磁化強(qiáng)度與001方向的夾角。應(yīng)變片在001和111方向測(cè)量，可分別得到100和111。,若應(yīng)變片的軸平行于001方向，則1=2=0和3=1,得到,磁致伸縮的測(cè)量方法,對(duì)3.93V-Ni(010)園盤樣品所測(cè)磁致伸縮與角的函數(shù)關(guān)系，為磁化強(qiáng)度和001方向的夾角：(A)沿(001)方向伸長(zhǎng)；(B)沿111方向伸長(zhǎng),140,7.4.2鐵磁體的自發(fā)磁化(Spontaneousmagnetizationofferromagneticmaterials),141,自發(fā)磁化：不加外磁場(chǎng)時(shí)鐵磁性材料的原子磁矩就在很多局部發(fā)生取向一致的排列，產(chǎn)生局部的磁矩。,鐵磁材料在被外磁場(chǎng)磁化之前不表現(xiàn)出磁性各個(gè)原子磁矩一致的小區(qū)域的原子磁矩取向是隨機(jī)的，整個(gè)材料不表現(xiàn)出宏觀磁矩。,磁疇：由于自發(fā)磁化形成的鐵磁材料中的原子磁矩一致的小區(qū)域。,鐵磁材料都有宏觀磁矩？,技術(shù)磁化：外磁場(chǎng)作用下鐵磁材料發(fā)生磁化，使磁疇的取向發(fā)生了與外磁場(chǎng)一致的有序排列，表現(xiàn)出宏觀的磁化強(qiáng)度的現(xiàn)象。,142,143,與原子順磁性一樣，在原子的電子殼層中存在沒有被電子填滿的狀態(tài)是產(chǎn)生鐵磁性的必要條件。,鐵磁性材料的磁性是自發(fā)產(chǎn)生的。所謂磁化過(guò)程(又稱感磁或充磁)只不過(guò)是把物質(zhì)本身的磁性顯示出來(lái)，而不是由外界向物質(zhì)提供磁性的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)證明，鐵磁質(zhì)自發(fā)磁化的根源是原子(正離子)磁矩，而且在原子磁矩中起主要作用的是電子自旋磁矩。,143,分子場(chǎng)假說(shuō)自發(fā)磁化的理論磁疇假說(shuō)技術(shù)磁化理論,鐵磁性的本質(zhì),鐵磁體在外磁場(chǎng)中的行為,鐵磁理論,144,144,1.外斯(P.Wiss)分子場(chǎng)理論,鐵硅合金單晶在(100)面的粉紋圖,觀察到磁疇，是自發(fā)磁化理論的實(shí)驗(yàn)證明,145,Weiss假說(shuō),第一個(gè)假設(shè)為分子場(chǎng)假設(shè)：鐵磁性材料在0K居里溫度Tc的溫度范圍內(nèi)存在與外加磁場(chǎng)無(wú)關(guān)的自發(fā)磁化，其原因是材料內(nèi)部存在分子場(chǎng)，使原子磁矩克服熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序效應(yīng)，自發(fā)地產(chǎn)生平行一致取向。磁體中存在與外場(chǎng)無(wú)關(guān)的自發(fā)磁化強(qiáng)度，在數(shù)值上等于技術(shù)飽和磁化強(qiáng)度Ms，而且這種自發(fā)磁化強(qiáng)度的大小與物體所處環(huán)境的溫度有關(guān)。對(duì)于每一種鐵磁體都有一個(gè)完全確定的溫度，在該溫度以上，物質(zhì)就完全失去了其鐵磁性。在外磁場(chǎng)為零的時(shí)候，鐵磁體不存在磁化強(qiáng)度；根據(jù)Weiss的第一個(gè)假設(shè)，鐵磁體似乎是應(yīng)該有，這個(gè)矛盾顯然是由另外一些原因所造成的。,146,為解決這個(gè)矛盾，Weiss提出第二個(gè)假設(shè)：在居里點(diǎn)以下鐵磁體分成許多微小的區(qū)域，在這些區(qū)域中存在著與鐵磁體所處溫度對(duì)應(yīng)的自發(fā)磁化強(qiáng)度，這種區(qū)域?yàn)榇女牎?磁性材料中常見的磁疇形狀：條形疇，樹枝狀疇和迷宮疇,147,由于熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性，在沒有外場(chǎng)的時(shí)候，鐵磁體內(nèi)部各磁疇的自發(fā)磁化強(qiáng)度混亂取向，相互抵消，以致使的整個(gè)磁體的宏觀磁化強(qiáng)度為零。只有在外場(chǎng)的影響下，磁疇中磁化強(qiáng)度的取向和磁疇體積才會(huì)發(fā)生變化，使得磁體中出現(xiàn)宏觀的磁化強(qiáng)度。,148,鐵磁材料在高于Tc的溫度鐵磁性消失是由于熱運(yùn)動(dòng)能kT破壞了分子場(chǎng)對(duì)原子磁矩有序取向的作用能HmfPJ，所以在Tc的溫度兩種能量相等,kTc=HmfPJ,外斯分子場(chǎng)的大小,k：玻耳茲曼常數(shù)；Hmf：分子場(chǎng)，PJ：原子的磁偶極矩。代入相應(yīng)數(shù)據(jù)可估算出Hmf=109A/m鐵磁材料中該數(shù)量級(jí)的分子場(chǎng)使其中的原子磁矩發(fā)生自發(fā)磁化。,149,盡管Weiss假設(shè)對(duì)鐵磁學(xué)有十分重要的意義，但限于當(dāng)時(shí)物理學(xué)的發(fā)展水平，它只是一種表象理論，并沒有揭示兩個(gè)基本假設(shè)的物理意義。1928年，弗倫克爾指出分子場(chǎng)可以用原子間的特殊相互作用解釋1928年，海森堡證明，相鄰原子間有靜電交換作用,并通過(guò)量子力學(xué)方法計(jì)算了鐵磁體的自發(fā)磁化強(qiáng)度，Weiss理論才以量子交換力作為相互作用力的起源，解釋了鐵磁性的物理本質(zhì)。,提出不確定性原理及矩陣?yán)碚?150,鐵磁性磁化強(qiáng)度高鐵磁性源于電子自旋磁矩,外斯理論存在使電子自旋磁矩同向排列的分子場(chǎng),2.分子場(chǎng)的來(lái)源和交換作用理論,分子場(chǎng)的來(lái)源？,出現(xiàn)鐵磁性（自發(fā)磁化）的必要條件：原子自身有明顯的磁矩原子自旋磁矩不為零有不滿的d軌道或f軌道。,151,大部分過(guò)渡元素都滿足此條件都是鐵磁體？,海森堡交換作用理論,晶體中原子之間的鍵合對(duì)鐵磁性有利才可形成鐵磁性。,原子的磁矩能否形成聯(lián)合磁矩？,當(dāng)兩原子相互接近形成分子或N個(gè)原子形成晶體時(shí)，原子間的電子有交互作用，相鄰的i原子和j原子的電子可能交換位置，降低體系的能量。,152,當(dāng)兩個(gè)氫原子距離很遠(yuǎn)時(shí)，因?yàn)闊o(wú)相互作用，電子的自旋取向是互不干擾的，此時(shí)每個(gè)原子都處于基態(tài)，其能量為E0。當(dāng)兩原子接近組成氫分子后，在核與核、電子與電子之間、核與電子之間產(chǎn)生了新的靜電相互作用，系統(tǒng)的靜電能還依賴于電子自旋的相對(duì)取向。,氫分子模型,153,氫分子的能量已經(jīng)不是簡(jiǎn)單等于兩個(gè)原子基態(tài)能量E0之和，而是E1為能量補(bǔ)充項(xiàng)，它不但與粒子的庫(kù)侖作用有關(guān)，還與電子自旋的相對(duì)取向有關(guān)?？紤]到電子自旋平行及反平行時(shí)系統(tǒng)的能量不同。用E1和E2分別表示這兩種狀態(tài)時(shí)的氫分子能量，則上式可寫成,154,式中C和A的表達(dá)式為式中a(1)和b(2)表示電子在核周圍運(yùn)動(dòng)的波函數(shù)；a(1)和b(2)表示相應(yīng)波函數(shù)的復(fù)數(shù)共軛值，d1和d2為空間體積元。,155,C是由于電子之間、核與電子之間庫(kù)侖作用而增加的能量項(xiàng)，A是兩個(gè)原子的電子交換位置產(chǎn)生的相互作用能，稱為交換積分，它與原子之間的電荷重疊有關(guān)。自旋平行時(shí)的系統(tǒng)的能量E1和自旋反平行時(shí)的系統(tǒng)能量E2究竟哪一個(gè)處于穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)鍵在于交換積分A的符號(hào)。AE2，電子自旋反平行排列為穩(wěn)定狀態(tài)；A0，則E1E2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，A0時(shí)，自旋同向能量低自發(fā)磁化鐵磁性A0，即原子磁矩同向平行排列,164,何時(shí)A0？,計(jì)算表明：A不僅與電子運(yùn)動(dòng)的波函數(shù)有關(guān)，還強(qiáng)烈依賴于相鄰原子核之間的距離rab,A很難從波函數(shù)計(jì)算出數(shù)值，但可從Tc的實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測(cè),r：參加交換作用的電子距核的距離，如3d層半徑,rab/r小，A0，鐵磁性,165,rab/r再增大，A0，交換作用微弱，順磁性,滿足A0一定的晶體結(jié)構(gòu)、原子間距rab/r3且接近3,純?cè)刂挥蠪e、Co、Ni滿足，為鐵磁性。合金化可改變晶體結(jié)構(gòu)和原子尺寸，得到多種鐵磁體,166,167,鐵磁性產(chǎn)生的充要條件是:1、原子內(nèi)部要有未填滿的電子殼層；2、Rab（點(diǎn)陣常數(shù)）/r（未填滿殼層半徑）3使A0。前者指的是原子的本征磁矩(固有磁矩)不能為零，后者指的是要有一定的晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。,問(wèn)題：Mn、Cr怎么產(chǎn)生鐵磁性？,167,處于鐵磁狀態(tài)的物質(zhì)除了原子具有未填滿電子的次殼層結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)具有相當(dāng)?shù)脑娱g距。既然Mn、Cr滿足了第一個(gè)條件，那么改變其點(diǎn)陣常數(shù)是否會(huì)使