材料的磁學性能（一）磁性材料包含金屬基材料無機材料(含鐵及其他元素的復合氧化物，通常稱為鐵氧體)納米材料（納米材料的磁性有其特殊性）磁性材料的分類軟磁材料硬磁材料基本磁學概念物質(zhì)的磁性來源：電子的運動以及原子、電子內(nèi)部的永久磁矩。磁矩“磁”來源于“電”。任何一個封閉的電流都具有磁矩μm。磁矩定義為式中：μm為載流線圈的磁矩，n為線圈平面的法線方向上的單位矢量，S為線圈的面積，I為線圈通過的電流。單位為A·m2磁偶極子產(chǎn)生的偶極矩為jm，單位為Wb·m在均勻磁場中,磁矩受到磁場作用的力矩JFJF為矢量積,B為磁感應強度,其單位為Wb/m2,Wb(韋伯)是磁通量的單位。磁矩在磁場中所受的力,對于一維為：磁矩的意義表征磁偶極子磁性強弱和方向的一個物理量。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,即物體在磁場中所受的力也大。磁矩只與物體本身有關,與外磁場無關。和磁偶極矩具有相同的物理意義，但μm和jm各有自己的單位和數(shù)值，有如下關系磁場強度磁場強度H如果磁場是由長度為l，電流為I的圓柱狀線圈（N匝）產(chǎn)生的，則H的單位為A/m磁感應強度磁感應強度B表示材料在外磁場H的作用下在材料內(nèi)部的磁通量密度。B的單位:T或Wb/m2在許多場合，確定磁場效應的量是磁感應強度B，而不是磁場強度H磁場強度和磁感應強度的關系為式中的為磁導率，是材料的特性常數(shù)。表示材料在單位磁場強度的外磁場作用下，材料內(nèi)部的磁通量密度，只和介質(zhì)有關，表征磁體的磁性、導磁性及磁化難易程度。的單位為H/m。在真空中，磁感應強度為式中0為真空磁導率。它是一個普適常數(shù)，其值:4π×10-7單位:H（亨利）/m。對于一般磁介質(zhì),無外加磁場時,其內(nèi)部各磁矩的取向不一,宏觀無磁性。但在外磁場作用下,各磁矩有規(guī)則地取向,使磁介質(zhì)宏觀顯示磁性,這就叫磁化。

磁化強度M磁化強度M在外磁場H的作用下，磁體被磁化的方向和強度。表征物質(zhì)被磁化的程度。其值等于單位體積材料中具有的磁矩矢量和。M的大小與外磁場強度成正比χ叫做磁化率，僅與磁介質(zhì)性質(zhì)有關，反映材料磁化的能力，也是無量綱參數(shù)磁學單位除了SI單位制以外，還有一種高斯（Gauss）單位制，當使用高斯單位制時，磁感應強度的表達式為這里，B的單位為高斯G，磁場強度H的單位為奧斯特Oe。磁性常數(shù)（真空磁導率）為1，單位是G/OeM是磁極密度，4πM是磁通線的密度。1G＝10－4T；1Oe＝103/4π=79.577A/m1e.m.u(磁矩）＝10－3Am2磁導率絕對磁導率μ

相對磁導率μr=μ/μ0

起始磁導率μi

復數(shù)磁導率μ

磁導率

有效磁導率、永久磁導率、表觀磁導率、振幅磁導率、可逆磁導率、切變磁導率、脈沖磁導率、最大磁導率、等等見《磁性物理學》宛德福等編

相對磁導率r

相對磁導率定義材料的磁導率與真空磁導率0之比r為無量綱的參數(shù)磁化率χ與相對磁導率之間的關系：Χ和只有當B、H、M三個矢量互相平行時才為標量，否則，它們?yōu)閺埩?。back磁化狀態(tài)下的磁體中的靜磁能量磁場作用能量退磁場能量磁體受到外磁場作用所具有的磁場能量密度。磁疇與技術化理論中經(jīng)常用到N為退磁因子，Hd為退磁場基本概念小結物質(zhì)的磁性來源：電子的運動以及原子、電子內(nèi)部的永久磁矩。注意B磁感應強度、H磁場強度、M磁化強度，幾個概念的關系。磁導率、磁化率磁性起源材料的宏觀磁性來源于原子磁矩原子磁矩的來源：1)電子圍繞原子核的軌道運動，產(chǎn)生一個非常小的磁場，形成一個沿旋轉(zhuǎn)軸方向的軌道磁矩；2)每個電子本身自旋運動，產(chǎn)生一個沿自旋軸方向的自旋磁矩；3）原子核磁矩。原子核磁矩的值很小，一般可以忽略不計。電子軌道磁矩原子內(nèi)的電子運動服從量子力學規(guī)律，由電子軌道運動產(chǎn)生的動量矩應由角動量來代替，角動量是量子化的。當電子運動狀態(tài)的主量子數(shù)為n時，角動量由角量子數(shù)l來確定，角動量pl的絕對值為：l的可能值為：l的可能值為：h為普朗克常數(shù)幻燈片20量子化情況下，對應于角動量的磁矩為令式中B稱為玻爾(Bohr)磁子，作為電子磁矩的單位，它有確定值為9.27×10-24Am2當電子處于l＝0，即s態(tài)時，角動量與軌道磁矩都為零。當l不為0時，電子軌道磁矩不是玻爾磁子的整數(shù)倍?；脽羝?1角動量和磁矩在空間都是量子化的，它們在外磁場方向的分量不連續(xù)，只能有一組確定的間斷值，這些間斷值取決于磁量子數(shù)ml，共n個可能值共2l＋1個可能值此處γl為軌道磁力比幻燈片22電子自旋磁矩證明電子具有自旋的實驗由斯特恩-蓋拉赫（Stern-Gerlah）作出。電子自旋角動量取決于自旋量子數(shù)s，自旋角動量的絕對值是由于的值只能等于1/2，故ps的本征值為自旋角動量在外磁場方向上的分量取決于自旋磁量子數(shù)ms，只能取值±1/2實驗證明，和自旋角動量相聯(lián)系的自旋磁矩在外磁場方向上的投影，剛好等于一個玻爾磁子，但方向有正、負兩種。這表明，自旋磁矩在空間只有兩個可能的量子化方向。用自旋量子數(shù)本征值s=1/2代入，即可得到一個電子的自旋磁矩的絕對值等于原子磁矩如果要確定一個原子的磁矩，并考慮核外電子多于一個電子的情況，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量是如何耦合的。電子殼層與磁性在多電子原子中，決定電子所處的狀態(tài)的準則有兩條：一是泡利（Pauli）不相容原理，即是說在已知體系中，同一（n,l,ml,ms）量子態(tài)上不能有多于一個電子；二是能量最小原理，即體系能量最低時，體系最穩(wěn)定。幻燈片25多電子原子中電子的分布規(guī)律

n,l,ml,ms四個量子數(shù)確定以后，電子所處的位置隨之而定，且這四個量子數(shù)都相同的電子不多于一個。n,l,ml,三個量子數(shù)都相同的電子數(shù)最多只能有兩個，而自旋磁量子數(shù)不能相同，只能分別為1/2和-1/2。n,l兩個量子數(shù)相同的電子最多只有2(2l+2)個。凡主量子數(shù)相同的電子最多只有2n2個。如按主量子數(shù)n和角量子數(shù)l把電子的可能狀態(tài)分成殼層，則能量相同的電子可以視為分布于同一殼層上。將相應于n＝1,2,3,4,……的殼層,分別用K，L，M，N，…等表示。在同一殼層中，可以有0,1,2…,(n－1)個角量子數(shù)l，于是，每一個殼層就可分成了若干次殼層，并分別用符號s，p，d，f，g，h等來表示l＝0,1,2,3,4,5等次殼層。根據(jù)泡利不相容原理，原子中的每一個狀態(tài)，只能容納一個電子。因此，可以推算每一個殼層和次殼層中可容納的最多電子數(shù)。表5－1給出了電子殼層的劃分及各殼層中可能存在的電子數(shù)。表中“狀態(tài)數(shù)或最多電子數(shù)”一欄內(nèi)是各電子殼層中最大可能的電子數(shù)目?！黼娮幼孕蛏虾拖蛳氯∠颉；脽羝?7當電子填滿電子殼層時，各電子的軌道運動及自旋取向就占據(jù)了所有可能方向，形成一個球形對稱集合，這樣，電子本身具有的動量矩和磁矩必然互相抵消。因而，凡是滿電子殼層的總動量矩和總磁矩都為零。只有未填滿電子的殼層上才有未成對的電子磁矩對原子的總磁矩做出貢獻。這種未滿殼層稱為磁性電子殼層。角動量耦合和原子總磁矩原子中的角動量耦合方式有兩種：①軌道-自旋耦合；②耦合。L－S耦合發(fā)生在原子序數(shù)較小的原子中：由于各個電子軌道角動量之間耦合強。在元素周期表中原子序數(shù)Z≤32的原子，都為L－S耦合。Z大于32到Z＝82的原子，L－S耦合逐步減弱，最后完全過渡到j－j耦合。對于原子序數(shù)Z>82的元素：電子本身的耦合較強，這類原子的都以j－j方式進行耦合。鐵磁物質(zhì)的角動量大都屬于耦合，其耦合方式的圖解如下：幻燈片29J為原子的總量子數(shù)由于電子的軌道磁力比與自旋磁力比不一致，故方向有差異。gJ稱為朗德因子或光譜分裂因子。兩種情況:L=0,gJ=2,原子總磁矩都是由自旋磁矩貢獻的。S=0,gJ=1,原子總磁矩都是由軌道磁矩貢獻的。洪德法則洪德法則是基于對光譜線的實驗而建立的。其內(nèi)容如下：法則一：在Pauli原理允許下，給定的電子組態(tài)具有S最大值法則二：在相應最大值時給出的L值應最大，法則三：未滿殼層中電子總角動量J分別由下述情況給出：J=L-S,次殼層上的電子數(shù)不夠半滿數(shù)J=L+S,次殼層上的電子數(shù)等于或大于半滿數(shù)。原子磁矩計算步驟確定原子的磁性電子殼層計算量子數(shù)計算gJ計算μJ5.2物質(zhì)的磁性（掌握）物質(zhì)的磁性可分為抗磁性順磁性鐵磁性亞鐵磁性反鐵磁性每一種材料至少表現(xiàn)出其中一種磁性，這取決于材料的成分和結構。磁疇的比較4.2.1抗磁性抗磁性是一種很弱的、非永久性的磁性只有在外磁場存在時才能維持它是由于外磁場使電子的軌道運動發(fā)生變化而引起的所感應的磁矩很小，方向與外磁場相反，即磁化強度為很小的負值。相對磁導率＜1，磁化率為負值它表示在抗磁體內(nèi)部的磁感應強度B比真空中的小?？勾朋w的磁化率約為-10-5數(shù)量級。在無磁場和有磁場條件下原子磁矩的變化如圖所示。所有材料都有抗磁性因為它很弱，只有當其它類型的磁性完全消失時才能被觀察到4.2.2順磁性固體的原子具有本征磁矩這種材料在無外磁場作用時，材料中的原子磁矩無序排列，因此材料表現(xiàn)不出宏觀磁性受外磁場作用時，原于磁矩能通過旋轉(zhuǎn)沿外場方向擇優(yōu)取向，因而表現(xiàn)出宏觀的磁性，這種磁性稱為順磁性在此材料中，原子磁矩沿外磁場方向排列，磁場強度獲得增強，磁化強度為正值，因而相對磁導率＞1，磁化率為正值。但磁化率也很小，只有1