磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用

MagneticMaterials:Basictheory,ProcessingandApplicationsLecture1磁學(xué)基本概念與磁性物理基礎(chǔ)1磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用OutlineIntroductiontothiscourseOriginofMagnetismVarioustypesofmagnetismVariousmagneticmaterialsSummary2磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用Beforestart,somequestions…Whatmetalsaremagnetic?SinceFearemagneticmetal,whydoesitnotattractasmallpieceofiron?Pureironismagneticandsomesteelisnot,Why?Fe,W,Mo,V,Nbareallb.c.cstructuredandhaveunpairedelectrons,whyisonlyFemagnetic?WhydoNdFeBmagnetspackedwithFefoilwhenposted?3磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用ASurveyHaveyoueverstudied-Ferromagnetism《鐵磁學(xué)》?Magnetism《磁學(xué)》?Electromagnetism《電磁學(xué)》?SolidPhysics《固體物理》?MaterialsPhysics《材料物理》?GeneralPhysics《普通物理》（《大學(xué)物理》）?4磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用AboutThisCourseItisnot-Electromagnetism《電磁學(xué)》!Magnetism《磁學(xué)》!MagneticPhysics《磁性物理》！Itis–MagneticMaterials！Weemphasizetheory,processingandapplication!5磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用CourseStructure共32學(xué)時，含：論文報(bào)告4學(xué)時學(xué)術(shù)報(bào)告4學(xué)時討論2學(xué)時講授24學(xué)時內(nèi)容：磁性基礎(chǔ)、軟磁材料、硬磁材料、磁記錄、磁致伸縮材料、磁性-物性相互作用、巨磁阻材料、吸波材料、磁性薄膜、磁性納米結(jié)構(gòu)、磁性材料最新進(jìn)展6磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用Whatisyouropinionaboutthiscourse?Whatdoyouwanttolearn?Howtoteach?Letmeknowbyemail!7磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用AllAboutExam論文報(bào)告，70%；平時，30%。Topicsforyourreport:Recentprogressinadvanced-1.NanocompositeRare-earthpermanentmagneticmaterials;2.Nanocompositesoftmagneticmaterials;3.perpendicularmagneticrecording;4.Magnetoelectricmaterials;5.Magneticthinfilmsformicrowaveabsorber;6.GMRmaterials;7.One-dimensionmagneticnanostructures;8.Spintronics;9.Magnetocaloricmaterials;10.Magnetostrictionmaterials.YoucanwriteyourreportinChinesethoughuseofEnglishisencouraged!NoteInformaljournalpaperstyle;Recentprogress;Noplagiarismallowed.8磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用TermMagnetcomesfromtheancientGreekcityofMagnesia,atwhichmanynaturalmagnetswerefound.PlinytheElder(23-79ADRoman)wroteofahillneartheriverIndusthatwasmadeentirelyofastonethatattractediron.KnowninChinaandEurope-800BCLodestoneLet’sgetstart:Astory9磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用LODESTONENow,werefertothesenaturalmagnetsaslodestones(alsospelledloadstone;lodemeanstoleadortoattract)whichcontainmagnetite,anaturalmagneticmaterialFe3O4.Whenlightningstrikestheearthitcouldcreateamagneticfieldlargeenoughtosaturatethemagnetizationoflodestone.Typicalcurrent~1,000,000Amp.Oncein1–10millionyears10磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用HistoryChineseasearlyas121ADknewthatanironrodwhichhadbeenbroughtnearoneofthesenaturalmagnetswouldacquireandretainthemagneticproperty…andthatsucharodwhensuspendedfromastringwouldalignitselfinanorth-southdirection.Useofmagnetstoaidinnavigationcanbetracedbacktoatleastthe11thcentury.Basically,weknewthephenomenonexistedandwelearnedusefulapplicationsforit.Wedidnotunderstandit.司南11磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用

ElectrifiedAmberattractssmallobjectsLodestoneattractsironAConnection?HansChristian?rsted(1777–1851)

Finally,theScience-

Oersted’sExperimentDanishscientistHansChristianOerstedobservedthatacompassneedleinthevicinityofawirecarryingelectricalcurrentwasdeflected!aconnectionbetweenelectricalandmagneticphenomenashown.Oersted’sexperiment(1820)12磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用AquantitativerelationshipbetweenachangingmagneticfieldandtheelectricfieldcreatedbythechangeMichaelFaraday

(1791-1867)Faraday:

EffectofachangingmagneticfieldIn1831,Faradaydiscoveredthatamomentarycurrentexistedinacircuit,whenthecurrentinanearbycircuitwasstartedorstopped.Shortlythereafter,hediscoveredthatmotionofamagnettowardorawayfromacircuitcouldproducethesameeffect.13磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用Henry’swork:alesson!JosephHenry(1797-1878)JosephHenryfailedtopublishwhathehaddiscovered6-12monthsbeforeFaradayHenrywasalwaysslowinpublishinghisresults,andhewasunawareofFaraday'swork.TodayFaradayisrecognizedasthediscovererofmutualinductance(thebasisoftransformers),whileHenryiscreditedwiththediscoveryofself-inductance.14磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用TheconnectionismadeSUMMARY:Oerstedshowedthatmagneticeffectscouldbeproducedbymovingelectricalcharges;FaradayandHenryshowedthatelectriccurrentscouldbeproducedbymovingmagnetsSo....Allmagneticphenomenaresultfromforcesbetweenelectricchargesinmotion.15磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用Ampere:MolecularCurrents

Amperefirstsuggestedin1820thatmagneticpropertiesofmatterwereduetotinyatomiccurrents: ExistenceofsmallmolecularcurrentsEachatom/moleculewouldbehaveasasmallpermanentmagnetWouldaligninthepresenceofamagneticfieldAndreMarieAmpere

(1775-1836)16磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用Themagneticfieldinspacearoundanelectriccurrentisproportionaltotheelectriccurrentwhichservesasitssource.Ampere'sLawForanyclosedlooppath,thesumofthelengthelementstimesthemagneticfieldinthedirectionofthelengthelementisequaltothepermeabilitytimestheelectriccurrentenclosedintheloop.17磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用Donotforgetthem?rstedshowedthatmagneticeffectscouldbeproducedbymovingelectricalcharges;FaradayandHenryshowedthatelectriccurrentscouldbeproducedbymovingmagnets.Allmagneticphenomenaresultfromforcesbetweenelectricchargesinmotion.Amperefirstsuggestedin1820thatmagneticpropertiesofmatterwereduetotinyatomiccurrents.18磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用Toptenlist:whatweshouldhaveknownaboutmagnetism？1.ThereareNorthPolesandSouthPoles.2.Likepolesrepel,unlikepolesattract.3.Magneticforcesattractonlymagneticmaterials.4.Magneticforcesactatadistance.5.Whilemagnetized,temporarymagnetsactlikepermanentmagnets.6.Acoilofwirewithanelectriccurrentflowingthroughitbecomesamagnet.7.Puttingironinsideacurrent-carryingcoilincreasesthestrengthoftheelectromagnet.8.Achangingmagneticfieldinducesanelectriccurrentinaconductor.9.Achargedparticleexperiencesnomagneticforcewhenmovingparalleltoamagneticfield,butwhenitismovingperpendiculartothefielditexperiencesaforceperpendiculartoboththefieldandthedirectionofmotion.10.Acurrent-carryingwireinaperpendicularmagneticfieldexperiencesaforceinadirectionperpendiculartoboththewireandthefield.19磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用OriginofMagnetismofMatterAmpere:molecularcurrentsModernphysics:magneticmomentsinatoms（“磁矩學(xué)說”或“磁偶極矩學(xué)說”）1)unpairedelectronspinsmainly2)theorbitalmotionofelectronswithinthematerialtoalesserextent20磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用物理學(xué)原理：任何帶電體的運(yùn)動都必然在周圍的空間產(chǎn)生磁場。電動力學(xué)定律：一個環(huán)形電流具有一定的磁矩，它在磁場中行為像個磁性偶極子。設(shè)環(huán)形電流的強(qiáng)度為I（A），它所包圍的面積為A（m2）,則該環(huán)流的磁矩為：m=I*A（Am2）玻爾（Bohr）原子模型：原子內(nèi)的電子在固定的軌道上繞原子核作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時還繞自身的軸線作自旋運(yùn)動。前一種運(yùn)動產(chǎn)生“軌道磁矩”，后一種運(yùn)動產(chǎn)生“自旋磁矩”。物質(zhì)磁性來源的同一性：盡管宏觀物質(zhì)的磁性是多種多樣的，但這些磁性都來源于電子的運(yùn)動。OriginofMagnetismofMatter21磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用原子磁矩Macroscopicpropertiesaretheresultofelectronmagneticmoments。Momentscomefrom2sources:Orbitalmotionaroundanucleus（軌道磁矩）與Spinningaroundanaxis（自旋磁矩）。原子核磁矩比電子磁矩小3個數(shù)量級，一般情況下忽略不計(jì)。因此，原子磁矩主要來源于原子核外電子的。原子中的電子成對地存在。這些成對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?！谴旁?。原子中的電子磁矩沒有完全抵消使原子中電子的總磁矩（有時叫凈磁矩，剩余磁矩）不為零?！判栽印?2磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用原子的總磁矩應(yīng)是按照原子結(jié)構(gòu)和量子力學(xué)規(guī)律將原子中各個電子的軌道磁矩和自旋磁矩相加起來的合磁矩。原子磁矩ThenetmagneticmomentforanatomisthesumofthemagneticmomentsofconstituentelectronsAtomswithcompletelyfilledelectronshellsareincapablepermanentmagnetizationAllmaterialsexhibitsomeformofmagnetization.Threetypesofresponse;ferro,diaandparamagnetic.23磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用原子的磁矩電子和原子核均有磁矩，但原子核的磁矩僅有電子磁矩的1/1836.5。電子軌道磁矩：

l：軌道角量子數(shù)，0,1,2,3,4…n-1(s,p,d,f,…電子態(tài))；n:主量子數(shù)；波爾磁子B=9.273210-24A/m2軌道磁矩在外磁場方向的投影:l,H=mlB

ml:角動量方向量子數(shù)或磁量子數(shù)=0,1,2,…l電子自旋磁矩：

s：自旋量子數(shù)，s=1/2自旋磁矩在外磁場方向的投影:s,H=2msB

ms:自旋角動量方向量子數(shù)=1/224磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用原子的磁矩原子磁矩=電子軌道磁矩+自旋磁矩對于3d過渡族和4f稀土金屬及合金，原子磁矩：

式中:

稱為郎德因子。J：原子總角量子數(shù)；L：原子總軌道角量子數(shù)；S：原子總自旋量子數(shù)；波爾磁子B=9.273210-24A/m2量子力學(xué)證明，原子磁矩在外磁場方向的投影也是量子化的

J,H=gJmJB

mJ:原子角動量方向量子數(shù)或原子磁量子數(shù)=0,1,2,…JIfJ,LandSareknown,JandJ,Hcanbecalculated.25磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用在一個填滿的電子殼層中，電子的軌道磁矩和自旋磁矩為零。對于次電子層（等）未填滿電子的原子，在基態(tài)下，其總角量子數(shù)J、總軌道量子數(shù)L和總自旋量子數(shù)S存在如下關(guān)系：（1）在未填滿電子的那些次電子層內(nèi)，在Pauli原理允許的條件下S和L均取最大值；（2）次電子層未填滿一半時，J=L-S；（3）次電子層填滿一半或一半以上時，J=L+SHund規(guī)則J,H=gJmJBmJ=0,1,2,…J26磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用原子磁矩盡管上述計(jì)算方法有其深奧的量子力學(xué)來源，但與實(shí)驗(yàn)值之間的符合并不十分好。對鐵磁和反鐵磁材料，有時也使用更簡化的方程：μ=gs

或者干脆將g作為可調(diào)參數(shù)以與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。27磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用眾所周知，電子軌道運(yùn)動是量子化的，因而只有分立的軌道存在，換言之、角動量是量子化的，并由下式給出普郎克(Planck)常數(shù)：玻爾磁子(Bohrmagneton)電子的軌道磁矩電子的角動量是：電子的軌道磁矩：°●PMLeiv電子的軌道磁矩28磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用與自旋相聯(lián)系的角動量的大小是?/2，因而自旋角動量可寫為：S是自旋角動量量子數(shù)自旋磁矩通常磁矩和P之間的關(guān)系由下式給出：這里g因子(g-factor)對自旋運(yùn)動是2，而對軌道運(yùn)動是1。不論是自旋磁矩，還是軌道磁矩，都是玻爾磁子B的整數(shù)倍。Pse電子的自旋磁矩29磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用TheUniversality:MagnetismAllmatteraremagnetic物質(zhì)磁性無處不在（1）物質(zhì)的各種形態(tài)，無論是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離子態(tài)、超高密度態(tài)和反物質(zhì)態(tài)都具有磁性；（2）物質(zhì)的各個層次，無論是原子、原子核、基本粒子和基礎(chǔ)粒子等都會具有磁性。（3）無限廣袤的宇宙，無論是天體，還是星際空間都存在著或強(qiáng)或弱的磁場。地球磁場強(qiáng)度：~240A/m，太陽的磁場強(qiáng)度~80A/m，中子星磁場強(qiáng)度高達(dá)~1013-1014A/m。物質(zhì)的磁性與其他屬性之間存在著廣泛的聯(lián)系，并構(gòu)成多種多樣的耦合效應(yīng)和雙重（多重）效應(yīng)（如磁電效應(yīng)、磁光效應(yīng)、和磁熱效應(yīng)等）。這些效應(yīng)是了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的重要途徑，又是發(fā)展各種應(yīng)用技術(shù)和功能器件（如磁光存儲技術(shù)、磁記錄技術(shù)和霍爾器件等）的基礎(chǔ)。30磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用MagneticPoles(磁極)theexternalmagneticfieldisstrongestatthepolesThetwotypesofmagneticpolescannotexistseparately–alwayscoupledtogetherasadipole.Isolatedmagneticmonopoleshavenotyetbeendetected.表示磁極強(qiáng)弱的物理量稱為“磁極強(qiáng)度”。兩個強(qiáng)弱相同的磁極，在真空中相距1厘米時，如果它們之間相互作用力為1達(dá)因，則每個磁極的強(qiáng)度就規(guī)定為一個電磁系單位制的磁極強(qiáng)度單位。磁極強(qiáng)度（Wboremu）為m1、m2的磁極間相互作用力：F=km1m2/r2k=1/4μ0,0=410-7H/m31磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用Amagneticdipole

（磁偶極子）AloopofelectriccurrentgeneratesamagneticdipolefieldFieldlinesrunfromtheNorthpoletotheSouthpoleFieldlinesindicatethedirectionofforcethatwouldbeexperiencedbyaNorthmagneticmonopole32磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用MagneticMoment（磁矩）電流在其四周產(chǎn)生環(huán)繞的磁場。如果把通電導(dǎo)線圈成一個半徑為r的圓環(huán)，其周圍的鐵屑則展示了其產(chǎn)生的磁場的形態(tài)。這個磁場等效于一個磁矩為M的磁鐵產(chǎn)生的磁場。由電流i產(chǎn)生的磁場，其強(qiáng)度和圓環(huán)的面積相關(guān)（圓環(huán)越大，磁矩就越大），即M=iπr2。由n個圓環(huán)產(chǎn)生的總磁矩是由這些單一圓環(huán)產(chǎn)生的磁矩的迭加，即：M=niπr2因此，磁矩M的單位為Am2。環(huán)電流磁矩：M=IA棒狀磁鐵磁矩：M=mllmAI33磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用MagneticField（磁場）,HAmagneticfieldHisgeneratedwheneverthereiselectricchargeinmotion(electriccurrents).Thiscanbeduetomacroscopiccurrentsinaconductor,ormicroscopiccurrentsassociatedwithelectronsinatomicorbits,orbeproducedbyapermanentmagnet.HismeasuredinA/morOe(SIsystemorcgssystem).1A/m=0.01257OeForasolenoid:H=NI/L34磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用MagneticField（磁場）,H電流能夠產(chǎn)生磁場，因此可以借助于電場來定義由其產(chǎn)生的磁場。當(dāng)導(dǎo)線通以電流時，根據(jù)右手法則，右手的大拇指指向電流方向（即正方向，與電子流動方向相反），其它成環(huán)狀的四指則指示了相應(yīng)的磁場方向。磁場H同時垂直于電流方向和徑向單位矢量r，其強(qiáng)度與電流強(qiáng)度成正比。磁場強(qiáng)度H可以由安培定律給出：因此，磁場強(qiáng)度H的單位為A/m。35磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用MagneticField,HAforcefieldsimilartothegravitationalandelectricalfield,detectedbyaprobe.Amagneticfieldexertsatorquewhichorientsdipoleswiththefield.Directionofmagneticfieldatanypointisdefinedasthedirectionofmotionofachargedparticleonwhichthemagneticfieldwouldnotexertaforce.Magneticfieldlinesdescribethestructureofmagneticfieldsinthreedimensions.Foramagnet:H=F/m1=km1/r2F=km1m2/r236磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用Fluxdensity（磁通密度）,B磁通量（Magneticflux，） 磁場是一個矢量場，在任何一點(diǎn)它都由方向和強(qiáng)度共同定義。其方向由磁力線箭頭確定，而其強(qiáng)度則由磁力線的密度確定。磁力線即為磁通量，其密度可用來衡量磁場的強(qiáng)度（即磁感應(yīng)強(qiáng)度B）。Densityofflux(orfield)linesdeterminesforcesonmagneticpolesDirectionoffluxindicatesdirectionofforceonaNorthpoleHigherfluxdensityexertsmoreforceonmagneticpoles37磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用FluxdensityBBdependsonGeometryandcurrentinsolenoidMagneticpropertiesofthematerialGeometryofmaterial38磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用MagneticInduction（磁感應(yīng)強(qiáng)度）,BThemagneticinductionB,alsoknownasthefluxdensity,measuredinTesla(SI)orGauss(cgs),istheresponseofamediumtothepresenceofamagneticfield.1T=10000GsHfieldcreatesmagneticinduction Bisthemagneticinduction;themagnitudeoftheinternalfieldwithinasubstance39磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用MagneticPermeability（磁導(dǎo)率）,B=Histhepermeability（磁導(dǎo)率）ofthemedium(Henriespermeter)B0=0H0isthepermeabilityofavacuumr=/0ristherelativepermeability40磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用Magnetization(磁化強(qiáng)度),MWedefinemagnetizationasthetotalmagneticdipolemoment(magneticmoment)perunitvolumewithinthematerialItismeasuredinA/m(SI)oremu/cm3(cgs).41磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用Magnetizationdependson……..NumberdensityofmagneticdipolemomentswithinmaterialMagnitudeofthemagneticdipolemomentswithinthematerialThearrangementofthemagneticdipoleswithinthematerial42磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用Polarization（磁極化強(qiáng)度）,JThemagneticpolarisationJ,measuredinTesla,isgivenbyJ=oM,whereo(=1.2366410-6H/m)isthepermeabilityoffreespace.Mincreasesasmoreelectronicmagneticmomentsarealigned.Whenallmagneticmomentsarealignedinthesamedirection,thesaturationmagnetisation(polarisation)Ms

(Js)isachieved.43磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用HowdoesMrespondtoH?ThereisavarietyofwaysthatMrespondstoHResponsedependsontypeofmaterialResponsedependsontemperatureResponsecansometimesdependontheprevioushistoryofmagneticfieldstrengthsanddirectionsappliedtothematerial44磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用Non-linearresponsesGenerally,theresponseofMtoHisnon-linearOnlyatsmallvaluesofHorhightemperaturesisresponsesometimeslinearMtendstosaturateathighfieldsandlowtemperatures45磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用B,H,M,JRelationshipsB(inT)consistsoftwocontributions:onefrommagneticfieldH(A/m),theotherfrommagnetisationM(A/m).Thisleadstooneofthemostimportantrelationsinmagnetism:IfthereisnomagnetizationM…..46磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用MagneticSusceptibility（磁化率）,B=0(H

+M)ReplaceB=

H→

H=0(H

+M) →r0H=0(H

+M) →0M=0(r-1)H →M=

(r

-1)HMagneticSusceptibilityM=H

=r?1,Susceptibility,measuresthematerialresponserelativetoavacuum(Dimensionless)47磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用VariousMagnetismBasedon抗磁性（Diamagnetism）順磁性（Paramagnetism）鐵磁性（Ferromagnetism）亞鐵磁性（Ferrimagnetism）反鐵磁性（Antiferromagnetism）>0,typically10-3-10-5>>1,typically50-104<0,typically-10-7Magneticorderingmaterials48磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用VariousMagnetismDiamagnetsarematerialswhichhavenonetmagneticmomentontheiratoms,becausetheelectronsareallpairedwithantiparallelspins.WhenamagneticfieldHisapplied,theorbitsoftheelectronschangeinaccordancewithLenz’slaw,andtheysetupanorbitalmagneticmomentwhichopposesthefield,andthereforegivesverysmallnegativesusceptibility.Paramagnetsarematerialswhichhaveanetmagneticmomentperatomduetounpairedelectronspins.Inzerofieldthesemagneticmomentsarerandomlyorientedbut,undertheactionofanexternalfieldH,theycanbealignedinthefielddirection.Asaresultofthisalignment,themagnetisationMisparalleltothefieldand,hence,thesusceptibilityispositive.Ingeneral,verylargefieldsareneededtoalignallthemomentsandthereforethesusceptibility,althoughpositive,isverysmall.Orderedmagneticmaterials(>>1,typically50-104)showlarge,intrinsicmagneticmoments,andcanbehaveasiftheywerespontaneouslymagnetised.Varioustypesofmagneticmomentorderinghavebeenobserved:(1)Ferromagnetic;(2)Ferrimagnetic;(3)Antiferromagnetic.49磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用VariousMagnetism50磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用Diamagnetism（抗磁性）Diamagnets

havenonetmagneticmomentontheiratoms,becausetheelectronsareallpairedwithantiparallelspins.拉莫爾進(jìn)動

WhenamagneticfieldHisapplied,theorbitsoftheelectronschangeinaccordancewithLenz’slaw,andtheysetupanorbitalmagneticmomentwhichopposesthefield,andthereforegivesverysmallnegativesusceptibility(磁化率χ<0).M與H的方向相反，所以由此而產(chǎn)生的物質(zhì)磁性稱作抗磁性?？勾判源嬖谟谝磺形镔|(zhì)中，但只有在抗磁性物質(zhì)中才能從宏觀上表現(xiàn)出來，在另外的物質(zhì)中，這種磁性被其他磁性所掩蓋。51磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用Thesusceptibility,isnegativeItdoesnotchangemuchwithtemperatureWhenadiamagneticmaterialisplacednearamagnet,itwillberepelledfromtheregionofgreatermagneticfield,justoppositetoaferromagneticmaterial.Examples:Peopleandfrogsarediamagnetic.

Metalssuchasbismuth,copper,gold,silverandlead,aswellasmanynonmetalssuchaswaterandmostorganiccompoundsarediamagnetic.water,inertgasesTDiamagnetism抗磁性52磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用根據(jù)抗磁性物質(zhì)χ值的大小及其與溫度的關(guān)系可將抗磁性物質(zhì)分為三種類型：1、弱抗磁性例如惰性氣體、金屬銅、鋅、銀、金、汞等和大量的有機(jī)化合物，磁化率極低，約為-10-6，并基本與溫度無關(guān)；2、反?？勾判岳缃饘巽G、鎵、碲、石墨以及γ-銅鋅合金，其磁化率較前者約大10-100倍，Bi的磁化率χ比較反常，是場強(qiáng)H的周期函數(shù)，并與溫度強(qiáng)烈相關(guān)；3、超導(dǎo)體抗磁性許多金屬在其臨界溫度和臨界磁場以下時呈現(xiàn)超導(dǎo)性，具有超導(dǎo)體完全抗磁性，其χ=-1.Diamagnetism抗磁性53磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用VeryhighfieldswouldsaturatemagnetizationHeatingthegaswouldtendtodisorderthemomentsandhencedecreasemagnetizationWhenaparamagneticmaterialisplacednearamagnet,itwillbeattractedtotheregionofgreatermagneticfield,likeaferromagneticmaterial.Thedifferenceisthattheattractionisweak.

Itisexhibitedbymaterialscontainingtransitionelements,rareearthelementsandactinideelements.

Liquidoxygenandaluminumareexamplesofparamagneticmaterials.

Paramagnetism(順磁性)54磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用原子、分子或離子具有不等于零的磁矩，并在外磁場作用下沿軸向排列時便產(chǎn)生順磁性。順磁性物質(zhì)的磁化率χ>0，數(shù)值很小，約為10-3-10-6。順磁性也可以分為三類：

1、郎之萬（Langevin）順磁性包括O2和N2氣體、三價Pt和Pd、稀土元素，許多金屬鹽以及居里溫度以上的鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)。原子磁矩可自由地進(jìn)行熱振動，χ值與溫度有關(guān)，服從居里（Curie）定律：

χ=C/T或居里-外斯（Curie-Weiss）定律：

χ=C/（T+θ）式中：C—居里常數(shù)（K），

T—絕對溫度（K），

θ—外斯常數(shù)（K）1/T(K)θΧ斜率C居里（Curie）定律居里-外斯（Curie-Weiss）Paramagnetism(順磁性)55磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用2、泡利（Pauli）順磁性典型代表物為堿金屬，它們的磁化率相對較前一種為低，并且其值幾乎不隨溫度變化。3、超順磁性在常態(tài)下為鐵磁性的物質(zhì)，當(dāng)呈現(xiàn)為極微細(xì)的粒子時則表現(xiàn)為超順磁性。此時粒子的自發(fā)極化本身作熱運(yùn)動，產(chǎn)生郎之萬磁性行為，初始磁化率隨溫度降低而升高。Paramagnetism(順磁性)56磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用

MisproportionaltotheappliedfieldH=Lim

H→0M/H=C/TCURIE’SLAWPIERRECURIENormalparamagneticsubstancesobeytheCurieLawExamples:Aluminum,platinum,manganese,chromium=C/T1/=T/C1/T

inKParamagnetism(順磁性):Curie’sLaw57磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用強(qiáng)磁性(Magneticorderingmaterials)在強(qiáng)磁性物質(zhì)中，原子間的交換作用使得原子磁矩保持有秩序地排列，即產(chǎn)生所謂自發(fā)磁化。Magneticdomain:原子磁矩方向排列規(guī)律一致的自發(fā)磁化區(qū)域叫做磁疇。存在飽和磁化強(qiáng)度Ms。強(qiáng)磁性物質(zhì)的磁化率χ值是很大的正值，并且易于在外磁場作用下達(dá)到飽和磁化。強(qiáng)磁性可以分為如下三種類型：鐵磁性、亞鐵磁性、弱鐵磁性。58磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用whereqistheanglebetweenspinsandJexistheexchangeintegral.ForJex>0,ferromagneticorderresultsinanenergyminimum;forJex<0,anantiferromagneticalignmentisfavoured.Whenconsideringasolid,itisthennecessarytosumtheexchangeoveralltheelectronswhichcancontributetothisenergy,sothat:ExchangeinteractionExchangeinteractionisresponsibleforthephenomenonofmagneticmomentordering.Itsphysicaloriginisquantum-mechanical.Theexchangeinteractionreducestheenergyassociatedwithparallelalignmentofspins,evenintheabsenceofanexternalfield.Thisresultsinanetmagneticmoment.In1928,Heisenberg[2]showedthatexchangeenergy(Eex)canberepresentedby:59磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用Exchangeinteraction對于磁性物質(zhì)，由于近鄰原子共用電子（交換電子）所引起的磁矩之間的交換作用所產(chǎn)生能量，稱作交換能（Jex），因其以積分形式出現(xiàn)，也稱交換積分。它取決于近鄰原子未填滿的電子殼層相互靠近的程度，并決定了原子磁矩的排列方式和物質(zhì)的基本磁性。i）Jex>0，交換作用使得相鄰原子磁矩平行排列，產(chǎn)生鐵磁性（Ferromagnetism）。ii）Jex<0，交換作用使得相鄰原子磁矩反平行排列，產(chǎn)生反鐵磁性（Antiferromagnetism）。iii）原子間距離足夠大時，Jex值很小時，交換作用不足于克服熱運(yùn)動的干擾，原子磁矩隨機(jī)取向排列，于是產(chǎn)生順磁性（Paramagnetism）60磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用鐵氧體材料具有亞鐵磁性（Ferrimagnetism）,其中金屬離子

具有幾種不同的亞點(diǎn)陣晶格，因相鄰的亞點(diǎn)陣晶格相距太遠(yuǎn)，因此在其格點(diǎn)的金屬離子之間不能直接發(fā)生交換作用，但可以通過位于它們之間的氧原子間接發(fā)生交換作用，或稱超交換作用（Superexchange）。反鐵磁性（Antiferromagnetism）材料中也存在超交換作用。Superexchangeinteraction超交換作用反鐵磁性NiO中的超交換作用61磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用原子磁矩方向一致整齊排列，MaterialsthatretainamagnetizationinzerofieldQuantummechanicalexchangeinteractionsfavourparallelalignmentofmomentsExamples:iron,cobaltFerromagnetism（鐵磁性）62磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用ThermalenergycanbeusedtoovercomeexchangeinteractionsCurietempisameasureofexchangeinteractionstrength原子磁矩的排列為方向一致的整齊排列，隨著溫度的升高，這種排列受熱擾動的影響而愈加紊亂，同時物質(zhì)的自發(fā)磁化強(qiáng)度也愈來愈小。當(dāng)溫度上升到某一定值TC(居里溫度)時，自發(fā)磁化消失，物質(zhì)由鐵磁型轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?。大部分?qiáng)磁性金屬和合金屬于這種磁性。Ferromagnetism（鐵磁性）63磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用MdecreasesrapidlywithHBeyondtheCurietemperatureitbehaveslikeaparamagneticsubstanceExamples:iron,cobalt,nickelBehaveslikeaparamagnetCurieTemperatureTCMdecreasesrapidlywithHFerromagnetism（鐵磁性）64磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用Theinternalexchangeinteractiontriestokeepthemagneticmomentsaligned,butthisorientationcanbedestroyedbyincreasingtemperature.Whenasufficientlyhightemperatureisreachedthethermalenergyovercomestheexchangeenergyandthematerialundergoesanorderedferromagneticphasetoadisorderedparamagneticphase.ThetemperatureisknownastheCurietemperatureTc.TheCurielawstatesthatthesusceptibilityofaparamagnetisproportionaltothereciprocalofthetemperatureT,i.e.whereCisconstant.Toincludethosematerialswhichundergoanorder-disordertransitiontoferromagnetismorferrimagnetismatTc,theaboverelationshipbecomescalledCurie-Weisslaw,whichisageneralisationoftheCurielaw.Ferromagnetism:Curietemperature（居里溫度），TC65磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用Antiferromagnetism（反鐵磁性）Insomematerials,exchangeinteractionsfavourantiparallelalignmentofatomicmagneticmomentsMaterialsaremagneticallyorderedbuthavezeroremnantmagnetizationandverylowManymetaloxidesareantiferromagnetic反鐵磁性物質(zhì)的原子磁矩具有完全相互抵消的有序排列，因而自發(fā)磁化強(qiáng)度為零。在外磁場作用下仍具有相當(dāng)于強(qiáng)順磁性物質(zhì)的磁化率（χ為10-3-10-6），所以這類磁性為弱磁性。Example:CobaltOxides66磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用likeparamagnetsaboveacriticaltemperatureTNcalledNeéltemperature(奈耳溫度).BelowTNissmall&T-dependenceisdifferentfromparamagnets.Thermalenergycanbeusedtoovercomeexchangeinteractions,MagneticorderisbrokendownattheNéeltemperature(c.f.Curietemp)隨著溫度升高，磁矩完全抵消的有序排列受到越來越大的破環(huán)，磁化率χ值也隨之上升。當(dāng)溫度上升到TN時，χ值達(dá)到最大；超過TN，有序排列完全破環(huán)，而轉(zhuǎn)化為順磁性。HeatAntiferromagnetism（反鐵磁性）67磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用根據(jù)原子磁矩排列方式的不同，分為：1）正常反鐵磁性原子磁矩排列為互相平行而大小和數(shù)量相等的兩組。MnO、NiO及FeS等化合物2）螺旋磁性在晶體的一個平面內(nèi)，原子磁矩的排列方向一致，而在相鄰的另一平面內(nèi)，原子磁矩較前一個平面內(nèi)的原子磁矩一致性地旋轉(zhuǎn)了一定的角度，形成螺旋式的旋轉(zhuǎn)。重稀土金屬Tb、Dy、Ho、Er、Tm等具有這種磁性。3）自旋密度波原子磁矩密度（自旋密度）本身具有正旋波調(diào)制結(jié)構(gòu)。在Cr及其合金中存在這種結(jié)構(gòu)。Antiferromagnetism（反鐵磁性）68磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用Ferrimagnetism（亞鐵磁性）AntiferromagneticexchangeinteractionsDifferentsizedmomentsoneachsublatticeresultinnetmagnetization原子占據(jù)兩種或兩種以上的亞點(diǎn)陣。同一種亞點(diǎn)陣上的原子磁矩平行排列，但不同亞點(diǎn)陣間原子磁矩的反平行排列。原子磁矩相加的結(jié)果表現(xiàn)為不等于零的自發(fā)磁化強(qiáng)度MS。由于每種亞點(diǎn)陣的磁化強(qiáng)度隨溫度變化的規(guī)律不同，因而總的磁化強(qiáng)度隨溫度的變化曲線具有不同于鐵磁性的各種特殊形狀，可以分為Q型、P型、R型和N型。Example:magnetite,maghemiteTTcR型P型N型TCOM69磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用Likeferromagnets,buttheeffecttendstobesmaller.The1/curveisveryclosetozerobelowacriticaltemperature,alsocalledNeéltemperature.Examples:magnetite(Fe3O4)andspinelferritesFerrimagnetism（亞鐵磁性）70磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用BPARAmagneticDIAmagneticFERROmagneticFERRImagneticANTIFERROmagneticBComparison（磁場作用）71磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用MagnetizationCurves(磁化曲線)抗磁順磁鐵磁亞鐵磁反鐵磁DIAmagneticFERROmagneticFERRImagneticPARAmagneticANTIFERROmagnetic72磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用磁化率與磁行為類型磁性種類典型的χ值χ隨溫度的變化χ隨場強(qiáng)的變化抗磁性-1×10-6無變化無關(guān)順磁性10-4~10-5減小無關(guān)鐵磁性102~106減小無關(guān)反鐵磁性0~10-2增加有關(guān)Comparison磁化率與磁行為PARAmagnetic>0,r

>1DIAmagnetic<0,r

<1r

=0(superconductors)(r

-1)=→r

=

+1FERROmagnetic>0,r

>>173磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用MagneticdomainsApplyingafieldchangesdomainstructure;Domainswithmagnetizationindirectionoffieldgrow;OtherdomainsshrinkApplyingverystrongfieldscansaturatemagnetizationbycreatingsingledomainFerromagneticmaterialstendtoformmagneticdomains;Eachdomainismagnetizedinadifferentdirection;Domainstructureminimizesenergyduetostrayfields74磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用MagneticdomainsRemovingthefielddoesnotnecessarilyreturndomainstructuretooriginalstateHenceresultsinmagnetichysteresis75磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用MagnetichysteresisMdependsonpreviousstateofmagnetizationRemanentmagnetizationMrremainswhenappliedfieldisremovedNeedtoapplyafield(coercivefield)inoppositedirectiontoreduceMtozero.76磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用Heatingamagnetizedmaterialgenerallydecreasesitsmagnetization.RemnantmagnetizationisreducedtozeroaboveCurietemperatureTcHeatingasampleaboveitsCurietemperatureisawayofdemagnetizingitThermaldemagnetizationEffectoftemperatureonremanentmagnetization77磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用GeneratingauniformmagneticfieldinthelaboratoryAnelectriccurrentrunthroughaconductingcoil(solenoid)generatesauniformfluxdensitywithinthecoil78磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用InsertingaspecimenintothecoilGenerally,theorbitalandspinmagneticmomentswithinatomsrespondtoanappliedmagneticfieldFluxlinesareperturbedbyspecimen79磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用SpecimeninmagneticfieldIfspecimenhasnomagneticresponse,fluxlinesarenotperturbed80磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用“Magnetic”materials“magnetic”materialstendtoconcentratefluxlinesExamples:materialscontaininghighconcentrationsofmagneticatomssuchasiron,cobalt81磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用DiamagneticmaterialsDiamagneticmaterialstendtorepelfluxlinesweaklyExamples:water,protein,fat82磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用MagneticMaterialsROOMTEMPERATURE83磁性材料：原理、工藝與應(yīng)用對于磁學(xué)單位，考慮強(qiáng)度為p1,p2的磁極，其單位為靜電單位（electrostaticunits，esu），那么上式變?yōu)?在cgs單位系統(tǒng)中，力的