第四章材料的传导性和磁性(二)PPT课件
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第四章材料的磁学优秀课件
不同磁性物质磁性的异同点
磁特性
原子磁矩μJ 相对磁导率μr 磁化率χ
抗磁性
μJ = 0 ＜1 -10-5～-10-6
交换积分常数A
磁化曲线 饱和磁化场 HS/A·m-1 磁性强弱
0 线性 无限大 弱
顺磁性 μJ ≠ 0 ＞1 10-4～10-5
约0 线性 ＞1010 弱
反铁磁性
铁磁性
μJ ≠ 0 ＞1
第四章材料的磁学
在真空中：
B0 0H
每个电子的自旋磁矩近似等于一个Bohr磁子。
动画
以上五种磁性类型的原子磁距分布特点
磁化强度M和磁场强度H之间的关系
•抗磁性物质：Bi、Zn、Ag、Mg等金属，Si、P、S等非金属， 许多有机高聚物及惰性气体； •顺磁性物质：Al、Pt、La等，稀土金属、铁族元素的盐类； •铁磁性物质：Fe、Co、Ni、Y、Dy等 •反铁磁性物质：Mn、Cr，部分铁氧体如ZnFe2O4，和某些 化合物MnO、CoO、FeF2等。 •亚铁磁性物质：尖晶石型晶体、石榴石型晶体等几种结构类 型的铁氧体。
磁畴的转向
在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁质不显 磁性；
在外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场 迅速增加，在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。
磁化曲线与磁畴的关系
H增加，磁域界移动，磁域逐渐 改变，磁矩方向转向，渐与磁场 平行，单一磁域（饱和磁化）
磁滞回线与磁畴的关系
动画
此时，吉布斯函数是温度、压力和磁场的函数。
有
：
G T
H , P
S
G H
T , P
0M
G P
T ,H
V
知道了G,即可求出磁化强度。
磁性材料的认识与应用(PPT)
磁畴结构
磁性材料内部自发形成的、具有一定磁化特性的区域。不同的磁畴具有不同的 磁矩方向和大小，导致宏观上表现出不同的磁性。
磁导率与磁阻
磁导率
描述磁性材料在磁场中磁感应强度与磁场强度的比值，是衡量材料导磁性能的重 要参数。
磁阻
由于磁性材料的磁畴结构、晶格畸变等因素导致的磁感应强度在材料内部传播时 的衰减，表现为磁阻抗。
磁性材料的发展趋势
高性能磁性材料
随着技术的进步，对磁性材料性能的要求越来越高，高性能磁性材料的研究和开发成为 未来的发展趋势。
环保型磁性材料
随着环保意识的提高，环保型磁性材料的研发和应用越来越受到重视，如可回收利用的 磁性材料等。
磁性材料的应用前景
电子行业
磁性材料在电子行业中应用广泛，如电 子元器件、传感器、电机等，随着电子 行业的快速发展，磁性材料的应用前景 十分广阔。
交通工业
磁性材料在交通工业中主要用于轨道交通、汽车制造等领 域，如磁悬浮列车、磁力轴承等。磁性材料具有高磁导率 、高磁感应强度等特点，能够提供稳定的磁场环境，确保 交通工具的安全性和稳定性。
磁性材料在交通工业中还应用于传感器、执行器等新兴领 域，为交通工业的发展提供了新的机遇。
医疗领域
磁性材料在医疗领域中主要用于磁共 振成像、磁疗等新兴领域。磁性材料 能够产生稳定的磁场环境，有助于提 高医疗设备的诊断准确性和治疗效果。
磁性材料的分类
软磁材料
矫顽力低，磁导率高，饱和磁感 应强度大，易于磁化和去磁，适
用于制造变压器、电机等。
硬磁材料
矫顽力高，剩磁和矫顽力均大 ，适用于制造永磁体，如扬声 器、耳机等。
矩磁材料
具有矩形磁滞回线，常用于计 算机存储器等。
磁性材料内部自发形成的、具有一定磁化特性的区域。不同的磁畴具有不同的 磁矩方向和大小，导致宏观上表现出不同的磁性。
磁导率与磁阻
磁导率
描述磁性材料在磁场中磁感应强度与磁场强度的比值，是衡量材料导磁性能的重 要参数。
磁阻
由于磁性材料的磁畴结构、晶格畸变等因素导致的磁感应强度在材料内部传播时 的衰减，表现为磁阻抗。
磁性材料的发展趋势
高性能磁性材料
随着技术的进步，对磁性材料性能的要求越来越高，高性能磁性材料的研究和开发成为 未来的发展趋势。
环保型磁性材料
随着环保意识的提高，环保型磁性材料的研发和应用越来越受到重视，如可回收利用的 磁性材料等。
磁性材料的应用前景
电子行业
磁性材料在电子行业中应用广泛，如电 子元器件、传感器、电机等，随着电子 行业的快速发展，磁性材料的应用前景 十分广阔。
交通工业
磁性材料在交通工业中主要用于轨道交通、汽车制造等领 域，如磁悬浮列车、磁力轴承等。磁性材料具有高磁导率 、高磁感应强度等特点，能够提供稳定的磁场环境，确保 交通工具的安全性和稳定性。
磁性材料在交通工业中还应用于传感器、执行器等新兴领 域，为交通工业的发展提供了新的机遇。
医疗领域
磁性材料在医疗领域中主要用于磁共 振成像、磁疗等新兴领域。磁性材料 能够产生稳定的磁场环境，有助于提 高医疗设备的诊断准确性和治疗效果。
磁性材料的分类
软磁材料
矫顽力低，磁导率高，饱和磁感 应强度大，易于磁化和去磁，适
用于制造变压器、电机等。
硬磁材料
矫顽力高，剩磁和矫顽力均大 ，适用于制造永磁体，如扬声 器、耳机等。
矩磁材料
具有矩形磁滞回线，常用于计 算机存储器等。
磁性材料基础知识-ppt课件
求其轴线上一点 p 的磁感强度的方向和大小.
Idl
r
dB
B
o
R
p B
x
*
x
I
dB 0
4π
Idl r2
解: 根据对称性分析
毕奥—萨伐尔定律的应用2
Idl
sin R
R
o
r
x
dB
*p x
r2 R
B0I
4π
r 2 x2
sindl
l r2
dB x
dB 0
4π
Idl r2
dB xdsBin4 π 0Isri2 n dl
0I dl
2πR l
I B
dl
oR
l
l 设 l 与 I 成右螺旋
关系
3.3 安培环路定理-应用
求载流螺绕环内的磁场 （已知 n N I）
1） 对称性分析；环内 B 线为同心圆，环外 B 为零.
2 ）选 回路(顺时针圆周) .
lB d Bl 2 0π NR I B 0 NI
2π R
d
令L2πRB0NIL
内部交流报告
磁性材料基础知识
提纲
1 磁性材料的发展简史
2 磁学基本常识
磁性来源 磁学基本概念 磁性材料分类
3 电磁学主要定律-恒稳/交变磁场
4 磁性材料性能分析
5 磁性材料应用实例
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
一、磁性材料发展简史（续）
• 1946年 Bioembergen发现NMR效应 • 1948年 Neel建立亜铁磁理论
(优质文档)磁性材料PPT演示课件
硬磁材料
永磁材料种类
铝镍钴系硬磁合金 硬磁铁氧体材料 稀土永磁材料
可加工的永磁合金 永磁材料用途：硬磁材料主要用来储藏和供给 磁能，作为磁场源。硬磁材料在电子工业中广 泛用于各种电声器件、在微波技术的磁控管中 . 29 亦有应用
永磁材料的退磁曲线和磁能曲线
.
30
可加工的永磁合金
在淬火态具有可塑性，可以进行各种机械加 工。合金的矫顽力是通过塑性变形和时效 (回火)硬化后得到的 四个主要系列
湿法，如电镀和化学镀 干法，如溅射法、真空蒸镀法及离子喷镀法
. 5
其他磁性材料
超磁致伸缩材料
磁致伸缩现象：铁磁性材料在磁场中被磁化时，沿外磁 场方向其尺寸会发生微小变化 一般材料的磁致伸缩系数：30～60×10-6 超磁致伸缩效应：（1～2）×10-3 超磁致伸缩材料与压电陶瓷的性能比较
铝镍钴系硬磁合金
按成分分类：铝镍型，铝镍钴型，铝镍钴钛型三种 铝镍钴型合金具有高的剩余磁感应强度 铝镍钴钛型则以高矫顽力为主要特征 铸造铝镍钴系合金从织构角度可划分为各向同性合 金，磁场取向合金和定向结晶合金三种 逐渐被永磁铁氧体和稀土永磁合金被取代。但在对 永磁体稳定性具有高要求的许多应用中，铝镍钴系 永磁合金往往是最佳的选择。 铝镍钴合金广泛用于电机器件上，如发电机，电动 机继电器和磁电机；电子行业中的扬声器，行波管， . 33 电话耳机和受话器等
. 3
磁记录材料
磁记录材料
磁头材料
磁头的基本结构 基本功能：写入、读出 磁头材料得到基本性能要求：高的磁导率、高的饱和 磁感应强度、高的电阻率和耐磨性 常用的磁头铁芯材料：合金、铁氧体、非晶态合金、 薄膜磁头材料
. 4
磁记录材料
磁性材料ppt课件
磁性是自然科学史上最古老的现象之一
磁性材料是最早被人类认识和利用的功能材料，伴随了人类 文明的发展。 人类对于磁性材料的最初认识源于天然磁石。 公元前三世纪《管子》：“上有慈石者，下有铜金。” 《吕氏春秋》九卷精通篇：“慈招铁，或引之也。”
磁铁矿(Fe3O4) 或磁赤铁矿(γ-Fe2O3)
指南针——磁性材料的最早应用
物质磁性:
物质放入磁场中会表现出不同的磁学特性，称为物质的磁性。
4. 材料磁性的分类及应用
（1） 物质磁性的分类
按物质在磁场中的表现：磁化率的正负、大小及其与温度 的关系来进行分类， 在晶状固体里，共发现了五种主要类型的磁结构物质，它 们的形成机理和宏观特征各不相同，对它们的成功解释形成 了今天的磁性物理学核心内容。 70 年代以后——非晶材料和纳米材料——新的磁性类型，
➢
W. Gilbert 《De Magnete》磁石，最早的著作
➢18世纪 奥斯特 电流产生磁场
➢
法拉弟效应 在磁场中运动导体产生电流
➢
安培定律 构成电磁学的基础, 开创现代电气工业
➢1907年 P. Weiss的磁畴和分子场假说
➢1928年 海森堡模型，用量子力学解释分子场起源
➢1931年 Bitter在显微镜下直接观察到磁畴
基本特征是存在一个磁性转变温度，在此点磁化率温度关系 出现峰值。
文献中也绘成磁化率倒数和温度关系的：
1磁
化 率
表
现
复
杂
Tp
TC
T (K )
铁磁性 T p TC
低温下表现为反铁磁性的物质，超过磁性转变温度
（一般称作Neel温度）后变为顺磁性的，其磁化率温度
关系服从居里-外斯定律： = C
磁性材料及其应用ppt课件
消费类电子产品领域 微型马达 扬声器 耳机 麦克风
电器领域
便携式电动工具电机 家用电器 电机
工业自动化领域 磁耦合器 伺服电机
工业产品领域
磁分离器 磁起重设备
ppt课件
15
☆新型磁性材料的分类：
永磁材料 软磁材料 磁记录材料 特殊功能的磁性材料
磁弹性材料
磁电阻材料
磁制冷材料
磁流体
ppt课件
ppt课件
31
磁记录媒体的分类：
磁带 磁盘 磁卡
ppt课件
32
ppt课件
33
磁带结ppt构课件 图示
34
ppt课件
35
磁盘结构
磁记录介p质pt课件 磁头
36
4.4 Mbyte IBM RAMAC 1955 2 kbits/in2 50x24” dia disks
80 Gbyte
Seagate U series 2001
22
各种规格的圆片形烧结NdFeB 永磁材料
各种未经表面保护处理的烧结 NdFeB永磁材料
尺寸范围：外径Ф2mm－Ф160mm；
厚度：0.3mm－60mmppt课件
23
喷涂处理的烧结NdFeB永磁体
各种管状烧结NdFeB永磁材料 尺寸范围：
外径：
ppt课件 Ф3mm~Ф160mm；
24
圆柱形的烧结NdFeB永磁体
磁导率用来表示媒介质导磁性能的物理量，用 表示。
的单位是：亨利/米(H/m)。 不同的物质磁导率不同。
在相同的条件下， 值越大，磁感应强度 B 越大，
磁场越强； 值越小，磁感应强度 B 越小，磁场越弱。
真空中的磁导率是一个常数，用 0 表示 0 = 4 107 H/m
材料的磁性能与磁性功能材料幻灯片PPT
磁畴壁示意图
居里温度：对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温
度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温度 Tc，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动， 原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下，原子磁 矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性的。
应用举例：〔电饭煲的控制〕
磁学根本概念：
材料的磁性能与磁性功能 材料幻灯片PPT
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磁学初步认识：
• 磁学现象的两个根本命题：
3、铁磁体，χ为很大的正数，在较弱磁场作用下可 以产生很大的磁化强度，如铁、钴、镍。
4、亚铁磁体，χ处于铁磁体与顺磁体之间，即通常 所说的磁铁矿、铁氧体等。
5、反铁磁体， χ为小正数，高于某一温度时其行为 与顺磁体相似，低于某一温度磁化率与磁场的取向有 关。
铁磁性材料 M
亚铁磁性材料
顺铁性材料 反铁磁性材料 H
• 1 磁及磁现象的根源是电流，或者说是电 荷 的运动。
• 2 所有的物质都是磁性体
电流(或运动电荷)
磁场 电流(或运动电荷)
安培分子电流学说： 组成磁铁的每个分子都具有一个小的分 子电流，经过磁化的磁铁其小分子电流 都定向规那么排列。
现代科学认为物质的磁性来源于组成物质中 原子的磁性： 1 原子中外层电子的轨道磁矩 2 电子的自旋磁矩 3 原子核的核磁矩
抗铁磁性材料
五种磁体的磁化曲线示意图
磁饱和性
磁性物质因磁化产生的磁场是不会无限制增加的，当 外磁场(或鼓励磁场的电流)增大到一定程度时，全部 磁畴都会转向与外场方向一致。这时的磁感应强度将 到达饱和值。
第四章材料的传导性和磁性(一)精品PPT课件
的一定电阻值；
一、基本概念回顾：费米面、态密度、Fermi分布函数
—— 固体中有N个自由电子 按照泡利原理它们基态 —— N个电子由低到高填充的N个量子态
电子的能级
E(k )
2k 2
2m
—— 电子填充k空间半径为kF的球
——
球内的状态数
N
2
V
(2 )3
4 3
k
3 F
——
球内的状态数
N
2
V
(2
)3
当T=0K时，ns=n，所有电子都变成超导电子；随着温度的升高，超导电子减 少；当T=Tc时, ns=0，所有电子都变成正常电子。
二流体模型可以说明零电阻特性。当T<Tc时超导电子出现，由于它们不被散 射，因而具有无限大的电导率；金属内不能存在电场，正常电子不负载电流， 从而导致整个样品显示无限大的电导率。
4.2 超 导 性
一、超导体的基本特性
1、零电阻效应
正常导体的电阻率： o 1 t
1913年获诺贝尔物理学奖
1911年荷兰物理学家昂 尼斯（H.K.Onnes 1853—1926）发现，汞 在 Tc = 4.2K 时，其电阻
率 →0，汞的这种现象
称为“超导现象”。Tc 称为“转变温度”
2、完全抗磁性，迈斯纳效应
• 0 (t) ——称：马其阿斯定律。
• Cu-Ni 合金的电阻与温度的依赖关系，表明马其斯定律成立。
• 纯金属中的 0 值称为：剩余电阻，是金属纯度的标准。特别是 300K（室温）时的 300 和 0 之比，记作 RRR（residual resistivity
ratio），用来表示金属晶体纯度的指标。特意精炼的纯金属的 RRR 值达到 104~105 水平。
一、基本概念回顾：费米面、态密度、Fermi分布函数
—— 固体中有N个自由电子 按照泡利原理它们基态 —— N个电子由低到高填充的N个量子态
电子的能级
E(k )
2k 2
2m
—— 电子填充k空间半径为kF的球
——
球内的状态数
N
2
V
(2 )3
4 3
k
3 F
——
球内的状态数
N
2
V
(2
)3
当T=0K时，ns=n，所有电子都变成超导电子；随着温度的升高，超导电子减 少；当T=Tc时, ns=0，所有电子都变成正常电子。
二流体模型可以说明零电阻特性。当T<Tc时超导电子出现，由于它们不被散 射，因而具有无限大的电导率；金属内不能存在电场，正常电子不负载电流， 从而导致整个样品显示无限大的电导率。
4.2 超 导 性
一、超导体的基本特性
1、零电阻效应
正常导体的电阻率： o 1 t
1913年获诺贝尔物理学奖
1911年荷兰物理学家昂 尼斯（H.K.Onnes 1853—1926）发现，汞 在 Tc = 4.2K 时，其电阻
率 →0，汞的这种现象
称为“超导现象”。Tc 称为“转变温度”
2、完全抗磁性，迈斯纳效应
• 0 (t) ——称：马其阿斯定律。
• Cu-Ni 合金的电阻与温度的依赖关系，表明马其斯定律成立。
• 纯金属中的 0 值称为：剩余电阻，是金属纯度的标准。特别是 300K（室温）时的 300 和 0 之比，记作 RRR（residual resistivity
ratio），用来表示金属晶体纯度的指标。特意精炼的纯金属的 RRR 值达到 104~105 水平。
第四章：材料的传导性和磁性(二)
3）原子核的磁性和穆斯堡尔效应
N rN h 0e
2M h
• 原子核的磁矩单位为核玻尔磁子
4.6 原子间的磁相互作用
一、交换关联作用
中心问题：原子自旋排列产生的原子磁矩如何相互作用？对磁性起源的意义。
自旋矢量S1 , S 2 H 2 JS1 S 2 J 海森堡交换积分 ； H邻近原子的两个电子的 交换能
自然界中很多物质都是抗磁性物质：周期表中三分之一的元素、绝大多数 的有机材料和生物材料都是抗磁性物质。 包括：稀有气体，多数非金属和少数金属：Si,Ge,S,P等
2. 顺磁性（Paramagnetism）
这是19世纪后半叶就已经发现并研究的另一类弱磁性。它 的最基本特征是磁化率为正值且数值很小。 1 0 顺磁性物质的磁化率是温度的函数，一部分服从居里定律， 更多的服从居里-外斯（Curie-Waiss)定律。
2 j 1
共
个(一般情况下)。
当原子处于外磁场中时，由于原子磁矩和外加磁场的相互作用， 原子的能级分裂为层，因此谱线也将分裂，这就是塞曼效应。
三、晶体的磁性
• 核的质量 >> 电子的质量，所以只有在超低温时才考滤核的磁性
1）多电子原子的磁性
• 孤立原子的核外电子的排布按照泡利原理和洪德定则进行，保证
4. 反铁磁性（antuferromagnetism) 反铁磁性是1936年首先由法国科学家Neel从理论上预言、 1938年发现，1949年被中子实验证实的，它的基本特征是存在 一个磁性转变温度，在此点磁化率温度关系出现峰值。
1
磁 化 率 表 现 复 杂
Tp
TC
铁磁性
T (K )
Tp TC
材料的磁性PPT课件
微观环形电流，同时也得到了附加的磁矩。
按照楞次定律：该环形电流所产生的磁矩与外磁场方向相
反，由此而产生的物质磁性称作抗磁性。它无例外地存在于
一切物质中，但只有原子核磁矩为零的物质才可能在宏观上
表现出来，并称这种物质为抗磁性物质。在另外一些物质中，
这种磁性往往被更强的其他磁性所掩盖。
如上所述，在外磁场作用下，原子产生与外磁场方向相反
存在反铁磁体转变的顺磁体： 过渡族金属及其合金或它们
的化合物属于这类顺磁体。它们都有一定的转变温度，
称为反铁磁居里点或尼尔点，以TN表示。当温度高于TN
时，它们和正常顺磁体一样服从居里-外斯定律，且△＞
0；当温度低于TN时，它们的χ随T下降，当T→OK时，
χ→常数；在TN处χ有一极大值，MnO、MnS、NiCr、
.
17
正常顺磁体： 与温度有极强的依赖关系
TP；顺磁 居里温度
= C/T
(Curie law)
= C/(T-TP) (Curie-Weiss law)
常见的顺磁体有：稀土金属和铁族元素的盐类。
磁化率与温度无关的顺磁体：碱金属Li、Na、K、Rb属于 此类，它们的χ=10-7～10-6，其顺磁性是由价电子产生 的，由量子力学可证明它们的χ与温度无关。
.
27
2.交换作用
交换作用是指处于不同原子的、未被填满壳层上的电子
之间发生的特殊相互作用。在晶体内，参与这种作用的电子
已不再局限于原来的原子，而是“公有化”了，原子间好象
在交换电子，故称为交换作用。由这种交换作用所产生的交 换能A与晶格的原子间距有密切关系(图)。当原子间距离很 大时，A接近于零,随着距离的减小,相互作用增加。当原子 间距a与未被填满的电子壳层的直径D之比大于3时,交换能为 正值,材料呈现铁磁性;当 a/D<3时,交换能为负值,材料呈现反 铁磁性。
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磁性材料分类:
(1)顺磁性:x>0, 如铝
(2)抗磁性x<0原子自旋反向排列
(3)铁磁性:原子自旋同向排列.磁畴内部自旋自发磁化. 原子自旋反向大小不同-亚铁磁性
角动量量子化:
n l=0,…n-1
角动量量子数:-l,…0…l;单位 h/2
自旋量子数s
一、原子的磁性
原子磁矩来源于未填满的那些壳层中的电子
• 用变化后的电子排布分别对各电子轨道和自旋求和，也可得总角 动量，进而得到晶体的总磁动量。
• 对于 3 d 过渡元素，晶体场对强烈影响使轨道角动量消失，只有 电子的自旋对晶体磁性有贡献。
• 对于 4f 的稀土元素，由于 4f 电子处于内层轨道，不受晶体场的 影响，轨道角动量依然起作用，使表现出磁的各向异性。
3）原子核的磁性和穆斯堡尔效应
N rNh2M 0eh • 原子核的磁矩单位为核玻尔磁子
4.6 原子间的磁相互作用
一、交换关联作用
中心问题：原子自旋排列产生的原子磁矩如何相互作用？对磁性起源的意义。
自旋矢量 S1,S2 H 2JS1 •S2
J 海森堡交换积； 分
H邻近原子的两个电交子换的能
理解要点：
材料物理导论
第四章：材料的传导性和磁性（二）
2009 年 2 月
§1.4 磁性
4、磁 性
（0）磁现象
• 在磁性材料上增加正 向磁场，会被磁化；
• 退去磁场，材料会留 的剩磁；
• 反向增加磁场，剩磁 才会消失。
• 材料磁的来源是什么?
材料的传导性和磁性（二）
磁致回线
4.4 磁性
0.基本概念回顾：
磁化强度 M H
原子总能最低。电子排布好后，分别对各电子轨道和自旋求和，
得总角动量： JLS li si
通过对 g 因子测
• 原子的总磁矩等于核外电子的总磁矩：
定，可判断对原 子磁性起作用的
M g B J/h
是轨道还是自旋
• 其中 g 称朗道因子或 g 因子： g3S2L2
2 2J2
多电子系统的原子变化： 服从泡利原理：即用同一量子数 nn，l，ml，ms 确定的状态中只能有一
比较： l
e 2m
L
s
e m
S
J
g
e
J
2m
得： gl 1
gs 2
二、原子在外磁场中的附加能量
一个具有磁矩的原子处在外磁场中时，将具有附加的能量：
E J B J Bcos(J B)
J Bcos(J
B)
g
e 2m
BJ
cos(J
B)
g
e 2m
BJz
其中：
Jz
J cos(
共 2 j 1 个 (一 般 情 况 下 )。
当原子处于外磁场中时，由于原子磁矩和外加磁场的相互作用， 原子的能级分裂为层，因此谱线也将分裂，这就是塞曼效应。
三、晶体的磁性
• 核的质量 >> 电子的质量，所以只有在超低温时才考滤核的磁性
1）多电子原子的磁性
• 孤立原子的核外电子的排布按照泡利原理和洪德定则进行，保证
个电子存在。 洪德规则： 1、自旋角动量 S 取最大值时的电子排列能量最低； 2、S 最大中，轨道角动量 L 变成最大值的电子排列能最低。 3、当支壳层不到半满时，取J=|L-S|;当正好或超过半满时取 J=L+S 解释与讨论：高自旋态与能量最低？
2）晶体的磁性（讨论）
• 晶体中的原子由于受到晶体场的作用，能级发生分裂，电子的排 布及自旋状态会发生变化。
磁化率 M / H 0 M / B
磁感应强度 B 0 H
磁导率
磁矩
磁力矩
1
T
IS
B、
静磁能
：U
•
B
B
cos
电子轨道运动磁矩
l
e 2m
l
rl
r e 称为旋磁比 2m
自旋磁矩
s
e m
s
原子原 环子 绕核 原子 中 质 核子 子 运— — 动— — 的不 带 电带 正 子电 电自 轨旋 道磁 磁矩 矩
1）核外电子的磁性（单电子的磁矩）
总轨道磁矩：l
li
i
2emi Li
e
L
2m
总自旋角动量：S Si
i
总自旋磁矩：s
si
i
me i Si
e
S
m
总角动量：J LS
总磁矩：
l
s
e
(L 2S)
2m
e
(J
2m
S)
可见总磁矩 和总角动量J 并不反向。
B e2 m e 0 .9 2 7 3 1 1 0 2 3 A m 2 ,— — 波 尔 磁 子
材料磁性规律：
所有原子的子壳层，分填满与不填满两种情况： 一般情况内部子壳层填满，外面的子壳层不满； 过渡元素——都有一个不满的内部子壳层。所以过渡族金属元素
具有强的磁性。 • 物质的磁性来源于未填满的壳层！ • 即磁性材料必须有未填满的内部子壳层！ • 如：含有 3 d（Fe 族过渡元素）4 f 过渡层（稀土）
（1）交换能的来历、自旋取向与能量变化。 洪德规则起源。 （2）J值与原子间距、原子相互作用 （3）自旋电子密度波 （4）磁性与自旋关系
自旋反平行
自旋平行
该图取自《材料科学导论》（2002）p273
二、磁体的分子场理论
U m i H m i H cos i
m ( ) g B M j
J,B)
MJ
h 2
，为角动量在外场方向的分量，是量子化的。
M J j, j 1, j ， 共 2 j 1 个 。
Lz
ml
h 2
m l l, l 1, l ， 共2l 1 个
Sz
ms
h 2
ms
1 2
，共2s 1
个，s
1 2
E
g e BM 2m
J
h 2
M J gB
he 4m
M J gB B
原子的有效磁矩
J
守恒，
绕
J
旋进，不守恒。
将
分解成两个分量：
J
：与
J
反平行，沿
J
的反向沿长线。
J
：与 J 垂直，一个周期内的平均值为 ：有效磁矩
0。
Байду номын сангаас
J l cos(L, J ) s cos(S, J )
e
L cos(L, J )
e
S cos(S, J )
2m
m
余弦定理： L2 J 2 S 2 2JS cos(S , J )
U i g BM jH
S 2 J 2 L2 2JL cos(L, J )
J
e 2m
1 2J
(J 2
L2
S2)
e m
1 2J
(J 2
S2
L2 )
e 2m
J (1
J
2
L2 2J 2
S
2
)
g
e 2m
J
•
核外电子磁动量（磁矩)
J
g
e 2m
J
g ：朗德因子
g
1
J 2 L2 S 2 2J 2
1
j( j 1) l(l 1) s(s 1) 2 j( j 1)