第七章7-3磁性物理

第七章磁性物理
7.3 物质的抗磁性和顺磁性根据磁化率大小，物质磁性大致可分为
物质磁性顺磁性
抗磁性
铁磁性
反铁磁性亚铁磁性
7.3.1抗磁性
某些物质当它们受到外磁场H作用后，感生出与（H）方向相反的磁化强度，磁化率 ＜0，这种磁性称为抗磁性。

特征：
所感应的磁矩很小，方向与外磁场相反，即磁化强度M为很小的负值。

相对磁导率μr ＜1，磁化率 ＜0（为负值）。

在抗磁体内部的磁感应强度B比真空中的小。

抗磁体的磁化率χ约为-10-4~10-6数量级，且与温度、磁场无关。

所有材料都有抗磁性。

因为它很弱，只有当其它类型的磁性（原子、离子或者分子的磁性为0）完全消失时才能被观察。

如Bi, Cu, Ag, Au, 超导体一定是抗磁性物质。

7.3.2顺磁性
许多物质在受到外磁场作用后，感生出与磁化磁场同方向的磁化强度，磁化率＞0，但数值很小，约10-2~10-5。

这种磁性称为顺磁性。

具有未填满的电子壳层，所以顺磁性物质有一个固有原子磁矩，但各原子磁矩的方向混乱，对外不显示宏观磁性，在磁化磁场作用下，原子磁矩转向磁场方向，感生出与外磁场方向一致的磁化强度M。

在外磁场中，顺磁性物质显示微弱的磁性。

一般顺磁性物质的磁化强度随磁场变化的磁化曲线M～H是直线，磁化率和温度的关系遵守居里—外斯定律：
C——居里常数
p——顺磁居里温度
顺磁性磁化率随温度变化
7.3.3铁磁性
铁磁性物质只要在很小的磁场作用下就能被磁化到饱和，不但磁化率＞0，而且数值大到10－106数量级，其磁化强度M与磁场强度H之间的关系是非线性的复杂函数关系。

这种类型的磁性称为铁磁性。

通常所说的磁性材料主要是指这类物质。

铁磁性物质只有在居里温度以下才具有铁磁性；在居里温度以上，由于受到晶体热运动的干扰，原子磁矩的定向排列被破坏，使得铁磁性消失，这时物质转变为顺磁性。

7.3.4反铁磁性
在有些材料中，相邻原子或离子的磁矩呈反方向平行排列，结果总磁矩为零，叫反铁磁性。

当T＞T N时，顺磁性
当T＜T N时，磁化率降低，并逐渐趋于定值。

T N——奈耳温度，此时，磁化率存在极大值。

exp：以氧化锰(MnO)为例，
1）O2-离子没有净磁矩，因为其电子的自旋磁矩和轨道磁矩全都对消了
2）Mn2+离子有未成对3d 电子贡献的净磁矩
在MnO晶体结构中，相邻Mn2+离子的磁矩都成反向平行排列，结果磁矩相互对消，整个固体材料的总磁矩为零。

反铁磁性物质有过渡族元素的盐类及化合物，如MnO、Cr2O3、CoO等。

7.3.5亚铁磁性
亚铁磁性是未抵消的反铁磁性结钩的铁磁性。

宏观上：磁性与铁磁性相同，仅仅是磁化率的数量级稍低一些，大约为100一103数量级。

内部磁结构上：与反铁磁性的相似，具有相反排列的磁矩，但相反排列的磁矩不等量。

典型的亚铁磁性材料
尖晶石型铁氧体、石榴石型铁氧体，稀土钴金属化合物和一些过渡族金属、非金属化合物等。

磁性材料的分类
按磁性种类
磁性材料按化学成份
按使用形态软磁材料硬磁材料半硬磁材料旋磁材料矩磁材料压磁材料金属磁性材料非金属磁性材料块体磁性材料粉末磁性材料
薄膜磁性材料
软磁材料：
主要是指那些容易反复磁化，且在外磁场去掉后，容易退磁的磁性材料。

特点：
高磁导率：在较弱的外磁场下就能获得高磁感应强度，并随外磁场的增强很快达到饱和。

低矫顽力：当外磁场去除时，其磁性立即基本消失。

硬磁材料：是指那些难以磁化，且除去外场以后，仍能保留高的剩余磁化强度的材料，又称永磁材料。

（磁铁）
特点：具有高矫顽力。

7.4铁磁性的“分子场”理论
1基本概念
磁畴：自发磁化的小区域，称为磁畴。

各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。

7.4.1 铁磁性
有些物质在放入外磁场中时，感生出和H相同方向的磁化强度，磁化率 >O，但其数值很大，约101～106。

这些物质的磁化曲线M-H是非线性的复杂函数，
反复磁化时出现磁滞现象，这种物质称铁磁性物质。

铁磁性物质的原子不仅有固有原子磁矩，而且磁畴自发平行取向，原子磁矩非常容易朝外磁场方向排列，只要在很小的磁场下就可以感生出很大的磁化强度M。

但是当温度高于称居里温度时，材料的铁磁性将转变成顺磁性，这时磁化率服从居里·外斯定律。

材料是否具有铁磁性取决于两个因素：
(1)原子是否具有由未成对电子，即自旋磁矩贡献的净磁矩(本征磁矩)；
(2)原子在晶格中的排列方式。

exp：未配对的3d电子壳层Fe、Ni、Co、Mn
7.4.2外斯分子场理论
主要内容（Weiss，铁磁性假说）
1）铁磁物质内部存在很强的“分子场”，它使原子磁矩同向平行排列，即自发磁化达到饱和；
2）铁磁体的自发磁化分成若干磁畴，由于磁体中磁畴的磁化方向不一致，所以大块磁体对外不显示磁性。

外斯分子场理论仅是一种唯象理论，没有说明分子场的本质。

7.4.3直接交换作用
1928年海森堡和弗伦克尔
主要内容：在原子组成物质后，当各电子的电子云重叠时，根据量子力学理论可以导出各电子之间存在静电的相互交换作用，引起的交换作用能Eex：
A是交换积分常数，Sa、Sb电子自旋角动量
根据能量最小值的原理，当交换积分常数A为正时，为了使交换能最小，相邻原子间的电子自旋角动量Sa、Sb必须同向平行排列。

这样就导致了铁磁物质相邻磁矩要同向平行排列，这就是自发磁化的起因。

物质具有铁磁性的充要条件：原子磁矩不为零，交换积分常数A>0。

Neel规律（A~a-2r）
a——相邻原子间距；
r——3d或4f电子轨道半径。

a-2r>1, A>0，铁磁性；
a过大，A>0，3d电子云不重叠，交换作用弱，顺磁性；
a过小，A<0，反铁磁性。

7.4.4稀土金属化合物中的间接交换作用
RKKY理论（茹德曼、基特尔、胜谷、良田）在稀土金属中4f电子是局域的，6s电子是游动的。

f电子与s电子发生交换作用，使s电子极化，这个极化了的s电子的自旋对f电子自旋取向有影响；结果形成了以游动的s电子为媒介，使磁性离子的4f电子自旋与相邻的离子的4f电子自旋存在间接交换作用，从而产生自发磁化。

7.5 铁磁体中的磁晶各向异性、磁致伸缩
磁各向异性类型
按其起源物理机制可分为：
1）磁晶各向异性磁性单晶体所固有的
2）磁形状各向异性
反映沿磁体不同方向磁化与磁体几何形状有关的特性。

磁矩取向一致→退磁场→退磁场能（取决于磁体的几何形状，如：由细长微粒组成的磁体、磁性薄膜）→显出很强的形状各向异性
3）磁应力各向异性：
反映磁体内磁化强度矢量取向与应力方向有关的特性。

4）交换磁各向异性
将强磁性的Co微粒表面进行微弱氧化，形成薄层CoO，由于Co是铁磁性的，而CoO是反铁磁性的，在Co与CoO界面就有交换作用，当磁场热处理后，由此引起交换各向异性（做成磁带，录音效果好）。

5）感生磁各向异性
许多铁磁性合金与铁氧体中，通过对磁体施以某种方向性处理的工艺，可以感生出磁各向异性。

7.5.1 磁晶各向异性
1、基本概念
单晶体的磁性各向异性称为磁晶各向异性。

铁磁体在磁化时，外磁场对铁磁体所做的功：
磁化功小的方向称为易磁化方向，磁化功大的方向为难磁化方向。

磁晶各向异性能：饱和磁化强度矢量在铁磁体中取不同方向而改变的能量。

只与磁化强度矢量在晶体中相对的取向有关。

在易磁化轴上，磁晶各向异性能最小。

自旋—轨道相互作用解释磁晶各向异性
磁晶各向异性和晶休场对电子轨道运动的影响有关。

1）电子轨道磁矩产生的磁场对电子自旋运动作用，使轨道和自旋间存在耦合作用；
2）电子轨道平面受晶体场作用能量并被消除；
这两方面的作用叠加在一起，就使得原子磁矩倾向于在晶体的某些方向上能量最低，而在另一些方向上能量高。

原子磁矩能量低的方向为易磁化方向，而能量高的方向为难磁化方向。

在无外磁场作用的平衡状态下，原子磁矩倾向于排列在易磁化方向上。

7.5.2退磁场能
磁性材料被磁化后，材料内部的总磁场H小于外磁场He。

原因：
非闭合的磁性材料被磁化后在其端面将会有正负磁荷出现，这些磁电荷将在材料内外产生一个退磁场Hd，Hd的方向和He相反，削弱外电场。

退磁场的计算
Hd和材料的磁化强度M、材料的形状成正比：
Hd= -NM
N——退磁因子
退磁场越大，材料磁化越不容易。

所以在磁路设计和磁性测量中，必须考虑退磁场的影响，尽量降低退磁场。

7.5.3 磁致伸缩
1、定义
铁磁晶体在外磁场中磁化时，其形状与体积发生变化，这种现象叫磁致伸缩。

磁致伸缩的三种表现：
线磁致
体积磁致伸缩：铁磁体被磁化时其体积大小的相对
纵向磁致伸缩：沿磁场方向尺寸大小的相横向磁致伸缩：垂直于磁场方向尺寸大小
伸缩变化。

对变化。

的相对变化。

{{
磁致伸缩系数λ
磁致伸缩的大小与外磁场的大小有关.
在外磁场H达到饱和磁化场时，纵向磁致伸缩为一确定值 λs——饱和磁致伸缩系数。

不同的材料其λs是不同的:
1）λs>0，正磁致伸缩：沿H方向伸长，沿垂直于H 方向缩短。

2）λs<0，负磁致伸缩：沿H方向缩短，沿垂直于H 方向伸长。

λs的数量级：10-3~10-6；达到10-3就称为巨磁致伸缩材料。

λs 与T 的关系
随T 的不同而变化，是温度的函数关系。

T →Tc 时，磁致伸缩消失即λs=0 。

s
λFe 单晶的曲线)(T λ
磁弹性能E：当材料中存在内应力或外加应力时，磁致伸缩和应力相互作用，与此有关的能量称为磁弹性能E 。

7.6 畴壁和磁畴结构
磁畴：铁磁质中由于原子的强烈作用，在铁磁质中形成磁场很强的小区域——磁畴。

磁畴的体积约为10-6~10-3cm3。

每小区域包含的原子数：1017~1021.
畴壁：畴壁是相邻两磁畴间磁矩按一定规律逐渐改变方向的过渡层。

畴壁有一定的厚度。

畴壁类型：按畴壁两侧磁矩方向的差别分：90度、180度畴壁
7.6.1 磁畴壁
根据原子磁矩转变的方式，可将畴壁分为布洛赫壁和奈尔壁。

1、布洛赫壁（Bloch walls）
畴壁内的磁矩方向改变时始终与畴壁平面平行，一般在大块的铁磁性材料内存在布洛赫壁。

2、奈尔壁（Neel walls）
当铁磁体厚度少到相当于二维的情况，即厚度为1—102nm的薄膜时，则畴壁的磁矩始终与薄膜表面平行的转变，这种畴壁称奈尔壁。

畴壁能E
畴壁是高能区域，原因：
1）畴壁内部的原子磁矩不再相互平行，磁矩间的交换作用能就有所提高。

2）在畴内磁矩偏离了易磁化方向，磁各向异性能也有所提高。

畴壁内高于磁畴内的能量差值称为畴壁能Eω。

畴壁单位面积的能量称为畴壁能量密度γω。

畴壁厚度：
畴壁能密度：
材料内存在内应力时：
K1：磁晶各向异性常数；a：点阵常数；A：交换积分常数：s：自旋角动量； λs：饱和磁致伸缩系数； σ：应力。

7.6.2 磁畴
磁畴结构的影响因素
畴壁能
E ω
磁晶各向异性E k
磁弹性能E σ
退磁场能E d 决定畴的形状、尺寸、性能铁磁体分成畴的动力
实际材料的畴结构，还要受到材料的尺寸、晶界、应力、掺杂和缺陷等的影响，因此实际材料的畴结构是相当复杂的。

7.6.3 单畴结构
有些材料是由很小的颗粒组成的。

若颗粒足够小，整个颗粒可以在一个方向自发磁化到饱和，成为一个磁畴——这样的小颗粒称为单畴颗粒。

对于不同的材料有不同的临界值，在临界值以上的颗粒出现多畴，在临界值以下出现单畴。

单畴颗粒内无畴壁，不会有畴壁位移磁化过程，只能有磁畴转动磁化过程。

这样的材料，其磁化与退磁均不容易，具有较低的磁导率与高Hc——即永磁材料
附：几种新型的磁性材料
1、非晶态磁性材料
与晶态相比，具有高强度、高耐腐蚀性与高电阻率、高磁导率、低损耗的特性。

三大类：
（1）过渡金属－类金属非晶合金，主要包括铁基非晶合金、铁镍基非晶合金和钴基非晶合金；
（2）稀土－过渡族非晶合金，如TbFeCo、GaTbFe 等；
（3）过渡金属－过渡金属非晶态合金，如FeZr、CoZr等。

2、纳米磁性材料
特性：超顺磁性，如无磁滞，高磁导率，低损耗、高饱和磁化强度等
原因：与磁相关的特征物理长度恰好处于纳米量级；
例如：磁单畴尺寸，超顺磁性临界尺寸，交换作用长度，以及电子平均自由路程等大致处于1-100 nm量级。

当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现反常的磁学性质。

3、磁性液体
美国国家航空与航天局的S．Papell采用油酸为表面活性剂，把它包覆在超细的四氧化三铁微颗粒上(直径约为10nm)，并高度弥散于煤油(基液)中，从而形成一种稳定的胶体体系。

在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的液体一起运动，好象整个液体具有磁性，因此，取名为磁性液体。

主要特点： 1.在磁场作用下，可以被磁化； 2.具有液体的流动性，可以运动。

3.在静磁场作用下，磁性颗粒将沿着外磁场方向形成一定有序排列的团链簇，从而使得液体变为各向异性的介质。

4、电磁炉的原理
电磁炉的内部有一个金属线圈，当电流通过线圈时，会产生磁场。

这一随时间变化的磁场导致在金属煲内产生一感应电场。

金属煲内的电子受电场影响进行运动。

由于有电阻，电子运动时会放出大量热能，这些热能便可用作煮食。

金属煲的电阻必须足够大，才能产生足够的热量，所以一般只能选用铁和不不锈钢煲，铜煲就不大可能，更不能用玻璃、陶瓷、塑料等。

小结：
1）基本磁学量：磁化强度、磁感应强度、磁化率、磁导率
2）根据磁性强弱，物质分为：抗磁性、顺磁性、铁磁性、亚铁磁性和反铁磁性
3）物质磁性的来源：原子磁矩（电子轨道磁矩+自旋磁矩）
4）铁磁性物质的基本特征：自发磁化和磁畴
5）分子场理论
6）铁磁体的性能：磁晶各向异性、磁弹性能、退磁场能。