《材料的磁性能》PPT课件
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磁性功能材料(ppt 72张)
χ ：10-2-10-4
反铁磁性物质的磁结构及磁化率随温度的变化
反铁磁性：
磁化率和温度的关系在涅耳点(TN)有一转折。在TN点以下 为反铁磁性,χ 随温度升高而升高。在TN以上，χ随温度 升高而下降，表现如顺磁性行为。 反铁磁性物质中有A、B两个次晶格，其原子磁矩反平行 排列，且大小相等，自发磁化强度相互抵消，总磁矩为零。
抗磁性
物 质 磁 性 分 类 与外加磁 场的关系 顺磁性 反铁磁性 亚铁磁性 铁磁性
⑴ 抗磁性
χ： －（10-5 – 10-6 ）
抗磁性物质的磁结构及磁化率随温度的变化
抗磁性： 磁化率小于零，在外磁场的作用下产生一个与 外磁场方向相反且很小的附加磁场，其值和温 度无关。 抗磁性物质：He，Ne，Ar，H2，N2，C，Si， Ge等
（二）基本磁性参量 磁场强度(H)： 电流强度为i的电流在一个每米有N匝线圈的无 限长螺旋管轴线中央产生的磁场强度 H 为：
HNi
距离永磁体r处的磁场强度 H 为：
2 H km r / r l 0
m1为磁极的磁极强度，；r0是r的矢量单位； 磁化强度(M，σ): 单位体积磁性材料内原子磁矩的矢量和
Cr、Mn以及含有Cr、Mn的一些合金是反铁磁性的。
(4)
铁磁性
χ ：102-106
铁磁性物质的磁结构及磁化率随温度的变化
铁磁性：
在不大的磁化场下，该物质有较高的磁化强度，并达到饱和 状态； 磁化率随磁场非线性变化； 饱和磁化强度随温度升高而下降，并在一定温度Tc（居里温 度）下，铁磁性消失，变成顺磁性。 铁磁性物质： ①Fe、Co、Ni等纯金属。某些稀土元素如Gd（钆gá）等 ②含Fe、Co、Ni的合金及化合物； ③某些过渡元素组成的合金。
材料物理性能 课件 第六部分 材料的磁性能
有交换相互作用
1、磁性的起源
磁畴：每个区域内部包含大量原子，这些原子的 磁矩都像一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的 不同区域之间原子磁矩排列的方向不同
单晶磁畴结构示意图
多晶磁畴结构示意图
1、磁性的起源
磁光效应：线偏振光透过放置磁场中的物 质，沿着磁场方向传播时，光的偏振面发 生旋转的现象。 对磁畴进行可视化
4、磁性材料的应用
由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如 变压器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软磁 材料制成。 常见的软磁材料有：铁、坡莫合金、硅钢片、铁铝合 金、铁镍合金等。
变压器
磁性传感器
4、磁性材料的应用
硬磁材料 I、具有较大的矫顽力， 典型值Hc＝104～106A/m； II、剩磁很大； III、充磁后不易退磁。 IV、高的稳定性 对外加干扰磁场和温度、 震动等环境因素变化的高 稳定性。
• 1991年，英国航空公司一架波音767，从曼谷起飞后不久 失事，造成233人遇难：经查实是笔记本电脑导致了机上 一台计算机失控；
• 1996年巴西空难、1998年台湾空难：乘客违规使用了手 机；
• 2000年1月，某航班从湛江起飞后航线偏离了10海里：发 现有乘客在起飞过程中使用手机；
• 2000年2月，某航班在郑州机场降落时，导航信号不正常： 发现有乘客在降落过程中使用手机，干扰了导航系统，使 飞机无法降落。
晶粒度与矫顽力
进一步减小， 各单畴晶粒发 生转动的可能 性将越来越大 （更容易转 动）。所以矫 顽力反而减小。
晶粒度与矫顽力
4、磁性材料的应用
磁滞回线围成的面积，可以简单理解为外磁场对磁性材料做的功 对于交流环境，温度累计会使得材料的温度急剧上升。
材料的磁性PPT课件
第26页/共82页
（三）物质磁性的特殊性和多样性
1. 电子交换作用 原子内具有未成对的电子使得原子的固有磁矩不为零是物质磁性的 必要条件。但是，由于近邻原子共用电子（交换电子）所引起的静电作 用，及交换作用可以影响物质的磁性。交换作用所产生能量，通常用A 表示，称作交换能，因其以波函数的积分形式出现，也称作交换积分。 它取决于近邻原子未填满的电子壳层相互靠近的程度，并决定了原子磁 矩的排列方式和物质的基本磁性。一般地： 当A大于零时，交换作用使得相邻原子磁矩平行排列，产生铁磁性 （Iferromagnetism）。 当A小于零时，交换作用使得相邻原子磁矩反平行排列，产生反铁磁 性（Antiferromagnetism）。 当原子间距离足够大时，A值很小时，交换作用已不足于克服热运动 的干扰，使得原子磁矩随机取向排列，于是产生顺磁性 （Paramagnetism）
原子内的电子做循轨运动和自旋运动，所以必然产
生磁矩。前者称为轨道磁矩，后者称为自旋磁矩。
电子的循轨磁矩
Pl =
eh
4m
l(l 1)
电子的自旋磁矩
Ps
=
eh
2m
s(s 1)
e：单位电荷；h:普朗克常数；m:电子质量；l:轨 道量子数；s:自旋量子数。
原子核的磁矩比电子磁矩小三个数量级，一般情况 下可忽略不计。
1 弱抗磁性 例如惰性气体、金属铜、锌、银、金、 汞等和大量的有机化合物，磁化率极低，约为-10-6，并基 本与温度无关；
2 反常抗磁性 例如金属铋、镓、碲、石墨以及γ-铜 锌合金，其磁化率较前者约大10-100倍，Bi的磁化率χ比 较反常，是场强H的周期函数，并强烈与温度有关；
3 超导体抗磁性 许多金属在其临界温度和临界磁场 以下时呈现超导性，具有超导体完全抗磁性，这相当于 其磁化率χ=-1.
（三）物质磁性的特殊性和多样性
1. 电子交换作用 原子内具有未成对的电子使得原子的固有磁矩不为零是物质磁性的 必要条件。但是，由于近邻原子共用电子（交换电子）所引起的静电作 用，及交换作用可以影响物质的磁性。交换作用所产生能量，通常用A 表示，称作交换能，因其以波函数的积分形式出现，也称作交换积分。 它取决于近邻原子未填满的电子壳层相互靠近的程度，并决定了原子磁 矩的排列方式和物质的基本磁性。一般地： 当A大于零时，交换作用使得相邻原子磁矩平行排列，产生铁磁性 （Iferromagnetism）。 当A小于零时，交换作用使得相邻原子磁矩反平行排列，产生反铁磁 性（Antiferromagnetism）。 当原子间距离足够大时，A值很小时，交换作用已不足于克服热运动 的干扰，使得原子磁矩随机取向排列，于是产生顺磁性 （Paramagnetism）
原子内的电子做循轨运动和自旋运动，所以必然产
生磁矩。前者称为轨道磁矩，后者称为自旋磁矩。
电子的循轨磁矩
Pl =
eh
4m
l(l 1)
电子的自旋磁矩
Ps
=
eh
2m
s(s 1)
e：单位电荷；h:普朗克常数；m:电子质量；l:轨 道量子数；s:自旋量子数。
原子核的磁矩比电子磁矩小三个数量级，一般情况 下可忽略不计。
1 弱抗磁性 例如惰性气体、金属铜、锌、银、金、 汞等和大量的有机化合物，磁化率极低，约为-10-6，并基 本与温度无关；
2 反常抗磁性 例如金属铋、镓、碲、石墨以及γ-铜 锌合金，其磁化率较前者约大10-100倍，Bi的磁化率χ比 较反常，是场强H的周期函数，并强烈与温度有关；
3 超导体抗磁性 许多金属在其临界温度和临界磁场 以下时呈现超导性，具有超导体完全抗磁性，这相当于 其磁化率χ=-1.
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合成矢量受自旋-轨道耦合作用的控制：w=λL·S 形成总角动量： J=L+S (J=L-S，小于半满，J=L+S，大于半满)
2.晶场中的原子磁矩
晶场中电子受诸多相互作用的影响，总哈密顿量
H=Hw+ Hλ+ Hv+ Hs+ Hh Hw:原子内的库仑相互作用，如用n，l，m表征的电子轨道只能
容纳自旋相反的两个电子，在一个轨道上这两个电子的库仑 相互作用能(相互排斥，能量提高)。 Hλ:自旋-轨道相互作用能。 Hv:晶场对原子中电子的作用。 Hs:与周边原子间的磁相互作用 (交换相互作用和磁偶极相互作用)。
四类具有巨磁电阻效应的多层膜结构
磁学是一门即古老又年轻的学科。 磁学基础研究与应用的需求相互促进，在
国防和国民经济中起着重要作用。 磁学与其它学科交叉：信息、电气、交通、
生物、药物、天文、地质、能源、选矿等。 MEMS的发展不可避免的会使用各种类型
的磁性材料，而且是小尺寸复合型的材料。
静磁现象
第一类遵从居里定律：
cC/T
C称为居里常数
第二类遵从居里外斯定律：
cC/(T-qp) qp称为顺磁居里温度
如铁磁性物质在居里温度以上的顺磁性。
磁偶极子
未加场前 热运动， 总体无序排列
含有离散的磁矩的物质
加场后 顺场取向
外加磁场
郎之万顺磁性理论
假定顺磁系统包含N个磁性原子，每个原子具有的磁矩 M(Wbm)，当温度在绝对0度以上时，每个原子都在进行 热振动，原子磁矩的方向也作同样振动。在绝对温度 T(K)，一个自由度具有的热能是kT/2。原子磁矩在外磁 场作用下，静磁能U=MH。
静磁能的定义。
5.2 原子的磁性
2.晶场中的原子磁矩
晶场中电子受诸多相互作用的影响，总哈密顿量
H=Hw+ Hλ+ Hv+ Hs+ Hh Hw:原子内的库仑相互作用，如用n，l，m表征的电子轨道只能
容纳自旋相反的两个电子，在一个轨道上这两个电子的库仑 相互作用能(相互排斥，能量提高)。 Hλ:自旋-轨道相互作用能。 Hv:晶场对原子中电子的作用。 Hs:与周边原子间的磁相互作用 (交换相互作用和磁偶极相互作用)。
四类具有巨磁电阻效应的多层膜结构
磁学是一门即古老又年轻的学科。 磁学基础研究与应用的需求相互促进，在
国防和国民经济中起着重要作用。 磁学与其它学科交叉：信息、电气、交通、
生物、药物、天文、地质、能源、选矿等。 MEMS的发展不可避免的会使用各种类型
的磁性材料，而且是小尺寸复合型的材料。
静磁现象
第一类遵从居里定律：
cC/T
C称为居里常数
第二类遵从居里外斯定律：
cC/(T-qp) qp称为顺磁居里温度
如铁磁性物质在居里温度以上的顺磁性。
磁偶极子
未加场前 热运动， 总体无序排列
含有离散的磁矩的物质
加场后 顺场取向
外加磁场
郎之万顺磁性理论
假定顺磁系统包含N个磁性原子，每个原子具有的磁矩 M(Wbm)，当温度在绝对0度以上时，每个原子都在进行 热振动，原子磁矩的方向也作同样振动。在绝对温度 T(K)，一个自由度具有的热能是kT/2。原子磁矩在外磁 场作用下，静磁能U=MH。
静磁能的定义。
5.2 原子的磁性
材料的磁学性能ppt课件
第7章 材料的磁学性能 (Magnetic properties of materials)
1
可编辑课件PPT
Magnetism
➢物质磁性或磁学是 一门古老(现象与应 用的历史悠久)又年 轻 (应用愈加广泛， 形成了与磁学有关 的边缘学科)的学科。
➢磁性是物质的基本属性，一切物质都具有磁性； ➢磁性不只是一个宏观的物理量，而且与物质的微观结构 密切相关。因此，研究磁性是研究物质内部结构的重要方 法之一。
预言了正电子的存在(√)； 预言了反粒子的存在，电子－正电 子对的产生和湮没(√) ； 提出反物质存在的假设； 1931年预言可能存在磁单极；
23
可编辑课件PPT
如何寻找磁单极子?
古老的地球的铁矿石和来自地球之外的铁陨石。 高能加速器加速质子冲击原子核。 宇宙射线(本身和碰撞)。 1973年“阿波罗”飞船带回的月岩。 宇宙射线照射高空的感光底板产生又粗又黑的痕迹 (强的吸引作用) 151天的超导量子干涉式磁强计的观察(未能重复)。 海洋、深海沉积物。 中国、瑞士、日本等国的研究小组在铁磁晶体的物 质中观察反常霍尔效应，提供假设的间接证据。
发现四 提出了分子电流假说。
揭示了物质磁性的本质。
电和磁本质上是统一的。
14
可编辑课件PPT
电磁感应现象
1831年，由法拉第发现。
俗称磁生电，直接导致了发电机的 发明，影响非常深远。
其它成果：
1834年，发现了电解定律，开创 了电化学学科。
自学成才
发现了物质的抗磁性。
提出了电磁场这一概念。
15
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20
可编辑课件PPT
7.1.1 材料磁性能的表征参量 (Character parameters of magnetic properties of materials)
1
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Magnetism
➢物质磁性或磁学是 一门古老(现象与应 用的历史悠久)又年 轻 (应用愈加广泛， 形成了与磁学有关 的边缘学科)的学科。
➢磁性是物质的基本属性，一切物质都具有磁性； ➢磁性不只是一个宏观的物理量，而且与物质的微观结构 密切相关。因此，研究磁性是研究物质内部结构的重要方 法之一。
预言了正电子的存在(√)； 预言了反粒子的存在，电子－正电 子对的产生和湮没(√) ； 提出反物质存在的假设； 1931年预言可能存在磁单极；
23
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如何寻找磁单极子?
古老的地球的铁矿石和来自地球之外的铁陨石。 高能加速器加速质子冲击原子核。 宇宙射线(本身和碰撞)。 1973年“阿波罗”飞船带回的月岩。 宇宙射线照射高空的感光底板产生又粗又黑的痕迹 (强的吸引作用) 151天的超导量子干涉式磁强计的观察(未能重复)。 海洋、深海沉积物。 中国、瑞士、日本等国的研究小组在铁磁晶体的物 质中观察反常霍尔效应，提供假设的间接证据。
发现四 提出了分子电流假说。
揭示了物质磁性的本质。
电和磁本质上是统一的。
14
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电磁感应现象
1831年，由法拉第发现。
俗称磁生电，直接导致了发电机的 发明，影响非常深远。
其它成果：
1834年，发现了电解定律，开创 了电化学学科。
自学成才
发现了物质的抗磁性。
提出了电磁场这一概念。
15
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20
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7.1.1 材料磁性能的表征参量 (Character parameters of magnetic properties of materials)
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。
材料的磁性能
材料的磁化
通常，在无外加磁场时，材料中固有磁矩的矢 量和为零，宏观上材料无磁性。 材料在外加磁场H中时，使它所在的空间的磁场发生 变化（H↑或、H↓），产生一个附加磁场H’，材料本 身呈现出磁性，这种现象叫磁化 这时其所处的总磁场强度为两部分的矢量和。
H总H+H 单位A/m。
H'MxH
( 1)HM
❖ 20世纪初，法国的外斯提出了著名的磁性物质的分子场假说， 奠定了现代磁学的基础，在顺磁性理论、分子磁场、波动力 学、铁磁性理论等相关理论和各种分析手段的基础上，形成 了完整的磁学体系。
磁性基本概念
磁偶极子和磁矩
如果一个小磁体能够用无限小的电流回路
+mLeabharlann 来表示，我们就称为磁偶极子。用磁偶极
矩jm表示：
交流磁场中的能量损失a为常数金属软磁材料电工纯铁指纯度在998以上的铁是最早最常用的纯金属软磁材料面心立方体心立方升温加压降温降压结构与磁性的变化相结构随温度和压力变化结构和磁性随温度变化含碳量影响磁性能增加主要是因为碳对畴壁移动形成阻碍作用cumnsinos等也会对软磁性能产生不利影响max减少上升128磁铁的铁芯和磁极继电器的磁路和各种零件感应式和电磁式测量仪表的各种零件扬声器的磁路电话中的振动膜电机中用以导引直流磁通的磁极冶金原料129电工纯铁只能在直流磁场下工作在交变磁场中涡流损耗大电阻率涡流损耗硅钢也称硅钢片或电工钢片碳的质量分数在002以下硅的质量分数为1545的fe合金在纯铁中加入硅形成固溶体这样130添加适量硅损耗因此是非常优秀的软磁材料和交流电器的理想材料已经成为用量最大的磁性材料主要用于
(3)金属元素。 离子+自由电子。 只有轨道未 被填满，自旋磁矩未被抵消时，才可能产生较 强的顺磁性。
磁性材料的磁性能
当H 0时
B Br 0
Br称为剩磁感应强度
Br
Hc
3 O 2
B 1
Hm
H
欲使剩磁去掉，须加一反向磁场强度-Hc，即反向磁
化，Hc称为矫顽磁力。（矫顽力）
Br
Hm Hc
3 O 2
B 1
6 5
Hc Hm
H
4
Br
如果继续增大反向H，当H= - Hm时，B反向饱和 此时如果正向增大 H，则得到4561的变化曲宽，损耗大，用来 做永久磁铁、炭刚、铁镍合金等。
-Hc
Hc
3. 矩磁材料：具有较小的矫顽力和较大的剩磁 磁滞回线接近矩形。稳定性良好。可用做计算 机内部存储器的磁芯以及磁盘、磁带等。
1 1.8 1.6
2
3
H / A· m 4 5
－1
6
7
8
9
10× 10
3
磁化曲线 a – 铸铁
1.4 1.2 c b c 硅钢 片 b 铸钢
b －铸钢
c －硅钢片
B/T
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 a 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 H / A· m
－1
a 铸铁
利用磁性物质的磁化特性，可解决电工设备 中既要磁通大，又要求励磁电流小的矛盾
只要在线圈中通入较小的励磁电流，再穿入铁心
便可产生足够大的磁通和磁感应强度。
非磁性材料没有磁畴的结构，所以不具有被磁 化的特性
二、磁饱和性
B
B
BJ B0 H
B0是在外磁场作用下如果磁场内不存在磁性物质时 的磁感应强度。
将BJ曲线和B0叠加，得B-H磁化曲线。
磁场的基本物理量☆
材料物理性能-磁性能
1831—1879
居里定律
发明了磁秤（磁天平），实现了对弱磁性的测量。
根据大量的实验结果，总结出著名的居里定律。
抗磁体的磁化率不依赖磁场强度且一般不依赖于温度； 顺磁体的磁化率不依赖磁场强度且与温度成反比； 铁在某一温度（居里温度）以上失去磁性。
压电效应的发现； 放射性物质研究，发现了镭。
由此说明了地磁的成因和物质的磁性。
（1775-1836）
发现四 提出了分子电流假说。
揭示了物质磁性的本质。
电和磁本质上是统一的。
电磁感应现象
1831年，由法拉第发现。
俗称磁生电，直接导致了发电机的
发明，影响非常深远。
其它成果： 1834年，发现了电解定律，开创 了电化学学科。 发现了物质的抗磁性。 提出了电磁场这一概念。 法拉第，英国科学家
居里定律
居里-外斯定律
C T C T
3.相变及组织转变的影响
当材料发生同素异构转变时，晶格类型及原子间距
发生变化，会影响电子运动状态而导致磁化率的变 化。例如，正方晶格的白锡转变为金刚石结构的灰 锡时，磁化率明显变化。当材料发生其他相变时， 也会影响磁化率，影响的规律比较复杂。
Ht H H
磁场强度的单位是A/m (安/米)。 磁化强度 M ：材料被磁化后，单位体积的磁矩 1 M mi V 磁化强度的单位是A/m (安/米)。mi为原子固有磁矩。
H M
磁化率χ：表征物质本身的磁化特性，量纲为1，其值可正、 可负。
M H
磁导率μ：反映了磁感应强度与外磁场强度的关系，即当 外磁场增加时磁感应强度增加的速率。
顺磁磁化过程示意图
(a)无磁场 (b)弱磁场 (c)强磁场
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静磁能的定义。
5.2 原子的磁性
1、原子的磁矩 2、晶场中的原子磁矩 3、轨道角动量冻结
原子的结构
电子的轨道磁矩
ML
●
°e
P
1. 原子的磁矩
核外电子壳层：电子轨道磁矩 电子自旋磁矩
核磁矩和核四极矩 MN=6.33x10-33Wbm
Ml
0e l
2m
Ms m 0eP20m e
中子磁矩为-1.913MN的核磁矩 (中子衍射、中子散射)
磁畴结构
1946年 Bioembergen发现NMR效应 1948年 Neel建立亚铁磁理论 1954-1957年 RKKY相互作用的建立 1958年 Mössbauer效应的发现
1960年 非晶态物质的理论预言 1964年 Kondo effect 近藤 1965年 Mader和Nowick制备了CoP铁磁非晶态合金 1970年 SmCo5稀土永磁材料的发现 1984年 NdFeB稀土永磁材料的发现 Sagawa(佐川) 1986年 高温超导体，Bednortz-muller 1988年 巨磁电阻GMR的发现, M.N.Baibich 1994年 CMR庞磁电阻的发现，Jin等LaCaMnO3 1995年 隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki
泡利不相容原理：
同一个量子数n，l，m，s表征的量子状态只能 有一个电子占据。
库仑相互作用：n,l,m 表征的一个电子轨道上如 果有两个电子，虽然它们的自旋是相反的，但 静电的库仑排斥势仍然使系统的能量提高。因 而一个轨道倾向只有一个电子占据。
洪德法则：
(1)未满壳层的电子自旋si排列，要使总自旋S取 最大值。
四类具有巨磁电阻效应的多层膜结构
磁学是一门即古老又年轻的学科。 磁学基础研究与应用的需求相互促进，在
国防和国民经济中起着重要作用。 磁学与其它学科交叉：信息、电气、交通、
生物、药物、天文、地质、能源、选矿等。 MEMS的发展不可避免的会使用各种类型
的磁性材料，而且是小尺寸复合型的材料。
静磁现象
1907年 P.Weiss的磁畴和分子场假设 1919年 巴克豪森效应 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 1933年 加藤与武井发现含Co的永磁铁氧体
1935年 荷兰Snoek发明软磁铁氧体 1935年 Landau和Lifshitz考虑退磁场， 理论上预言了
2m
这里g因子( g-factor)对自旋运动是2，而对轨道运动是1。
M s2x 2m 0es2M Bs
ML1x2m 0elMBl
不论是自旋磁矩，还是轨道磁矩，都是玻尔磁子MB的整数倍。
原子的电子结构
核外电子结构用四个量子数表征：n.l.m.s (1) 电子轨道大小由主量子数n决定
n=1, 2, 3, 4,………的轨道群 又称为K, L, M, N,…….的电子壳层
材料物理性能学-05
材料的磁学性能
材料科学与工程学院：马永昌
第五章 材料的磁学性能
5.1 磁学简史 5.2 原子的磁性 5.3 材料的磁性特征和结构 5.4 磁晶各向异性与磁致伸缩 5.5 磁畴结构 5.6 磁化过程
* 磁性与磁性材料的发展史 指南针 司马迁《史记》描述黄帝作战用 罗盘 宋朝《萍洲可谈》12世纪 磁石 最早的著作《De Magnete 》 W.Gibert 18世纪 奥斯特 电流产生磁场 法拉弟效应,安培定律 构成电磁学的基础 ,电动机、发电机等出现
磁矩 磁性材料和磁化强度 退磁场 静磁能
磁性最直观的表现是两个磁体之间存在吸引或排 斥力。
与电学相似，人们将磁描述为磁体两端带有自由 磁极，自然磁体之间的力的作用就是自由磁极之 间的相互作用。
都是什么对磁极有作用呢？也就是磁都受什么作 用的影响？磁极和电流
考虑磁体在磁场中受力情况：转矩和平移力。
众所周知，电子轨道运动是量子化的，因而只有 分立的轨道存在，换言之、角动量是量子化的， 并由下式给出
Pl
ML20m elMBl
玻尔磁子 (Bohr magneton)
自旋角动量与自旋磁矩
P
与自旋相联系的角动量的大小是ħ/2，因而自旋角动
量可写为： Ps
பைடு நூலகம்
e
自旋磁矩 M 0e P
Ms
m
通常和角动量之间的关系由下式给出： Mg 0eP
(2)每个电子的轨道矢量li的排列，使总的轨道 角动量L取最大值。
(3)由于L和S间的耦合，电子数n小于半满时 J=L-S，电子 数n大于半满时 J=L+S。
(洪德法则一般的描述只有(1)和(2)项)
S ———— ————
µJL=-µSL-µs
S
m
3
2
1
0
-1
-2
-3
L+S
µJ=µL+µs
L 电子填充未半满时，轨道角动量 L和自旋角动量S都是由同样的电 子(如左图是5个自旋向上的电子) 决定，因此是L-S;
电子填充超过半满时，轨道角动 量是由自旋向下的二个轨道决定 L=5，而自旋角动量是由未成对 的另外五个电子决定，因此是 L+S。
自旋-轨道耦合
一个电子绕核(核电荷为Ze)旋转，看轨道与自旋的关系。
s
µL
结论：一个电子的L和s总是方 向相反，壳层中电子数目少于 最大数目一半时，所有电子的 L和 s都是相反。同时轨道磁 矩 µL和 µs也是反平行。
L=mlHsinθ, F=mlδH/δx 乘积ml称为磁矩。 磁偶极子在空间产生的磁场。
磁矩
我们在物理学中遇到有多个名词带有‘矩’ 这个字，比如：电矩、力矩等，矩的本义。
磁化强度是单位体积内的磁矩总和。 B=I+μ0H I=χH
退磁场
当一个有限大小的样品被外加磁场磁化时，两端 出现的自由磁极将产生一个与磁化强度相反的磁 场。这是物理学中的一个普遍原理：类比于静电 屏蔽现象去理解，类似于电极化现象。
( 多电子体系 )
● Ze
K
(2) 轨道的形状由角动量l决定
L
M
l=0, 1, 2, 3,……..n-1
又称为s, p, d, f, g,……..电子
(3) 当施加一个磁场在一个原子上时，平行于磁场的角动量 也是量子化的。l在磁场方向上的分量由磁量子数m决定
m=l, l-1, l-2,……0,…..-( l-1), -l (4) 电子自旋量子数由s决定：s=±1/2
5.2 原子的磁性
1、原子的磁矩 2、晶场中的原子磁矩 3、轨道角动量冻结
原子的结构
电子的轨道磁矩
ML
●
°e
P
1. 原子的磁矩
核外电子壳层：电子轨道磁矩 电子自旋磁矩
核磁矩和核四极矩 MN=6.33x10-33Wbm
Ml
0e l
2m
Ms m 0eP20m e
中子磁矩为-1.913MN的核磁矩 (中子衍射、中子散射)
磁畴结构
1946年 Bioembergen发现NMR效应 1948年 Neel建立亚铁磁理论 1954-1957年 RKKY相互作用的建立 1958年 Mössbauer效应的发现
1960年 非晶态物质的理论预言 1964年 Kondo effect 近藤 1965年 Mader和Nowick制备了CoP铁磁非晶态合金 1970年 SmCo5稀土永磁材料的发现 1984年 NdFeB稀土永磁材料的发现 Sagawa(佐川) 1986年 高温超导体，Bednortz-muller 1988年 巨磁电阻GMR的发现, M.N.Baibich 1994年 CMR庞磁电阻的发现，Jin等LaCaMnO3 1995年 隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki
泡利不相容原理：
同一个量子数n，l，m，s表征的量子状态只能 有一个电子占据。
库仑相互作用：n,l,m 表征的一个电子轨道上如 果有两个电子，虽然它们的自旋是相反的，但 静电的库仑排斥势仍然使系统的能量提高。因 而一个轨道倾向只有一个电子占据。
洪德法则：
(1)未满壳层的电子自旋si排列，要使总自旋S取 最大值。
四类具有巨磁电阻效应的多层膜结构
磁学是一门即古老又年轻的学科。 磁学基础研究与应用的需求相互促进，在
国防和国民经济中起着重要作用。 磁学与其它学科交叉：信息、电气、交通、
生物、药物、天文、地质、能源、选矿等。 MEMS的发展不可避免的会使用各种类型
的磁性材料，而且是小尺寸复合型的材料。
静磁现象
1907年 P.Weiss的磁畴和分子场假设 1919年 巴克豪森效应 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 1933年 加藤与武井发现含Co的永磁铁氧体
1935年 荷兰Snoek发明软磁铁氧体 1935年 Landau和Lifshitz考虑退磁场， 理论上预言了
2m
这里g因子( g-factor)对自旋运动是2，而对轨道运动是1。
M s2x 2m 0es2M Bs
ML1x2m 0elMBl
不论是自旋磁矩，还是轨道磁矩，都是玻尔磁子MB的整数倍。
原子的电子结构
核外电子结构用四个量子数表征：n.l.m.s (1) 电子轨道大小由主量子数n决定
n=1, 2, 3, 4,………的轨道群 又称为K, L, M, N,…….的电子壳层
材料物理性能学-05
材料的磁学性能
材料科学与工程学院：马永昌
第五章 材料的磁学性能
5.1 磁学简史 5.2 原子的磁性 5.3 材料的磁性特征和结构 5.4 磁晶各向异性与磁致伸缩 5.5 磁畴结构 5.6 磁化过程
* 磁性与磁性材料的发展史 指南针 司马迁《史记》描述黄帝作战用 罗盘 宋朝《萍洲可谈》12世纪 磁石 最早的著作《De Magnete 》 W.Gibert 18世纪 奥斯特 电流产生磁场 法拉弟效应,安培定律 构成电磁学的基础 ,电动机、发电机等出现
磁矩 磁性材料和磁化强度 退磁场 静磁能
磁性最直观的表现是两个磁体之间存在吸引或排 斥力。
与电学相似，人们将磁描述为磁体两端带有自由 磁极，自然磁体之间的力的作用就是自由磁极之 间的相互作用。
都是什么对磁极有作用呢？也就是磁都受什么作 用的影响？磁极和电流
考虑磁体在磁场中受力情况：转矩和平移力。
众所周知，电子轨道运动是量子化的，因而只有 分立的轨道存在，换言之、角动量是量子化的， 并由下式给出
Pl
ML20m elMBl
玻尔磁子 (Bohr magneton)
自旋角动量与自旋磁矩
P
与自旋相联系的角动量的大小是ħ/2，因而自旋角动
量可写为： Ps
பைடு நூலகம்
e
自旋磁矩 M 0e P
Ms
m
通常和角动量之间的关系由下式给出： Mg 0eP
(2)每个电子的轨道矢量li的排列，使总的轨道 角动量L取最大值。
(3)由于L和S间的耦合，电子数n小于半满时 J=L-S，电子 数n大于半满时 J=L+S。
(洪德法则一般的描述只有(1)和(2)项)
S ———— ————
µJL=-µSL-µs
S
m
3
2
1
0
-1
-2
-3
L+S
µJ=µL+µs
L 电子填充未半满时，轨道角动量 L和自旋角动量S都是由同样的电 子(如左图是5个自旋向上的电子) 决定，因此是L-S;
电子填充超过半满时，轨道角动 量是由自旋向下的二个轨道决定 L=5，而自旋角动量是由未成对 的另外五个电子决定，因此是 L+S。
自旋-轨道耦合
一个电子绕核(核电荷为Ze)旋转，看轨道与自旋的关系。
s
µL
结论：一个电子的L和s总是方 向相反，壳层中电子数目少于 最大数目一半时，所有电子的 L和 s都是相反。同时轨道磁 矩 µL和 µs也是反平行。
L=mlHsinθ, F=mlδH/δx 乘积ml称为磁矩。 磁偶极子在空间产生的磁场。
磁矩
我们在物理学中遇到有多个名词带有‘矩’ 这个字，比如：电矩、力矩等，矩的本义。
磁化强度是单位体积内的磁矩总和。 B=I+μ0H I=χH
退磁场
当一个有限大小的样品被外加磁场磁化时，两端 出现的自由磁极将产生一个与磁化强度相反的磁 场。这是物理学中的一个普遍原理：类比于静电 屏蔽现象去理解，类似于电极化现象。
( 多电子体系 )
● Ze
K
(2) 轨道的形状由角动量l决定
L
M
l=0, 1, 2, 3,……..n-1
又称为s, p, d, f, g,……..电子
(3) 当施加一个磁场在一个原子上时，平行于磁场的角动量 也是量子化的。l在磁场方向上的分量由磁量子数m决定
m=l, l-1, l-2,……0,…..-( l-1), -l (4) 电子自旋量子数由s决定：s=±1/2