第1章 材料磁性

符号决定于电子自旋方向
轨道磁矩
自旋磁矩 Orbita Spin
3、 原子核磁矩：
原子核自旋 —— 磁矩。 但原子核质量是电子约 1800 倍，运动速度仅为电子速度 几千分之一，原子核自旋磁矩仅为电子自旋磁矩千分之几，故 忽略不计。
4、原子磁矩： 为原子中各电子磁矩总和。 原子中每个电子都可看作一小磁体，具有永久轨道磁矩和 自旋磁矩。
绝对磁导率
相对磁导率 µ r = µ /µ 0 起始磁导率 复数磁导率
二、物质的磁性分类
根据物质磁化率，磁性分为 5 类： 1. 抗磁性 磁化强度 M 为负，即 χ< 0， 说明产生的附加磁场 H′使外磁场 H 减弱。 抗磁性物质的磁化强度 M 是磁场强度 H 的线性函数； “经典”抗磁体： χ 不随温度变化，例 Cu、Ag、Au、Zn等；
1. 来源：当抗磁性物质放如入外磁场中，外磁场使电子轨道
改变，围绕原子核作轨道运动的电子按照楞次定律会产生感生
电流，此电流产生与外加磁场方向相反的磁场 —— 抗磁性
2.特征
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；磁化率χ ＜ 0，约为 -10-5； 原子的本征磁矩为零，外磁场作用使电子的轨道运动发生变化 引起； 一种很弱、非永久性磁性，只有外磁场存在时、其它类型磁性 完全消失时才能被观察； 所有物质都有抗磁性，但不能认为所有物质都是抗磁性物质； 电子壳层被添满的物质属于抗磁性物质，如惰性气体； 离子型固体（如氯化钠）；共价键的碳、硅等；有些金属如 Bi、Cu、Ag 等。
“反常”抗磁体： χ 随温度变化，例 Bi、Ga、Sn、Sb等；
2. 顺磁性 磁化强度 M 为正，即χ> 0，数值小 10-3-10-6 ，产生的附
加磁场 H′使外磁场 H 略有增强。
顺磁性物质的磁化强度 M 与外磁场强度 H 成正比； χ与温度的关系：
正常顺磁体： χ = C / T
Pt、Pd、A 不锈钢、稀土金属等； Χ 与温度无关的顺磁体： Li、Na、K、Rb 等
二、顺磁性
1. 来源
电子壳层未被填满的原子或离子，固有磁矩不为零； 无外磁场时，材料中原子磁矩无序排列，表现不出宏观磁性； 受外磁场作用时，原子磁矩能通过旋转而沿外场方向择优取向，
显示出极弱宏观磁性 —— 顺磁性。
2. 特征： 原子磁矩沿外磁场方向排列，磁场强度获得增强，磁化 强度为正值，磁化率χ＞0，也很小，只有10-5～10-2；
z：外磁场方向
μB：玻尔（ Bohr）磁子 ，电子磁矩最小单位，理论计算
eh B 9.27 x 10 -24 A m 2 4m
2. 电子自旋产生磁矩 电子本身自旋运动产生一沿自旋轴方向磁矩 —— 自旋磁矩 实验测定：电子自旋磁矩在外磁场方向分量恰为1个Bohr磁子 即
ms
z
= ± μB
列，结果磁矩相互对消，整个固体材料总磁矩为零。
1-6 自发磁化与技术磁化理论
一、自发磁化理论 1. 铁磁性产生的条件 1）原子内部有未填满电子壳层，即电子自旋磁矩未被抵消； 2）原子按一定方式排列；产生自发磁化，形成磁畴。 自发磁化：电子自旋磁矩自动地在一个个小区域内取向一致。
:
磁畴：无外磁场条件下，
第 1 章
材料的磁性能
主要内容
材料的磁性概述 磁学基本量及磁性分类 磁性的物理本质
材料的抗磁性与顺磁性理论
材料的铁磁性理论（自发磁化与技术磁化理论）
磁性材料
磁性测量及其应用
§1.材料的磁性概述
1.1 磁性材料发展简历
磁性材料：新兴基础功能材料。早在 3000 多年前我国就已 发现磁石相互吸引和磁石吸铁的现象，并在世界上最先发明用磁石
子，这些原子磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻 不同区域之间原子磁矩排列方向不同。 各个磁畴之间交界面 —— 磁畴壁
宏观物体一般总是具有很多磁畴，磁畴磁矩方向各不相同，
结果相互抵消，矢量和为零，整个物体磁矩为零，不能 吸引其它磁性材料。 磁性材料在正常情况下对外不显示磁性。只有被磁化以后， 才能对外显示出磁性。
现和研究，同时磁性材料的理论出现，涌现出了象法拉第、安培、韦伯、 高斯、奥斯特、麦克丝韦、赫兹等大批现代电磁学大师。
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。
1-1
磁学基本量及磁性分类
一、磁学基本量
1. 磁场 传递运动电荷或电流之间相互作用的物理场，“磁” 来源于“电”。 2. 磁场强度 H： 表示磁场大小和方向的物理量。 如果磁场由长度为 L，电流为 I 圆柱状线圈（N 匝）产生， 则 H = N I / L
甚小 —— 顺磁性。 铁磁性材能达到的最大磁化强度 —— 饱和磁化强度 Ms
2.
铁磁性材料的居里温度
对于磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。
一般，磁性材料具有一个临界温度 Tc；T > Tc，由于原子剧 烈热运动，原子磁矩排列混乱无序。 T < Tc，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性 或亚铁磁性。
7. 磁感应强度 B

表示材料在外磁场 H 作用下材料内部的磁通量密度。 B 的单位：T （特斯拉）或 Wb/m2 （韦伯 / 米2） 在真空中，磁感应强度为
Bo = μo H
式中μ0：真空磁导率，单位：H（亨利）/m
在磁场 H 中放入一磁介质，磁感应强度为
B = μ H = μ o （H + M ） 式中μ：介质磁导率，只与介质有关，材料特征常数。 μ = B / H 磁导率物理意义： 单位磁场强度的外磁场作用下，材料内部磁通量密度，表 示磁性材料传导和通过磁力线的能力，或 B 随 H 变化速率。
任何铁磁体和亚铁磁体，在温度
低于居里温度 Tc 时，是由磁畴
组成； 磁畴是自发磁化到饱和（即磁矩 均朝一个方向排列）小区域； 相邻磁畴之间界线——磁畴壁；
磁畴壁有一定厚度过渡层，磁矩
一原子净磁矩是所有电子磁矩相互作用矢量和 —— 固有
磁矩或本征磁矩。 电子对的轨道磁矩相互对消，自旋磁矩也可能相互对消， 所以当原子所有电子壳层完全填滿：磁矩为零，如 He, Ne, Ar 以及某些离子材料。
1-3
抗磁性和顺磁性理论
为确定材料是抗磁性还是顺磁性 ，把它放入外磁场中观察
其磁性变化。
一、抗磁性
，
自发磁化的小区域。 :
材料是否具有自发磁化形成磁畴 ？ 晶格中原子间距 Rab 与未添满电子壳层半径 r 之比有关，即
当 R
a b
/ r
> 3，交换积分 A > 0，原子磁矩平行排列，
即产生自发磁化，形成磁畴。
:
， :
交换积分 A 与 a/r 的关系
R
a b
/ r > 3，交换积分 A > 0 材料，如铁、钴、镍
作为指示方向和校正时间的应用，但毕竟只是单一应用天然的磁性
材料。 人类注意磁性材料的性能特点、制造、应用等研究，经过近百
年发展， 磁性材料已经形成一庞大家族。
按材料磁特性分：软磁、永磁、旋磁、记忆磁、压磁等； 按材料构成来分：合金磁性材料，铁氧体磁性材料。
公元 17 世纪，英国吉尔伯特发表世界上第一部磁学专著<<论磁石>>。 公元 18 世纪，瑞典科学家在磁学著作中对磁性材料的磁化作大胆描绘。 公元 19 世纪，近代物理学大发展，电流的磁效应、电磁感应等相继被发
式中 C 为居里常数
2 N J C 3k B
通过测量χ-T 依赖关系，便可确定居里常数，代入居里常数
定义式，可求出每个原子磁矩大小。
郎之万最早从理论上推导出居里定律，开创从微观
出发，用统计方法研究物质磁性道路。 该理论没有考虑到磁矩在空间的量子化，与实验结果 相比，在定量上有较大差别。 三、影响金属抗磁性、顺磁性的因素（自学）
轨道磁矩
自旋磁矩
Orbita
Spin
设电子质量为 m，电荷为 e，圆周运动半径为 r，角速度为 ω，则电子轨道磁矩
me =平面，并符合右手螺旋定则；
它在外磁场上的分量，满足量子化条件，即
me
z
= ml μB
ml：磁量子数 （ml = 0, ±1，±2，… ，±l）
1- 4
铁磁性理论
1. 铁磁性来源：电子自旋磁矩和自发磁化; 2. 特征
有些铁磁性材料在不很强外磁场作用下，产生很大磁化强度；
磁化率可高达 103，M >> H，磁化率不是常数；
有些铁磁性材料在外磁场除去后仍保持相当大永久磁性；
有居里温度（ Tc ）；
过渡金属铁、钴、镍和某些稀土金属如钆、钇、钐等具有铁磁性。
居里温度是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点
铁磁态或亚铁磁态
顺磁态
Tc
铁磁体居里温度 —— 应用实例
利用这个特点，人们开发出了很多控制元件。
例：电饭锅就利用磁性材料居里点的特性
底部中央装一块磁铁和一块居里点为 105℃ 磁性材料 —— 自动停止加热
3. 磁畴结构
磁畴指磁性材料内部一个个小区域，每个区域内包含大量原
顺磁性物质磁化率是抗磁性物质 1-103倍，所以顺磁性
物质中抗磁性被掩盖；
大多数物质都属于顺磁性物质，如室温下的稀土金属，居
里点以上 Fe、Co、Ni等； 注：抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说视为无磁性。
3. 顺磁性理论
1905 年郎之万在经典统计理论基础上，首先给出第一个顺 磁性理论，其要点如下:
3. 铁磁性 磁化强度 M 为正，即χ> 0，数值很大，产生的附加磁场 H′ 使外磁场强度 H 大大增强。
磁化强度 M 与外磁场强度 H 呈非线性关系。 铁磁性物质：Fe、Co、Ni