物质的磁性
（2）物质的磁性
（2）物质的磁性⽬录：（⼀）、洪德法则（⼆）、磁性的本质是什么，活着怎么从微观的⾓度解释磁性产⽣的原因（三）、外斯分⼦场（四）、物质的抗磁性是怎样产⽣的？为什么说抗磁性普遍存在（五）、顺磁性朗之万理论的内容是什么？在量⼦⼒学范畴内如何对其修正？（六）、铁磁性物质是怎样实现⾃发磁化的，为什么通常未经磁化的铁都不具有磁性（七）、阐述物质铁磁性，反铁磁性和亚铁磁性之间区别和联系（⼋）、交换作⽤模型与超交换作⽤模型的内容分别是什么。
（九）、量⼦⼒学简介（⼀）、洪德法则洪德法则（Hund's rules）简单说就是，⼀个轨道上⼀般都有⼏个“兼并能级”，例如图5中的2p轨道有3个能量⼀样的兼并能级。
在这种情况下，电⼦先⼀个萝⼘⼀个坑把所有的都占⼀遍，如果还剩电⼦，才会⼀个配⼀个的占满这些能级。
图5 （侵删）基于这些规律，我们会发现⼀个有趣的事实：在元素周期表中1. 惰性⽓体（ⅧA）的核外电⼦都恰好是全部成对的，因此不可能有净胜⾃旋；2. 主族元素（ⅠA ~ⅫA）虽然都有未配对电⼦，但在形成化合物时，这些电⼦⼀般都会成为价电⼦参与配对成键，因⽽也⼤都不具备明显的磁性；3. 只有过渡族元素具有⾮价电⼦的净剩⾃旋，因⽽也就是不同材料中磁性的主要承载者。
（⼆）、磁性的本质是什么，活着怎么从微观的⾓度解释磁性产⽣的原因作为⼀种物理场，磁场是看不见、摸不着但⼜客观存在的特殊物质。
它是磁性相互作⽤的媒介，有点神秘但却实实在在影响着我们的⽣活。
⽽题主的困惑来源于我们对磁性产⽣原因的混淆。
磁场的产⽣可以分为两⼤⽅⾯（如图1所⽰）：1、以运动电流为基础；2、以基本粒⼦的量⼦特征—⾃旋为基础。
我们需要将这两部分独⽴进⾏阐述。
题主所说的“⾼中我们就学习过，变化的电场周围会产⽣磁场”正是第⼀种起源，⽽题主接着提到的“⽐如⾮晶体中的磁性，另外有些晶体材料同样不具备明显的磁性等等”尽管不对，但其实指的就是第⼆种起源。
2. 我想多说的是第⼆个起源：以⾃旋为基础的铁磁性物质中的磁性。
磁性物理铁磁与顺磁
磁性物理铁磁与顺磁磁性是物质的一种基本性质，是物质固有的特性之一。
在物质中，存在着许多具有磁性的元素和化合物。
根据磁性的不同表现，可以将物质分为铁磁性、顺磁性、抗磁性和铁磁性等几种类型。
其中，铁磁性和顺磁性是最常见和重要的两种磁性现象。
本文将重点介绍铁磁性和顺磁性的基本概念、特点和应用。
铁磁性是指物质在外加磁场作用下，会产生明显的磁化现象。
铁磁性物质的代表是铁、镍、钴等金属，以及铁氧体等化合物。
铁磁性物质在外加磁场下，会形成磁畴结构，即微观上呈现出一定方向的磁矩排列。
在无外磁场作用时，铁磁性物质中的磁矩方向是无规则的，总磁矩为零；而在外磁场作用下，磁矩会沿着外磁场方向排列，使整个物质呈现出磁化特性。
铁磁性物质在去除外磁场后，仍能保留一定的磁化强度，这种现象称为剩磁。
铁磁性物质的磁化强度随外磁场的增大而增大，但在一定磁场强度下会达到饱和状态，无法再增加磁化强度。
顺磁性是指物质在外加磁场下，磁化方向与外磁场方向一致，但磁化强度较弱，且不会保留剩磁。
顺磁性物质的代表是氧气、铜等。
顺磁性物质中的原子或离子本身并不具有磁矩，但在外磁场作用下，会产生磁矩并沿外磁场方向排列，使整个物质呈现出磁化特性。
顺磁性物质的磁化强度随外磁场的增大而增大，但不会出现饱和现象，且去除外磁场后磁化强度立即消失。
铁磁性和顺磁性在物质的磁性表现上有着明显的区别。
铁磁性物质在外磁场下会形成磁畴结构，具有剩磁和矫顽力等特点，适用于制造永磁体、电磁铁等设备；而顺磁性物质在外磁场下磁化强度较弱，不具有剩磁和矫顽力，适用于磁共振成像、磁性材料的研究等领域。
除了铁磁性和顺磁性外，还有抗磁性和铁磁性等其他磁性现象。
抗磁性是指物质在外磁场下磁化方向与外磁场方向相反，磁化强度较弱，且不具有剩磁和矫顽力；铁磁性是指物质在外磁场下磁化方向与外磁场方向相反，磁化强度较强，但不具有剩磁和矫顽力。
这些不同类型的磁性现象在物质的磁性研究和应用中发挥着重要作用。
磁性物理学第一章物质磁性概述-磁性物理
如氧、铝、铂等金属，以及某些非金属如氮、氧等。
顺磁性特点
顺磁性物质的磁化率比抗磁性物质大，但仍然是微弱的。它们同样 不会自发磁化，且在外磁场撤去后无剩磁。
铁磁性物质
01
铁磁性定义
铁磁性是指物质在外磁场作用下，能产生很强磁化现象，且可以自发磁
化形成磁畴。
02
铁磁性物质举例
如铁、钴、镍及其合金等。
物质磁性影响因素分
04
析
温度对物质磁性影响
居里温度
物质磁性随温度变化的重要参数，当温度高于居里温度时，铁磁性物质转变为顺 磁性。
磁化率与温度关系
对于顺磁性物质，磁化率随温度升高而降低；对于铁磁性物质，在居里温度以下 磁化率随温度升高而降低，在居里温度以上转变为顺磁性。
压力对物质磁性影响
压力效应
磁性分类
根据物质在磁场中的表现，可分为铁 磁性、亚铁磁性、反铁磁性、顺磁性 和抗磁性等。
物质磁性来源
电子自旋磁矩
电子自旋产生的磁矩是物质磁性的主要来源。
电子轨道磁矩
电子绕原子核运动时产生的磁矩，对物质磁性有 贡献但通常较小。
原子核自旋磁矩
原子核自旋产生的磁矩，对物质磁性的贡献极小， 通常可忽略不计。
尔元件等，实现非接触式测量和自动控制。
磁记录材料应用领域
硬盘驱动器
磁记录材料用于制造硬盘驱动器的存储介质，实现数据的长期可 靠存储。
磁带
利用磁记录材料的磁化特性，制造磁带等线性存储设备，用于数 据的备份和归档。
磁卡
磁记录材料用于制造各种磁卡，如信用卡、门禁卡等，实现身份 识别和交易安全。
总结与展望
物质在压力作用下，原子间距减小，电子云重叠增加，导致 交换作用增强，从而影响物质的磁性。
磁介质-物质的磁性
在真空中，cm
=
0，M
=0，r=1，因此
B 0 H
37
比较：
电介质P 与磁介质M 的定义 E和D的高斯定理, B和H 的安培环路定理 各向同性的线性介质中：
真空中：
D = E, B= H
D = 0 E, B= 0 H
求出磁场分布.
24
[例]无限长均匀介质圆柱磁化强度为M，被其表面 的通电螺线管磁化，螺线管单位长度的匝数为n，其中 通以强度为If 的传导电流，求其内的磁感应强度（P239）
[解]传导电流If 在轴上任一点P的磁感应强度
B0 (P) 0nI f
25
内部的磁化电流密度Jm=▽×M = 0，而表面磁化 电流密度——沿介质圆柱表面纵向单位长度的磁化电 流为im =M ，这电流分布就好像另一个密绕的“螺线 管”.
H dl L
If
L内
是稳恒情况下，磁场安培环路定理的两种表示形式，它
们的微分形式分别是
B 0(J f Jm)
H J f
在有介质存在的情况下，磁场的“高斯定理”仍然是
SB dS 0
30
在均匀磁化的无限大磁介质中挖去一半径为r高度 为h的圆柱形空穴，其轴平行于磁化强度矢量M，试证 明： 1）对细长空穴(h>>r)，空穴中点的H与磁介质中的H相 等； 2）对于扁平空穴(h<<r)，空穴中点的B与磁介质中的B 相等。
磁畴体积大约10 –3 mm3 ，每个磁畴原子数约1012 至1015个.
在常温下，无外磁场作用时，磁畴热振动的无 序性, 使铁磁质没有表现出宏观磁性.
12
物质的磁性与磁场效应
物质的磁性与磁场效应磁性是物质特性中的一种，指的是物质在外加磁场作用下表现出的磁性行为。
磁性的存在和磁场的效应是物质世界中一项重要的研究内容。
本文将探讨物质的磁性以及磁场对其产生的效应。
一、什么是磁性？磁性是指物质在外加磁场作用下表现出的吸铁、排斥、磁导率改变等现象。
在理论上，物质的磁性可以归结为微观电流的存在。
当物质内部存在电流时，会形成一个微小的磁矩，即磁化强度。
当外加磁场作用于物质时，磁矩会与外磁场相互作用，进而导致物质磁化。
二、物质的磁性分类根据物质对磁场的敏感程度，可将物质的磁性分为顺磁性、抗磁性和铁磁性。
1. 顺磁性：顺磁性物质在外加磁场作用下，磁矩与磁场方向相同，即被磁化，常见的有锰、铝等。
2. 抗磁性：抗磁性物质在外加磁场作用下，磁矩与磁场方向相反，即逆磁化，常见的有铜、银等。
3. 铁磁性：铁磁性物质在外加磁场作用下，磁矩与磁场方向相同，且磁矩较大，常见的有铁、镍等。
三、磁场对物质的效应磁场对物质的效应主要表现在磁介质、磁导体和磁远效应三个方面。
1. 磁介质：磁介质是能够产生磁化的物质。
当一个磁介质置于外加磁场中时，其分子或原子的磁矩会与外磁场相互作用，导致磁介质整体磁化。
这种磁化可以消失，即磁介质在去除外磁场的作用下，会恢复到原始状态。
磁介质常用于电磁设备中，如磁铁、磁卡、磁带等。
2. 磁导体：磁导体是对磁场具有强烈响应的物质。
当一个磁导体置于外加磁场中时，由于其导电性能，电子会受到洛伦兹力的作用，产生电流，进而产生磁场。
这个磁场与外磁场相互作用，导致磁导体内部的电子运动受到限制，进而产生电磁阻力，这就是磁场对磁导体的效应。
磁导体广泛应用于电动机、发电机等设备中。
3. 磁远效应：磁远效应是指磁场作用于物质后，在物质内部产生一系列的电磁效应。
例如在变压器中，磁场作用于铁芯上，产生感应电流，进而导致铁芯内部磁场的改变，实现电能传输和转换。
四、物质的磁性与应用物质的磁性不仅仅是一种自然现象，也是工程技术和科学研究的基础。
第三章 磁学性能(磁性及其物理本质)
五、影响金属抗磁性及顺磁性的因素
；六、 磁化率的测量
磁秤 利用试样在非 均匀磁场中的受力情 况来确定它的磁化率。
利用与标准试样对比来确定它的磁化率。
但还有相当多的固溶体顺磁物质，特别是过渡族金属元 素是不符合居里定律的。它们的原子磁化率和温度的关系需 用居里-外斯定律来表达 。
居里-外斯定律
为居里温度 。 2. 磁化率与温度无关的顺磁质 碱金属Li、Na、K、Rb属于此类。
3.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的下降而下降，当 T→OK时，χ→常数；在TN处χ有一极大值，MnO、 MnS、NiCr、CrS-Cr2S、Cr2O3、FeS2、FeS等都属这 类。
顺磁体的χ-T 关系曲线示意图
四、金属的抗磁性与顺磁性 金属是由点阵离子和自由电子构成的，故金属的 磁性要考虑到点阵结点上正离子的抗磁性和顺磁性， 以及自由电子的抗磁性与顺磁性。 正离子的抗磁性源于其电子的轨道运动，正离子 的顺磁性源于原子的固有磁矩。 而自由电子的磁性的顺磁性源于电子的自旋磁矩， 自由电子的抗磁性源于共在外磁场中受洛仑兹力而 作的圆周运动，这种圆周运动产生的磁矩同外磁场 反向。 四种因素竞争的结果决定物质是否是抗磁体或 顺磁体。
电子循轨磁矩
电子的自旋磁矩
原子核的自旋磁矩
3.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 物质的磁性及其物理本质
3.2.1 原子磁性
原子由原子核和核外电子构成，核外电子在各自 的轨道上绕核运动的同时还进行自转运动。因此，分 别具有轨道磁矩和自旋磁矩。
第二章 物质的磁性(1)
（共2L+1个值）
PJ = J ( J + 1)ℏ
在磁场方向上的投影是量子化的，多值的。 此时不能立即给出两个电子的总磁矩。因为总动量矩 总动量矩 和总磁矩的方向是不重合的。 和总磁矩的方向是不重合的。
PJ
∵ PL = L( L + 1)ℏ, PS = S ( S + 1)ℏ,
µL = L( L + 1) µB µS = 2 S ( S + 1) µB
的 ms 状态，
的 ms 状态，所以总自旋：
1 1 S = 5 × − 1× = 2 2 2
ml
(n=3)
主量子数 n 代表主 壳层，轨道量子数 ll 代表次壳层，能 … 量相同的电子可以 视为分布在同一壳 层上。
主量子数相同的 电子数最多： 电子数最多：
ms
大多数原子基 态的电子组态可以 按此规律给出。 少数元素有些变化， 如： Cu:······3d10,4s1 Cr: :······3d5,4s1
适用于原子序数较小的原子在这类原子中不同电子之间的轨道轨道耦合和自旋自旋耦合较强而同一电子的轨道自旋耦合较弱因而各个电子的轨道角动量和自旋角动量先分别合成为一个总轨道角动量和总自旋角动量然后总轨道角动量和总自旋角动量再耦合成为该支壳层电子的总角动量
第二章 物质的磁性
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 原子磁矩 抗磁性 顺磁性 铁磁性 反铁磁性 亚铁磁性
A 是环形轨道面积，
电子具有质量 m，其轨道运动同时具有角动量 pl，
1 pl = mωr , µl = eωr 2 2
2
e µl = − p l = −γ l p l 2m
γl =
第五章 物质的磁性
M
χ
χ= C
T −Tc
1 χ
0
H
0
Tc
T
0
Tc
T
铁磁性物质的基本特征
· 其内存在按磁畴分布的自发磁化
· 磁化率很大
· 磁化强度与磁化磁场强度之间不是单值函数 关系，显示磁滞现象，具有剩余磁化强度； 其磁化率都是磁场强度的函数 · 有一个磁性转变温度--居里温度
· 在磁化过程中，表现出磁晶各向异性和磁滞 伸缩现象
Co αFe γFe Mn
Ni
Gd
r ab r3 d
Cr
当原子距离很大时, A→0。 随距离的减 小，相互 作用有所增加， A 为正值, 呈现铁磁性。
物质具有铁磁性的条件： （1）必要条件：原子中具有未充满的电子壳层， 即有原子磁矩。 （2）充分条件：交换积分A>0，交换能可表示为
2 ∑ Asi ⋅ s j Eex =−
（饱和磁化强度）
郎之万最早从理论上推导出居里定律，他开创 了从微观出发，用统计方法研究物质磁性的道路。 问题：没有考虑到磁矩在空间的量子化，因而 与实验结果相比，在定量上有较大的差别。
3、铁磁性(Ferromagnetic)
· 在很小的外磁场作用下产生很强的磁化强度，M>>H 磁化率可高达101～106 · 外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性，这种磁性 称为铁磁性 · 如：过渡金属Fe,Co,Ni和稀土金属钆、钇、钐、铕等
例如：MnO，由Mn2+和O2-离子组成
面心立方结构
(1) O2-离子没有净磁矩，其电子自旋磁矩和 轨道磁矩全都抵消了 (2) Mn2+离子有未成对3d 电子贡献的净磁矩 (3) 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
大学物理物质磁性
电子绕原子核作轨道运动——轨道磁矩
电子有自旋
——自旋磁矩
分子磁矩 —— 所有电子磁矩的总和
分子磁矩可以用一个等效的圆电流来表示。
抗磁质 Pm 0
p m
无外场作用时，对外不显磁性
I
顺磁质 Pm 0
无外场作用时，由于热运动，对外也不显
磁性
2、磁介质的磁化
顺磁质磁化机理——来自分子的固有磁矩
无外磁场： ——未磁化状态
讨论
对于各向同性 介质，在外磁场不太强的情况下 B μ 0μ rH μ H
一定条件下，可用安培环路定理求解磁场强度， 然后再求解磁感应强度。
例 一无限长载流直导线，其外包
I
围一层磁介质,相对磁导率
R1
r 1
求 磁介质中的磁感应强度
i2 '
R2
i1'
r
解 根据磁介质的安培环路定理
LHdl H2r I
加外磁场：
分子固有磁矩受外磁场的作用
分子磁矩沿外磁场方向排列
产生附加的磁场
B0
B1'
抗磁质磁化机理 ——电子轨道在外磁场作用下发生变化
无外磁场： 分子中每个的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和 不为零， 但分子的固有磁矩等于零，所以不显磁性。
f当外场方向与P分m子(磁矩Pm方) 向相同B时0
Pm
电子轨道半径不变
10.7 物质的磁性
一、磁介质的分类
1、磁介质 能够磁化的物质称作磁介质
2、介质的磁化 电介质放入外场 E 0
磁介质放入外场 B 0
E
E0
E
'
E
E
0
B B0 B
B ' 的方向，随磁介质的不同而不同。
15 物质的磁性
R1 = R2 = r
19
j′ = M 表
第15章 物质的磁性
M = 7.94 ×105 A/m
j = 7.94 × 105 A/m
讨论：设想把这些磁化面电流也分成每米 讨论：设想把这些磁化面电流也分成每米103匝， 相当于分到每匝有多少？ 相当于分到每匝有多少？
7.94 × 10 5 j′ / n = = 794(A ) >>2(A) 10 3 v v v B = B0 + B ′ 充满铁磁质后 v v v v B ′ >> B 0 或 B ≅ B ′
20
第15章 物质的磁性
§15.5 铁磁质
一、铁磁质的宏观性质 二、磁滞现象 三、硬磁材料和软磁材料 四、居里点 五、磁致伸缩
21
第15章 物质的磁性
铁磁质中起主要作用的是电子的自旋磁矩。 铁磁质中起主要作用的是电子的自旋磁矩。各电 子的自旋磁矩靠交换偶合作用使方向一致， 子的自旋磁矩靠交换偶合作用使方向一致，从而 磁畴。 形成自发的均匀磁化小区域 —— 磁畴。
6
第15章 物质的磁性
v ∑Pm = 0
v B0
v P m
磁化的微观解释
(只有顺磁质、铁磁质才具有顺磁性) 只有顺磁质、铁磁质才具有顺磁性) 当外场方向与原子磁矩方向相同时
v f
ω↓
v v P ↓ (∆P ) m m
电子轨道半径不变 当外场方向与原子磁矩反方向时
v f
7
ω↑
v v P ↑ (∆P ) m m
v v B' = ∑∆B'
与外场方向相反
9
经典模型解释： 经典模型解释：电子原 有的轨道运动在磁力矩 作用下旋进。 作用下旋进。
物质的磁性(i)——抗磁性顺磁性和铁磁性
其中
为玻尔磁子，是物
7
质磁矩的最小单元。
二、电子的自旋磁矩（本证磁矩） 电子的自旋是在研究原子的线状光谱时被提出来的，并发现
了光谱线的精细结构。为了解释这种谱线结构，有个重要的假设： 电子具有自旋角动量（本证角动量）和自旋磁矩（本证磁矩）。
自旋角动量在任意方向的外磁场中的投影值
与之相应的电子自旋磁矩在外磁场方向的投影为 注意的是，
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
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87
88
设两个电子的轨道角动量量子数分别为l则其总轨道角动量l的量子数可取值为对于确定的l值为总轨道角动量l总轨道磁矩的绝对值分别为同样设两个电子的自旋量子数分别为s1和s2则总自旋量子数s的可能取值为其中为朗德因数或光谱分裂因数四洪德定则该定则是洪德基于对原子光谱的分析而总结出来的经验法则
第一章：物质的磁性（I） ——抗磁性、顺磁性和铁磁性
后来证明，巡游电子模型更加接近过渡金属磁电子的真实状 态。近20多年来，守谷等人建立了自旋涨落的自洽重整化理 论并用这一理论对弱铁磁性金属（ZrZn2，Sc3In）进行了计 算，导出了居里-外斯定律。在这基础上，守谷进一步提出 弱铁磁性金属中的居里-外斯定律源于自旋涨落的新物理思 想。在这一思想的指导下，守谷提出了用自旋涨落来统一局 域电子模型和巡游电子模型的模型。
其中
为轨道面积。
电子运动的轨道角动量为 6
于是有
按其态量中在子rn出,力l,的m 学分l,理m 布论s是 概，率轨表 。道根电征 据子量的状 子运力动态 学状的态的 解应释n四 以l，m lm 波s空个 函r间数2量表 量 子nl数lm 示 ， ms的r物表该理示状
物质的磁性(磁介质)
化电流线密度。
解：
2rH I I l H 2r M m H (r 1) H
( r 1) I M ( r 1) H 2r
i i
S
dl
M
en
dI dl
M cos
dI
dl
S
M
M sin M en
S
dl
dI Mdl cos M dl or dI dl M en dl
m ：介质的磁化率
B 0 (H M ) 0 (1 m )H
r 1 m
B 0 r H H
：介质的磁导率
r ：介质的相对磁导率
r 1 m 0 顺磁质 r 1 m 0 抗磁质
[例15-2] 求磁介质中的磁化强度、磁感应强度及其表面磁
同向时
, B0
'
v
F
反向时
抗磁质内磁场
B B0 B
m
分子圆电流和磁矩
I
B B0 B
'
Is
顺 磁 质 的 磁 化 无外磁场 演示 有外磁场
B0
15.2 磁化强度和磁化电流
一 、 磁化强度
定义：
M
mi
i
意义 磁介 质中单位体积内 分子的合磁矩.
B B0
（铝、氧、锰等） （铜、铋、氢等） （铁、钴、镍等）
弱磁质
一、电子的磁矩
电子以：v, r
磁性物质与磁性现象
磁性物质与磁性现象磁性物质是我们日常生活中常见的一种物质。
从冰箱门上的磁铁到电脑中的硬盘，无处不在的磁性物质给我们带来了很多便利。
那么，什么是磁性物质？磁性物质又如何产生磁性现象呢？在本文中，我们将会探讨磁性物质与磁性现象的相关知识。
1. 磁性物质的定义及种类磁性物质是指具有磁性的物质。
这些物质在外加磁场作用下会发生磁化，产生磁性现象。
常见的磁性物质包括铁、镍、钴等金属，以及一些合金和矿石。
除了这些金属外，还有一些非金属材料也具有磁性，比如磁体氧化物、胶体磁性物质等。
2. 磁性物质的特性磁性物质具有以下特性：2.1 磁化：磁性物质在外加磁场的作用下，分子和原子内部的自旋有序排列，形成磁性区域，使整个物质呈现出磁性。
2.2 磁导率：磁性物质对磁场的响应能力。
磁导率越大，磁性物质在外加磁场下的磁化程度越高。
2.3 磁滞回线：在外加磁场作用下，磁性物质的磁化程度随着磁场的变化呈现出一定的滞后性。
当磁场的方向和大小发生变化时，磁性物质的磁化程度也会随之变化。
3. 磁性现象的产生机制磁性现象是磁性物质在外加磁场作用下产生的物理现象。
产生磁性现象的机制主要包括以下几种：3.1 域结构理论：磁性物质内部包含着许多微观区域，称为磁畴。
每个磁畴都具有自己的磁化方向。
在没有外加磁场时，各个磁畴的磁化方向是随机的，整个物质没有表现出明显的磁性。
当外加磁场作用时，各个磁畴会优先沿着磁场方向磁化，形成更大的磁畴，从而使整个物质具有磁性。
3.2 磁矩理论：磁性物质中的原子或分子具有自旋和轨道运动，从而产生磁矩。
在外加磁场作用下，磁矩会受到力矩的作用，使物质发生磁化，形成磁性。
3.3 电流磁场理论：根据安培定律和法拉第电磁感应定律，当电流通过导线时，会产生磁场。
磁性物质中的电子也具有电流，因此在外加磁场下，电子的运动形成电流磁场，从而产生磁性。
4. 磁性物质在实际应用中的重要性磁性物质在很多领域都有重要的应用价值。
下面将介绍磁性物质在几个典型领域的应用：4.1 电子技术：磁性物质是电子技术中的重要材料之一。
物质的磁性
物质的磁性
1物质的磁性
物质的磁性是指物质对磁场的反应能力，是理解物质结构和性质的重要体现。
从根本上讲，一个物质的磁性取决于它的原子的构成，原子的构成又取决于它的每个原子的电子的构型。
自古以来，物质的磁性一直被认为是影响物理和化学性质的重要因素，是研究化学性质和物理性质的一个核心内容。
1.1物质的磁性来源
早期，物质的磁性是由看不到的磁子的粒子性质以及电带的位置引起的。
此外，磁性也可以由由电子的自旋导致的。
科学家认为，电子在原子轨道上运动时，电子的積極性及自旋的存在，会令原子具有磁性。
另外，原子的结构以及原子的相互作用也会影响物质的磁性。
1.2物质的磁性相互作用
物质的磁性在微观与宏观方面都发挥着极其重要的作用。
在微观层面，物质的磁性会影响到原子分子的结构和电子的运动，从而影响到原子分子的化学反应；在宏观层面，物质的磁性会面对磁场而产生磁力，控制物质的形态结构，同时也影响到热效应，力学效应与化学反应。
总之，物质的磁性是统计物质结构与性质的重要性质之一，影响着物质在磁场中对有效力矢量的响应，影响物理性质和化学性质，与物质的结构有着直接联系，在物理与化学领域均占据着重要地位。
第一章 物质磁性概述(New)
自由真空中M=0，B与H平行， B 0H
磁体内部，B与H不一定平行，B 0H J
磁学量的单位制：
使用Gauss单位制时， B H 4M
和 B 0 H Bi
此时，B的单位为G，H的单位为Oe，μ0=1G / Oe 式中M为磁极密度，单位为G，4πM为磁通线的密度。
SI制与Gauss制间的转换 B：1G=10-4T H：103A ∙ m-1的H有4πOe的值，
103/4π A ∙ m-1=79.577A ∙ m-1=1 Oe
磁矩： 在Gauss单位制中μ0=1G / Oe ，则磁偶极矩与磁矩无 差别，通称为磁矩，单位为电磁单位（e.m.u）
1e.m.u(磁偶极矩)＝ 4π ×10－10 Wb∙m 1e.m.u(磁矩)＝ 10－3A ∙ m2 磁化强度： Gauss单位制中，磁极化强度（J）与磁化强度（M） 相同，单位：G
P
T
C TP
，居里－外斯定律
1/ d
O
T
其中：C为居里常数，TP为顺磁性居里温度。
三、反铁磁性
T
TN，服从af
T
C Tp
，但Tp
0
T TN , af不增反降，并逐渐趋于定值。
1
即在T＝TN（奈尔温度）时， χaf 最大。
O
TN
T
三、反铁磁性
T<TN时，其内部磁结构按次晶格自 旋成反平行排列，每一次晶格的磁矩 大小相等、方向相反，故它的宏观磁 性等于零，只有在很强的外磁场作用 下才能显示出微弱的磁性。
T
Tc TP
五、亚铁磁性
内部磁结构却与反铁磁性相同，但相反排列的磁矩 大小不等量。故亚铁磁性具有宏观磁性（未抵消的
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值为：l 0,1,2,(n 1)
所以电子的轨道磁矩为：
l
l(l 1) e 2m
B
e 2m
可以作为原子磁矩的基本单位，称作玻尔磁子
B 9.2726 1024 A m2
如果使用磁偶极矩的 概念，其单位是：
B
0e
2m
1.16528 1029 Wb m
§2.1 原子磁矩
从 pl 和 μl的表达式可以看出：电子处于 l = 0 ,即 s 态时 电子的轨道角动量和轨道磁矩都等于0，这是一种特殊的统计 分布状态。而 l ≠ 0 时电子轨道磁矩不为 0，其绝对值并不 是玻尔磁子的整数倍，但轨道角动量和轨道磁矩在空间都是
角动量的绝对值：ps
s(s 1)
3 2
2
1
而自旋角动量在外场中的分量只取决于自旋量子数 ms 2
ps z ms
1 2
S
实验表明：与自旋角动量相联系的
e
自旋磁矩 s 在外磁场方向上的投
u
影刚好等于一个玻尔磁子。
S
s s ps ,
s
e m
称作自旋旋磁比
§2.1 原子磁矩
从上面的讨论中，不难看到：不论是自旋磁矩，还是
● Ze
轨道的形状由角动量 l 决定
K
l = 0, 1, 2, 3,……..n-1
L
又称为s, p, d, f, g,……..电子
M
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ml决定
ml = l, l-1, l-2,……0,…..-( l-1), -l 共有(2 l +1)个值
2
，P l
所以：
l
e 2m
ple 2m
称作轨道旋磁比
u l
§2.1 原子磁矩
原子中的电子应该服从量子力学规律，其运动状态应该由
波函数 nlmlms (r) 确定，这时动量矩应该由角动量来代替，角
动量是量子化的，当电子运动的主量子数为 n 时，角动量的
绝对值为：pl l(l 1) 其中 l 是角量子数，式中 l 的可能
子态上只能有一个电子。 2. 能量最小原理：体系能量最低时，体系最稳定。
§2.1 原子磁矩
2.1.3原子的电子分布：按上述原则构造的原子结构如下：
核外电子结构用四个量子数 n.l.ml.ms 表征：( 多电子体系 ) 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
§2.1 原子磁矩
电子在原子中的分布首先从最低能量的壳层填起，逐步到 达能量较高的壳层。当某未满壳层中包含多个电子时，该支壳 层的电子首先按角动量耦合原则耦合成一个总角动量。原子磁 矩是和这个总角动量相联系的。
电子角动量耦合的方式有两种：
1. 自旋－轨道耦合：适用于原子序数较小的原子，在这 类原
子中，不同电子之间的轨道-轨道耦合和自旋-自旋耦合较强，
基态原子的电子在原子轨道中填充的顺序是： 1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,7s,5f,6d
§2.1 原子磁矩
占满电子的壳层对原子磁矩无贡献：
当电子填满某一电子壳层时，各电子的轨道运动和自旋 取向就占据了所有可能方向，形成一个球形对称集合，这样 电子自身具有的动量矩和磁矩必然相互抵消，因而，凡是占 满电子的壳层，其总动量矩和总磁矩都为零。只有未填满电 子的壳层上的电子才会对原子磁矩作出贡献。这种未满壳层 称为磁性电子壳层。
轨道磁矩，在外磁场中的观察数值都是玻尔磁子 B的整
数倍。这就是选它做磁矩单位的理由。
知道了电子的轨道磁矩和自旋磁矩后，还需要知道它 们是如何耦合的，才能计算出原子的磁矩，而且在核外电 子多于一个的情况下，还必须考虑电子的分布规律。
在多电子原子中，决定电子所处状态的准则有两条： 1. Pauli不相容原理：在已知体系中，同一（n,l,ml,ms)量
§2.1 原子磁矩
2.1.1 电子轨道运动产生的轨道磁矩：
从经典观点看：一个绕原子核运动的电子，相当于一个 环形电流，根据定义，它的轨道磁矩为：
l
i
A
e T
A
A 是环形轨道面积， (T 2 , A r2)
电子具有质量 m，其轨道运动同时具有动量矩 pl
在圆形轨道近似下
pl mr2 ,
l
1 er2
物质的磁性
§2.1 原子磁矩
关于物质磁性起源曾有过分子电流学说和磁偶极矩学说， 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
宏观物质由原子组成，原子由原子核及核外电子组成， 由于电子及组成原子核的质子和中子都具有一定的磁矩， 所以宏观物质毫无例外的都具有一定的磁性，宏观物质磁 性是构成物质原子磁矩的集体反映。电子质量比质子和中 子质量小 3 个量级，电子磁矩比原子核磁矩大 3 个量级， 因此宏观物质的磁性主要由电子磁矩所决定。本节考虑孤 立原子的磁矩。
量子化的，它们在外磁场方向的分量不连续，只是一些由磁
量子数 ml = 0, ±1, ±2, ±3, ···, ±l 确定的（2l + 1 ) 个间断 值，所以在磁场方向，磁矩分量都是玻尔磁子的整数倍。
§2.1 原子磁矩
2.1.2 电子的自旋磁矩：
电子磁矩的第二个来源是电子具有自旋磁矩，它是电子的
本征性质，电子的自旋角动量取决于自旋量子数，s 1 自旋
电子自旋量子数 由 ms 决定
S 1 2
§2.1 原子磁矩
n
(n=3)
主量子数 n 代表主 壳层，轨道量子数
l 代表次壳层，能
量相同的电子可以
l
视为分布在同一壳
层上。
ml
主量子数相同的 电子数最多：
ms
§2.1 原子磁矩
大多数原子基态 的电子组态可以按此 规律给出。 少数元素有些变化， 如： Cu:······3d10,4s1 Cr: :······3d5,4s1
而同一电子的轨道-自旋耦合较弱，因而，各个电子的轨道角动
量和自旋角动量先分别合成为一个总轨道角动量和总自旋角动
量 ，然后，总轨道角动量和总自旋角动量再耦合成为该支壳层
电子的总角动量 。 PL pl PS ps PJ PL PS
§2.1 原子磁矩
2. j-j 耦合：适用于原子序数 Z＞82 的原子，在这类原子 中，同一电子的轨道-自旋耦合较强，每个电子的轨道角动量 和自旋角动量先合成为电子的总角动量，然后各个电子的总角 动量再合成为该电子壳层的总角动量。