固体磁学性质与磁性材料
固体材料的磁性研究
固体材料的磁性研究近年来，固体材料的磁性研究在科学界引起了极大的关注。
磁性材料不仅在磁存储、磁传感器和电磁设备等领域有着广泛的应用，而且对于深入了解物质的性质和相互作用也起着关键的作用。
本文将就固体材料的磁性研究进行探讨。
首先，固体材料的磁性是由其中所含的磁性原子或离子所决定的。
磁性原子或离子具有自旋磁矩，其自旋在外加磁场的作用下产生磁矩的定向，从而呈现出磁性行为。
根据材料的磁性表现，可将固体材料分为顺磁性、抗磁性和铁磁性。
顺磁性材料中的磁矩与外加磁场平行或反平行，导致磁性的增强或削减。
顺磁性物质在外加磁场的作用下会产生磁化强度增加的现象，这种材料常见的例子有铁、铝和锶等元素。
抗磁性材料中的磁矩与外加磁场方向始终垂直，使材料在外加磁场作用下呈现出磁矩的减小。
抗磁性材料的一个例子是铜。
最重要的是铁磁性材料，铁磁性材料中的磁矩与外加磁场平行或反平行，可以自发地在无外加磁场时形成磁畴结构。
铁磁性材料的晶体结构中，磁矩呈现出有序排列的状态，即形成各向同性的磁畴。
在铁磁性材料中，磁畴之间存在磁畴壁，通过改变外加磁场的方向，可以通过壁移动或磁畴翻转的方式实现磁化翻转。
铁磁性材料常见的例子有铁、镍和钴等元素。
在固体材料的磁性研究中，单晶材料和多晶材料的磁性行为往往有所差异。
单晶材料中，由于晶体的各向异性，磁性行为往往更加复杂。
而多晶材料中，不同晶粒间的晶界会对磁性行为产生影响。
此外，对于一些非晶态或纳米晶材料，其磁性行为也具有独特的特点。
除了材料本身的特性外，外部条件对于固体材料的磁性研究也具有重要作用。
温度是一个重要的因素，温度的变化会导致材料的磁性行为发生改变。
低温下，材料往往呈现出强磁性，而高温下，材料可能失去磁性或呈现出顺磁性。
此外，压力和磁场等外部条件也会对材料的磁性行为产生明显的影响。
通过改变外部条件，可以实现对固体材料磁性的控制和调控。
固体材料的磁性研究不仅涉及到实验和观测，还需要理论模型的构建和计算模拟的开展。
固体物理学中的磁性材料及其应用
固体物理学中的磁性材料及其应用随着科技的不断发展，磁性材料在现代工业中扮演着越来越重要的角色。
作为一种特殊的固体物质，磁性材料具有很多优异的物理和化学性质，使得它被广泛应用于现代工业、医学、生物学等领域。
本文将介绍固体物理学中的磁性材料及其应用。
一、磁性材料的基本概念磁性材料是指能够吸引铁、镍、钴等磁性金属的材料，其主要特点是在外部磁场的作用下，其内部自发地产生磁场，表现为磁化。
磁性材料可根据其磁滞曲线形状分为软磁性材料和硬磁性材料两大类。
软磁性材料的磁滞曲线呈现出相对平缓的倒钟形，其主要应用于电子变压器、电感器、磁性头等电子元器件中。
硬磁性材料的磁滞曲线呈现出明显的"开口"形状，具有很高的矫顽力和剩磁，其主要应用于电机、电磁铁、磁盘等领域。
二、磁性材料的种类及其性质1、铁磁性材料铁磁性材料具有很强的磁性，在磁化后能够持久地保持磁性。
目前应用较多的铁磁性材料主要包括铁、钴及其合金、氧化铁、钡铁酸盐等。
其中，铁是一种典型的铁磁性材料，其磁化强度和磁导率较高，应用广泛。
氧化铁是一种非晶态磁性材料，具有小的磁滞损耗、较高的矫顽力等特点，常用于高频电子元器件中。
2、顺磁性材料顺磁性材料是指在外磁场作用下，其磁矩方向和外磁场方向一致，而不像铁磁性材料那样在磁化后仍然保持磁性。
目前应用较多的顺磁性材料主要包括铝、铜、锌等。
这些材料在制备过程中需要去除其中的杂质，以获得较高的磁化率和磁导率。
3、抗磁性材料抗磁性材料是指在外磁场作用下，其磁矩方向与外磁场方向相反，因而不能被磁化，比如铜、银、金等。
这些材料应用于磁感应计、磁强计等测量仪器中。
三、磁性材料的应用1、计算机、通信技术磁盘是计算机的重要存储设备，用于存储大量的数据信息。
在磁盘的制造中，磁性材料起到了重要作用。
当外磁场作用于磁盘时，磁盘的表面就会形成一定的磁性图案，这些磁性信息将被磁头读取，并转化为电信号，最终被计算机处理。
2、医学领域磁性材料在医学领域中应用广泛。
固体物理-第七章 固体的磁性讲解
对于L-S耦合有, PL =i pli PS =i psi PJ=PL+PS 7.1.1.9 则原子磁矩 m = mL +mS = -e (PJ +PS )/2m 7.1.1.10
7.1.1.10式表明, 原子磁矩m与总角动量PJ不在同一方向，如果引入有效原子磁矩mJ, 即,
m在PJ方向的分量则有 mJ =-gePJ /2m
单位 安米 磁化强度
7.1. 原子的磁性
原子的磁矩来源于原子核, 核外电子的轨道磁矩和自旋磁矩. 但原子核的磁矩只有电子磁矩的1/1836.5.所以，很多问题 中可以忽略不计.
7.1.1. 原子磁矩
这里所讨论的是孤立原子的磁矩。
1.电子轨道磁矩
核外电子绕原子核运动具有角动量p, 同时还形成环电流. 此环流产生磁矩,即轨道磁矩, 根据量子力学的结果, 电子的轨 道磁矩ml与其角动量pl成正比,
第七章 固体的磁性
• • • • • • • 7.1. 原子的磁性 7.2.抗磁性与顺磁性 7.3.金属传导电子的磁化率 7.4. 磁有序 7.5.铁磁性的分子场理论 7.6.磁畴与技术磁化 7.7.铁磁性的量子力学概述
第七章 固体的磁性
基本概念回顾 环形电流的磁矩 m=iA 磁场H在真空中的磁感应强度B0=m0H， 磁场H在物质中的磁感应强度B=mH，
7.1.1.11
7.1. 原子的磁性
J 为总角量子数， 有效原子磁矩的大小为 mJ =|-gePJ/2m|=g[J(J +1)]1/2mB 7.1.1.12 为了求出g , 把7.1.1.11式两边点乘PJ得 , g=mJ PJ/(-ePJ2/2m) 把mJ =-e(PJ +PS )/2m代入，得 g =(PJ+PS )PJ/PJ2=1+PSPJ/PJ2 7.1.1.13 把PL=PJ – PS两边平方 PSPJ=(PJ2-PL2+PS2)/2 因此, g=1+(PJ2-PL2+PS2)/(2PJ2) 7.1.1.14
磁学与磁性材料
磁学与磁性材料磁性材料是一类特殊的材料，具有吸引或排斥铁磁物质的能力。
磁学是研究磁现象和磁性材料的学科。
本文将对磁学和磁性材料的相关概念、应用和发展进行探讨。
一、磁学的基本概念磁学是物理学的一个分支，主要研究磁性现象和磁性材料的性质。
它涉及磁场、磁矩、磁感应强度和磁化强度等基本概念。
磁场是指周围存在磁流的区域，它可以由磁铁、电流或磁体产生。
磁矩是物质内部微小的磁元件，它具有带电粒子产生的磁性。
磁感应强度是磁场对空间中的磁性物体施加的作用力，可以用来描述磁场的强度和方向。
磁化强度是磁性材料在外磁场作用下磁化的程度。
二、磁性材料的分类与性质磁性材料可以根据其磁性质分为铁磁材料、顺磁材料和抗磁材料。
铁磁材料具有明显的自发磁化特性，如铁、镍、钴等。
顺磁材料受外磁场作用后，磁化方向和磁场方向一致，如氧化铁、铁氧体等。
抗磁材料不具备自发磁化特性且在外磁场下磁化弱，如铜、银等。
磁性材料的性质与其微观结构密切相关。
在铁磁材料中，微观磁矩相互作用导致自发磁化；在顺磁材料中，外加磁场作用下，电子磁矩与磁场方向一致；在抗磁材料中，微观磁矩相互作用导致自发磁化方向相反。
三、磁性材料的应用领域磁性材料在众多领域中都起着重要作用。
在电子技术领域，磁性材料广泛应用于电感器、变压器、磁盘驱动器等设备中；在能源领域，磁性材料用于制造磁能转换器件，如风力发电机、水力发电机等；在医学领域，磁性材料在核磁共振成像、磁控释药等方面具有广泛应用；在磁记录领域，磁性材料用于制造硬盘、磁带等存储设备。
四、磁学与磁性材料的发展趋势随着科学技术的不断进步，磁学和磁性材料领域也在不断发展。
一方面，磁学的理论模型和磁性材料的制备工艺不断改进，使得磁性材料的性能得到了提升；另一方面，新型磁性材料的研究和应用也不断推进，如自旋电子学材料、磁性纳米粒子等。
这些新材料和新技术的出现，不仅给电子技术、信息技术和能源技术等领域带来了新的发展机遇，还为科学家们研究磁学现象和磁性材料的本质提供了更多的实验条件和理论基础。
第6章固体的磁学性质和磁性材料.ppt
(二)物质磁性的普遍性
物质磁性的普遍性首先表现在它无处不在： （1）物质的各种形态，无论是固态、液态、气态、等离子态、超高密度态 和反物质态都会具有磁性； （2）物质的各个层次，无论是原子、原子核、基本粒子和基础粒子等都会 具有磁性。 （3）无限广袤的宇宙，无论是各个天体，还是星际空间都存在着或强或弱 的磁场。例如：地球磁场强度约为240A/m，太阳的普遍磁场强度约为80A/m，而 中子星的磁场强度高达1013-1014A/m。 物质的磁性的普遍性还表现在磁性与物质的其他属性之间存在着广泛的联系， 并构成多种多样的耦合效应和双重（多重）效应（例如磁电效应、磁光效应、磁 声效应和磁热效应等）。这些效应既是了解物质结构和性能关系的重要途径，又 是发展各种应用技术和功能器件（例如磁光存储技术、磁记录技术和霍尔器件等） 的基础。
Ni2+
O2-
Ni2+
图6.5 超交换作用
Pz轨道
dz2轨道
Ni2+离子有8个d电子，在八面体配位环境中，只有其中2个电子为成单 状态，它们占据八面体晶体场中的eg轨道（dz2和dx2-y2）。
这些轨道是平行于晶胞轴取向的，因此指向毗邻的氧负离子O2-。Ni2+离
子的eg轨道上的未成对电子能与O2-离子p电子进行磁耦合，耦合过程发生电 子从Ni2+离子的eg轨道跃迁到O2-离子的p轨道。这样，每个O2-离子的p轨道上 就有2个反平行耦合的电子。所以，NiO晶体中允许直链耦合发生，总结果
（三）物质磁性的特殊性和多样性
1. 电子交换作用 原子磁矩为零的物质具有抗磁性（Diamagnetism）。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）
磁学的基础概念和磁性材料特性
磁学的基础概念和磁性材料特性磁学是物理学的一个重要分支，研究物质中的磁性现象以及磁场的产生和作用。
磁学的研究内容非常广泛，从最基本的磁性概念到磁性材料的特性都是磁学的重要内容。
磁性是物质的一种基本性质，表现为物质在外磁场作用下产生磁化的能力。
根据物质对外磁场的响应，可以将物质分为顺磁性、抗磁性和铁磁性三类。
顺磁性是指物质在外磁场作用下，磁矩与外磁场方向相同，而磁化强度较弱，且随外磁场的增强而增加。
顺磁性物质中的原子或离子具有未成对的电子自旋，这些电子自旋在外磁场的作用下会被排列起来，从而产生顺磁性。
抗磁性是指物质在外磁场作用下，磁矩与外磁场方向相反，且磁化强度较弱。
抗磁性物质中的原子或离子的电子自旋总数为偶数，因此在外磁场的作用下，磁矩相互抵消，导致物质呈现出抗磁性。
铁磁性是指物质在外磁场作用下，磁矩与外磁场方向相同，且磁化强度较强。
铁磁性物质中的原子或离子具有未成对的电子自旋，并且这些电子自旋在外磁场的作用下会被排列起来，形成一个较强的磁矩。
铁磁性物质在外磁场的作用下，磁矩的排列会发生变化，从而产生明显的磁化。
磁性材料是指具有磁性的物质，广泛应用于电子、通信、磁存储等领域。
根据磁性材料的特性，可以将其分为软磁性材料和硬磁性材料。
软磁性材料是指在外磁场作用下，能够快速磁化和去磁化的材料。
软磁性材料具有低的矫顽力和高的磁导率，能够有效地吸收和放出磁场能量。
软磁性材料广泛应用于变压器、电感器等电子设备中，用于实现能量的传输和转换。
硬磁性材料是指在外磁场作用下，能够长时间保持磁化状态的材料。
硬磁性材料具有高的矫顽力和高的剩磁，能够产生强大的磁场。
硬磁性材料广泛应用于磁头、磁盘等磁存储设备中，用于实现信息的读写和存储。
除了软磁性材料和硬磁性材料，还存在一些特殊的磁性材料，如铁氧体、钕铁硼和钴磁体等。
这些材料具有特殊的磁性特性，可以在特定的应用领域中发挥重要作用。
总之，磁学是物理学的一个重要分支，研究物质中的磁性现象以及磁场的产生和作用。
固体物理中的磁性
固体物理中的磁性磁性是固体物理中一个非常重要且有趣的现象。
它是指物质在存在外部磁场的作用下，产生磁化强度并展示出相应的磁特性。
在本文中，我们将探讨固体物理中的磁性现象，并介绍其中的一些关键概念和应用。
一、磁矩的概念与分类磁矩是固体物体表现出磁性的根本性质。
磁矩可以分为两类：原子磁矩和宏观磁矩。
1. 原子磁矩原子磁矩是由原子中带电粒子（如电子）所产生的微小磁矢量。
它的大小与原子的电子结构有关。
根据原子磁矩的大小和方向，物质可以分为顺磁性、抗磁性和铁磁性。
- 顺磁性：顺磁性物质中的原子磁矩与外磁场方向相同，被外磁场激发后会增强磁化强度，如氧气和铜等。
- 抗磁性：抗磁性物质中的原子磁矩与外磁场方向相反，被外磁场激发后会减弱磁化强度，如银和铝等。
- 铁磁性：铁磁性物质中的原子磁矩与外磁场方向相同，但铁磁性物质在外磁场的作用下会呈现出一定的剩余磁化强度，如铁和镍等。
2. 宏观磁矩宏观磁矩是由大量原子磁矩的矢量和所构成的磁化强度。
物质的宏观磁矩可以进一步分为顺磁性、抗磁性和铁磁性。
- 顺磁性：顺磁性物质在外磁场的作用下会呈现出强磁化特性。
这种磁性主要源于物质内部原子磁矩的耦合和分布，如铁矿石及其合金等。
- 抗磁性：抗磁性物质在外磁场的作用下会呈现出阻止磁化的特性。
这种磁性主要源于物质内部原子磁矩的耦合和分布，如铜和铅等。
- 铁磁性：铁磁性物质在外磁场的作用下呈现出显著的剩余磁化强度，其磁矩可以保持，并在去除外磁场后不会消失，如铁和钴等。
二、固体磁性的产生机制固体物质的磁性是由其原子磁矩的相互作用和排列所决定的。
根据不同的磁性机制，固体材料可以进一步分为顺磁体、抗磁体和铁磁体。
1. 顺磁体顺磁体的磁性主要是由物质内部原子磁矩的排列和分布造成的，其磁矩在外磁场的作用下与外磁场方向一致，从而增强磁化强度。
顺磁体的磁矩大小与外磁场强度呈线性关系，磁化过程是连续的。
2. 抗磁体抗磁体的磁性也是由物质内部原子磁矩的排列和分布所决定的，其磁矩在外磁场的作用下与外磁场方向相反，从而减弱磁化强度。
磁学基础与磁性材料
磁学基础与磁性材料1. 引言磁学是研究磁场和磁性材料特性的学科。
磁性材料是一类具有磁性的材料，它们在外加磁场作用下会发生磁化现象，并且具有一系列特殊的磁性特性。
磁学基础是理解和研究磁性材料的基础，本文将介绍磁学基础的一些重要内容，以及常用的磁性材料。
2. 磁学基础2.1 磁场磁场是指存在于一个区域内的磁力场。
磁场由磁针、磁体等产生，其物理量可以用矢量表示。
在磁学中，我们常常用磁感应强度（B）表示磁场的强弱，单位是特斯拉（T）。
2.2 磁矩磁矩是一个物体产生磁场的特性量。
它是由物体内部微观电荷或电流的旋转运动所导致的。
磁矩可以用矢量表示，它的单位是安培·米（A·m^2）。
2.3 铁磁性材料铁磁性材料是一类具有较强磁性的材料。
在外加磁场下，铁磁性材料可以产生自发磁化现象，并且保留很长时间。
常见的铁磁性材料有铁和钙钛矿结构的氧化物等。
2.4 顺磁性材料顺磁性材料是一类具有较弱磁性的材料。
在外加磁场下，顺磁性材料会发生磁化现象，但是磁化程度相对较弱。
常见的顺磁性材料有铁氧体和氯化亚铁等。
2.5 抗磁性材料抗磁性材料是一类对磁场几乎没有响应的材料。
在外加磁场下，抗磁性材料只会发生微弱的磁化现象，并且在去掉磁场后会迅速恢复到无磁化状态。
常见的抗磁性材料有铜和锌等。
3. 磁性材料的应用3.1 磁存储器件磁性材料在磁存储器件中有着重要的应用。
磁存储器件利用磁性材料的特殊磁性特性，实现数据的存储和读取。
常见的磁存储器件有硬盘、软盘和磁带等。
这些设备利用磁性材料在外加磁场下能够保持和改变磁化方向的特性，实现数据的读写。
3.2 磁共振成像磁性材料在医学中有着广泛的应用。
磁共振成像（MRI）是一种利用磁性材料的原理来获取人体器官结构和功能信息的影像技术。
在MRI中，磁性材料被放置在磁场中，通过测量磁场变化来获取图像。
磁性材料在MRI中起到了重要的作用，它们对磁场的响应可以提供丰富的图像信息。
3.3 传感器和执行器磁性材料在传感器和执行器中有着广泛的应用。
磁学和磁性材料的研究和应用
磁学和磁性材料的研究和应用磁学和磁性材料是一门既基础又应用广泛的学科。
在当今高科技时代，各种电子设备都需要使用到磁性材料，如硬盘、手机、电吹风等等，都需要使用这种材料。
同时，磁学研究也是各国科学院研究的重要领域之一。
本文将介绍磁学和磁性材料的研究以及应用领域。
磁学的基本原理首先，我们需要了解磁学的基本原理。
磁学研究的核心是磁场和磁性材料之间的相互作用。
磁场是由带电粒子（如电子、质子）产生的一种物理现象，它可以使某些物体具有磁性。
而磁性材料则是指那些受磁场作用很明显的物体。
磁性材料被分为铁磁性、亚铁磁性和顺磁性三类。
铁磁性材料，如铁、钴、镍，具有很强的自发磁化作用，即在无外界磁场的情况下仍能具有一定的磁性。
而亚铁磁性材料，如铬和锰，虽然具有一定的磁性，但是自发磁化很弱，需要外界磁场的作用才能表现出来。
最后，顺磁性材料，如氧气、铝、银等，则是指那些在外界磁场下会发生反应的物质，但是它们本身并不具有磁性。
磁性材料的应用磁性材料的应用广泛，特别是在电子科技领域。
最常见的应用就是硬盘存储器。
硬盘通过磁性材料记忆信息，可以将大量的数据存储在里面。
磁性材料还可以用于电动机、电磁铁、变压器等电子设备的制造。
此外，磁性材料还可以用于医疗领域。
我们熟知的MRI（磁共振成像）就是应用了磁性材料的原理制成的。
MRI可以通过扫描身体内部的磁性信号，来获得人体的影像信息。
同时，磁性材料也可以用于制造超导体，这种材料具有超强磁性，可以应用于磁悬浮列车、核磁共振等领域。
磁学实验和磁学研究磁学研究除了应用领域的探索外，也有很多基础理论研究。
磁性材料的磁化总是伴随着能量的变化，因此，研究磁性材料的磁化可以为同样有能量变化特征的其他物理问题提供参考。
而且，磁性材料的磁化既有微观时间尺度内的动态演变，也有宏观空间尺度内的形态变化。
这种双重性质，使磁学研究成为了一个兼容并蓄的综合性学科。
在磁学研究中，磁化曲线研究则是一个重要的内容。
磁化曲线是磁性材料在外加磁场下磁化强度随磁场强度的变化曲线。
磁学基础与磁性材料
磁学基础与磁性材料1. 引言磁学是研究与磁场有关现象和材料性质的学科，包括磁场产生、磁场与物质相互作用等内容。
磁性材料是在外磁场的作用下表现出磁性的物质，具有广泛的应用领域，如电子设备、电力工业和医学等。
本文将介绍磁学基础与磁性材料的相关知识。
2. 磁学基础2.1 磁场磁场是指围绕物体的区域内存在磁力的场域，可以用磁感应强度(B)来表示。
磁场的基本特性包括方向和强度，方向由磁场的线方向表示，强度则表示单位面积上受到的磁场力。
2.2 磁矩在磁场中，物体会产生磁矩，磁矩又称为磁偶极矩，它是指物体在外磁场中所表现出来的磁特性。
磁矩的大小和方向取决于物体的形状、大小和组成。
2.3 磁性根据物质在外磁场中的行为，可以把物质分为顺磁性、抗磁性和铁磁性三类。
顺磁性物质在外磁场下会被吸引，抗磁性物质则会被排斥，而铁磁性物质则会被强烈地吸引。
3. 磁性材料3.1 铁磁性材料铁磁性材料是最常见的磁性材料，如铁、钴、镍等。
它们在外磁场作用下具有明显的磁性，能够保持磁性，并且可以产生较强的磁场。
铁磁性材料广泛应用于电机、变压器和磁盘等。
3.2 顺磁性材料顺磁性材料是指在外磁场下呈现出被吸引特性的材料，如铝、氧化铁等。
顺磁性材料的磁化强度与外磁场成正比，但是相对于铁磁性材料来说，顺磁性材料的磁化强度较小。
3.3 抗磁性材料抗磁性材料在外磁场下呈现出被排斥特性，如铜、银等。
与顺磁性材料不同，抗磁性材料的磁化强度与外磁场成反比。
4. 磁性材料的应用4.1 电子设备磁性材料在电子设备中有广泛的应用。
例如，用于计算机硬盘驱动器的磁盘片和读写头就是由磁性材料制成的。
此外，许多电子设备，如扬声器和电视机，也依赖磁性材料来转换电信号为声音和图像。
4.2 电力工业电力变压器中的铁芯和电磁线圈都是由铁磁性材料制成的。
这些材料能够产生强磁场，使能量传输更加高效。
另外，磁性材料也用于电力发电和输电系统中的设备，如发电机和变频器。
4.3 医学在医学领域，磁性材料被广泛应用于医学成像，如核磁共振成像（MRI）。
固体的磁性 基础知识
固体的磁性 基础知识1. 磁性的一种分类方式根据磁化率χ的大小符号以及与温度、磁场的关系，可以把物质的磁性分成五类：（1）抗磁性，磁化强度与磁场方向相反，χ < 0，其值约为10-7~10-6；（2）顺磁性，磁化强度与磁场方向相同，χ > 0，其值约为10-6~10-5；（3）反铁磁性，χ > 0，其值约为10-4；（4）亚铁磁性，χ > 0，其值约为10-1~104；（5）铁磁性，χ > 0，其值约为10-1~106抗磁性的χ几乎与温度无关，其余均与温度有关；亚铁磁性和铁磁性为强磁性，其余为弱磁性。
2. 原子磁矩构成固体物质的原子中，电子磁矩比原子核的磁矩大三个数量级，所以电子磁矩对固体的磁性起主要作用。
2.1 独立原子的磁矩原子中电子的磁矩由轨道磁矩和自旋磁矩两部分组成。
电子的轨道磁矩为L 是电子的轨道角动量，µL 的绝对值为其中l 是电子轨道角动量量子数，µB 是波尔磁子，其大小为电子的自旋磁矩为 = -2L e mμL =(1)L Bl l 2B e m S e mμSS 是电子的自旋角动量，µS 的绝对值及其在z 方向的投影分别为如果原子中只有一个电子，则原子磁矩为J 是电子的总角动量。
如果原子中有多个电子，原子的总角动量有LS 耦合和JJ 耦合两种耦合方式，分别适用于原子序数比较小和原子序数比较大（Z > 80）的耦合方式。
常见的3d 族和4f 族元素，电子之间的轨道-轨道与自旋-自旋偶合较强，适合使用LS 耦合。
2.2 晶场效应原子结合成晶体后，原子的电子状态发生变化，价电子参与各种类型的键合，而处在格点位置的离子也不同于孤立离子，其电子状态因受周围离子所产生的静电场的作用而发生变化，这种静电场称为晶体电场，它所造成的影响称为晶场效应。
晶场效应有两种：一是离子中简并的电子态发生劈裂，二是电子的轨道角动量的贡献部分或者全部被冻结。
物理学中的磁学和磁性材料
物理学中的磁学和磁性材料磁学作为物理学的一个重要分支，研究磁场及其相互作用的现象和性质。
其中，磁性材料是磁学应用广泛的一类材料，它们是由具有自旋的电子构成的，具有磁性的特性。
本文将从磁学基础、磁性材料种类和应用方面进行介绍。
一、磁学基础在磁学中，磁场是一个重要的概念。
磁场是由运动的电荷或磁化的物质所产生的力场，是以磁感应强度B为单位的量来表示的。
磁感应强度B是一个磁场矢量，其方向指向磁场中的磁力线，大小表示单位面积上垂直于磁力线方向上的磁通量。
磁性物质在外加磁场的作用下会受到磁化，这是因为磁场中的磁力线会将自由电子的自旋转向和电子轨道绕转向对齐，从而形成相应的磁矩。
二、磁性材料种类磁性材料按其磁性特性可分为软磁性材料和硬磁性材料。
软磁性材料是指易磁化成为磁导体的材料，如铁、钠、镍铁、铁镍钴等。
其主要特点是磁化强度低，居里温度高，磁滞损耗小，主要用于变压器、电感器、电子开关等电器部件和电子计算机存储媒介。
硬磁性材料是指不易磁化、难以还原成导磁体的材料，如钇铁、钴铁、铁氧体等。
其主要特点是磁化强度高，居里温度低，磁滞损耗大，主要用于电机、发电机、电磁铁等。
三、磁性材料应用磁性材料具有广泛的应用价值。
目前，磁性材料已在工业生产、生物医学、环境保护等领域得到广泛应用。
1. 工业生产方面，磁性材料广泛应用于电机、发电机、电磁铁、变压器、电感器、电子计算机等电器部件中。
其中，铁氧体是一种广泛应用于微波元器件的磁性材料，铁氧体衍射器、铁氧体陶瓷滤波器、铁氧体双偏振器等器件都是微波领域中常用的元器件。
2. 生物医学方面，磁性材料的应用主要是在医学成像方面，如磁共振成像技术(MRI)。
MRI技术利用磁性材料的磁性特性，通过在人体内部施加强磁场和射频电场，使人体内的水分子发生共振现象，最后利用计算机将成像数据进行处理并得到具有不同解剖结构的图像。
3. 环境保护方面，磁性材料还可用于水的污染治理。
磁性吸附材料具有高效分离和再生性能，能够有效地从水体中吸附含有重金属离子、有机物等污染物，是一种低成本、高效率的污染治理方法。
固体的磁学性质与磁性材料
固体的磁学性质与磁性材料磁学是物质的磁性质以及磁场产生和作用的研究。
固体材料在磁学中起着重要作用，因为它们表现出各种不同的磁性行为。
本文将探讨固体材料的磁学性质以及一些常见的磁性材料。
1. 磁化与磁导率固体的磁性可通过磁化和磁导率来研究。
磁化是物质在外磁场下自发产生的磁矩。
它可以通过磁化强度（磁化矢量除以体积）来描述。
磁导率是物质对磁场的响应程度。
它是磁化强度与磁场强度之间的比值。
不同材料的磁导率会受到温度、压力以及其他条件的影响。
2. 常见的磁性材料许多固体材料具有磁性，包括铁、镍、钴等。
这些材料可以被进一步分类为铁磁材料、顺磁材料和反磁材料。
- 铁磁材料：铁磁材料在外磁场下会产生自发磁化。
它们表现出饱和磁化强度和剩余磁化强度的特性。
铁和镍是典型的铁磁材料，广泛应用于电动机和变压器等领域。
- 顺磁材料：顺磁材料在外磁场下的磁化是非自发性的。
它们的磁矩与外磁场方向一致，但强度较弱。
铝、铜等材料可以被归类为顺磁材料。
- 反磁材料：反磁材料与外磁场的相互作用导致磁矩的减弱。
它们的磁矩方向与外磁场方向相反，但强度较弱。
锰和铬是典型的反磁材料。
3. 磁化曲线与磁滞回线固体材料的磁化行为可以通过磁化曲线和磁滞回线来描述。
磁化曲线显示了材料磁矩随外磁场的变化关系。
磁滞回线则显示了在逐渐增大和减小外磁场时材料磁矩的变化情况。
这些曲线对于研究材料的磁性以及用于磁记录和储存等应用非常重要。
4. 磁各向异性与磁畴结构固体材料的磁性可以受到磁各向异性和磁畴结构的影响。
磁各向异性是指材料对磁场响应的方向依赖性。
例如，铁磁材料通常具有磁各向异性，其磁矩相对于晶体结构的某个特定方向具有偏好性。
磁畴结构是指在磁性材料中由于相邻磁畴的耦合而形成的一种有序结构。
5. 磁性材料的应用磁性材料在各个领域都有广泛的应用。
例如，铁磁材料被用于制造电磁铁和传感器，顺磁材料则用于磁共振成像和磁性储存。
磁性材料还在信息技术、医疗设备和能源等方面发挥着重要的作用。
磁学基础与磁性材料
磁学基础与磁性材料磁学是研究磁场及其相互作用的一门学科，它在物理学、材料科学、电子工程等领域都有着重要的应用。
磁性材料作为磁学的重要组成部分，其性能和应用也备受关注。
本文将从磁学基础入手，介绍磁性材料的基本特性和应用。
首先，我们来了解一下磁学的基础知识。
磁学是研究磁场及其相互作用的学科，磁场是由电流、磁矩或者磁性物质产生的。
磁场可以通过磁感应强度、磁通量密度等物理量来描述。
而磁性材料是指在外加磁场下会产生磁化现象的材料，它们可以根据其磁性质分为铁磁性、铁磁性和顺磁性三种类型。
铁磁性材料是指在外加磁场下会产生明显磁化现象的材料，如铁、镍、钴等金属及其合金。
铁磁性材料在磁领域有着广泛的应用，比如用于制造电机、变压器、传感器等设备。
而铁磁性材料则是指在外加磁场下会产生微弱磁化现象的材料，如氧化铁、镍氧化物等。
铁磁性材料在电子领域有着重要的应用，比如用于制造磁存储器、磁传感器等设备。
顺磁性材料则是指在外加磁场下会产生微弱磁化现象的材料，如铝、锂等金属及其合金。
顺磁性材料在医学、生物等领域有着重要的应用，比如用于制造医疗设备、生物传感器等。
磁性材料的性能和应用受到其微观结构和磁性质的影响。
微观结构包括晶体结构、晶粒大小、晶界等因素，而磁性质包括饱和磁化强度、矫顽力、磁导率等参数。
这些因素决定了磁性材料的磁化特性、磁滞回线、磁导率曲线等重要性能。
因此，研究和控制磁性材料的微观结构和磁性质对于提高其性能和拓展其应用具有重要意义。
在磁性材料的应用方面，除了上文提到的电机、变压器、磁存储器、传感器等设备外，磁性材料还在电子、通讯、医学、生物等领域有着广泛的应用。
比如在电子领域，磁性材料被用于制造电感、变压器、磁芯等元件；在通讯领域，磁性材料被用于制造天线、滤波器、耦合器等设备；在医学和生物领域，磁性材料被用于制造医疗设备、生物传感器、磁性标记等产品。
总之，磁学基础和磁性材料是一个复杂而又有趣的领域，它涉及到物理学、材料科学、电子工程等多个学科的知识。
第八章 固体的磁性
磁性与磁性材料的发展史
黄帝 司马迁《史记》描述黄帝作战用指南针 东汉 王充在《论衡》描述“司南勺” 1086年 宋朝沈括《梦溪笔谈》指南针的制造方法等 1119年 宋朝朱或《萍洲可谈》 罗盘 用于航海的记载 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 在磁场中运动导体产生电流 安培定律 构成电磁学的基础 , 电动机、发电机等 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 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
司南
汉（公元前206－公元220年）。盘17.8×17.4厘米,勺长11.5，口径4.2厘 米。司南由青铜地盘与磁勺组成。地盘内圆外方；中心圆面下凹；圆外盘面分层 次铸有10天干，十二地支、四卦，标示二十四个方位。磁勺是用天然磁体磨成， 置于地盘中心圆内，勺头为N，勺尾为S，静止时，因地磁作用，勺尾指向南方。 此模型是王振铎先生据《论衡》等书记载并参照出土汉代地盘研究复制。
第一部分 物质的磁性概述
第一节 第二节
基本磁学量 磁化状态下磁体中的静磁能量
第三节
第四节
物质按磁性分类
磁性材料的磁化曲线和磁滞回线
第一节
基本磁学量
一、磁矩 μm (仿照静电学) 永磁体总是同时出现偶数个磁极。
磁体无限小时，体系定义为磁偶极子 +m
l
-m
磁偶极矩： jm ml 方向：-m指向+m 单位：Wb∙m （韦伯 米）
用环形电流描述磁偶极子：
μ m iA 单位：A ∙m2 磁矩： 二者的物理意义和关系： 都表征磁偶极子磁性强弱与方向
第六章固体的磁性
6.5 铁磁性
铁磁性
短程磁有序
磁畴内磁矩的定向排列 注：当T>Tc (居里点)时，热运动破坏了自旋间的交换作用，呈磁无序状态
6.5 铁磁性
磁畴的大小和分布
1. 静磁能和畴壁能的共同作用下 磁畴不能发展成无限大 未磁化的磁体M ＝0，不显磁性 表面磁场线被磁畴屏蔽
6.2 原子的磁性
角动量L－S耦合举例
S ———— ———— L- S
S
m
3
2Biblioteka 1 0 -1
-2
-3
L+S
J=L-S
µ=µL-µs
J=L+S
µ=µL+µs
6.2 原子的磁性
原子的有效磁矩及朗德g因子
6.8 磁性材料应用举例之一－磁记录
垂直记录
考试重点
分离变量方法，单电子近似，谐阵子能量（一维、三维） 倒易点阵，Bragg方程，布里渊区 晶格振动的色散关系，声学和光学振动，声子，德拜模型，
态密度，晶体导热 金属的费米面，态密度，接触势差，电子的速度，周期性边
界条件 能带的物理意义及起源分析，Bloch定理的物理解释及能带
磁性材料及磁性的研究历史
20世纪后
1907年 P.Weiss的磁畴和分子场假说 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, 理论上预言了磁畴结构 1946年 Bioembergen发现NMR效应 1948年 Neel建立亚铁磁理论 1957年 RKKY相互作用的建立 1958年 Mössbauer效应的发现 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 2019年 隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki
材料化学导论第6章-固体的磁性和磁性材料.
96第6章 固体的磁性和磁性材料§6.1 固体的磁性质及磁学基本概念6.1.1 固体的磁性质某些无机固体并不像其他所有物质那样表现出抗磁性（Diamaganetism ）,而是呈现出磁效应。
这些无机固体往往是以存在不成对电子为特征的，这些不成对电子又常常是处在金属阳离子中。
因此，磁行为主要限制在过渡金属和镧系金属元素的化合物上。
它们中许多金属原子具有不成对的d 和f 电子，就可能具有某些磁效应。
我们知道，电子有自旋，形成自旋磁矩。
在不同的原子中，不成对电子可以随机取向，此时材料就是顺磁的（Paramagnetic ）；如果不成对的电子平行地排成一列，材料就有净的磁矩，这是材料是铁磁性的（iferromagnetic ）；相反，不成对电子反平行排列，总磁矩为零，材料就呈现反铁磁性为（Antiferromagnetic ）；如果自旋子虽是反平行排列，但两种取向的数量不同，会产生净的磁矩，材料就具有亚铁磁性（Ferrimagnetic ）。
图6.1就说明这些情形。
(b)(d)(c)图6.1 成单电子自旋取向和材料的磁性a 抗磁性b 铁磁性c 反铁磁性d 亚铁磁性磁性材料广泛地应用在电器、电声、磁记录和信息存储各方面，可以说，现代社会离不开磁性材料。
6.1.2 磁学基本概念1．物质在磁场中的行为97首先，我们讨论不同材料在磁场中的行为。
如果磁场强度为H ，样品单位体积的磁矩为I ，那么样品的磁力线密度，即所谓磁通量 （Magnetic induction ）B 为：B = H + 4πI 6.1.1导磁率（Permeability ）P 和磁化率（Susceptinity ）K 定义为： P = HB = 1 + 4πK 6.1.2 K = HI 6.1.3 摩尔磁化率χ为χ= dM κ 6.1.4 式中M 是分子量，d 式样品密度。
根据、K 、χ及其与温度和磁场的依赖关系可以区分不同种类的磁行为，这总结在表6.1中。
第八章 固体的磁性
第八章固体的磁性1 固体中存在哪几种抗磁性？铁磁性和反铁磁性是怎样形成的？铁磁和反铁磁材料在低温和高温下的磁化有什么特点？饱和电子结构的抗磁性和朗道抗磁性。
根据磁矩相互作用的交换能理论，当交换能是正值时，磁矩将倾向于采取平行的排列（铁磁性），当交换能是负值时，磁矩将倾向于采取反平行的排列（亚铁磁性）反铁磁性：低温时，磁化率是随温度增加的，这是由于磁矩的反平行排列作用起着抵制磁化的作用，随着温度的升高，反平行排列的作用逐步减弱，因而磁化率不断增加，在奈尔温度一双，磁化率随温度升高而下降，磁化率在高温遵循居里-外斯定律χ=C/(T+θ)，注意分母中常数θ>0，符号和铁磁体高温顺磁性正好相反，显然反映了反平行排列作用的影响。
铁磁性材料：在居里温度一下具有铁磁性，在很弱的磁场下它就可以达到接近饱和的磁化强度，在居里温度以上，铁磁材料转变为顺磁性的，磁化率遵循居里外斯定律，χ=C/(T - θ)p2简述大块磁体为什么会分成许多畴，为什么磁畴的分割不会无限进行下去？促使铁磁体的自发磁化分割成为磁畴的根本原因是自发磁化所产生的静磁能，磁场的范围随着磁畴的分割而不断减小，从而使静磁能不断降低。
所以，从静磁能来看，自发磁化将趋向于分割成为磁化方向不同的磁畴，以降低静磁能，而且，分割越细，静磁能越低。
但是由于磁畴之间的界壁破坏了两边磁矩的平行排列，使交换能增加，所以畴壁本身具有一定的能量，磁畴的分割意味着在铁磁体中引入更多的畴壁，使畴壁能增加。
由于这个缘故，磁畴的分割不会无限的进行下去，而是进行到再分割所增加的畴壁能将超过静磁能的减少。
3简单阐述物质顺磁性的来源原子的固有磁矩不为零，磁矩取向愈接近B，能量愈低，正是由于磁矩在磁场中的取向作用，产生了顺磁性现象。
4画出铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性的磁矩排列示意图铁磁性：箭头等长平行饭铁磁性：箭头等长反平行亚铁磁性：箭头向上与箭头向下的不等长5简述铁磁体中磁畴是如何产生的，磁化强度的变化是通过磁畴的哪两种运动实现的？促使铁磁体的自发磁化分割成为磁畴的根本原因是自发磁化所产生的静磁能，磁场的范围随着磁畴的分割而不断减小，从而使静磁能不断降低。
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（三）物质磁性的特殊性和多样性
1. 电子交换作用 原子磁矩为零的物质具有抗磁性（Diamagnetism）。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）
我们以NiO为例来讨论自旋耦合如何产生反铁磁性，也就是所谓超交 换作用（Superedchange）。图6.5示意这种超交换作用。
Ni2+
O2-
Ni2+
图6i2+离子有8个d电子，在八面体配位环境中，只有其中2个电子为成单状 态，它们占据八面体晶体场中的eg轨道（dz2和dx2-y2）。
(a)
(b)
(c)
(d)
图6.1 成单电子自旋取向和材料的磁性 a 抗磁性 b 铁磁性c 反铁磁性 d 亚铁磁性
固体磁学性质与磁性材料
2. 抗磁性 拉莫尔进动 在外磁场作用下，原子内的电子轨道将绕着场向进动 （称作拉莫尔进动），并因此获得附加的角速度和微观环形电流，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的感生磁矩， 原子磁矩叠加的结果使得宏观物质也产生了与外磁场方向相反的磁矩。 如果外磁场强度为H（A/m），宏观物质单位体积的磁矩叫磁化强度I （A/m），那么，它与外磁场强度H之比叫做磁化率，通常用K表示，即 K=I/H ，显然，由于抗磁性物质的I与H的方向相反，所以K为负值。 它的大小及其与温度的关系因抗磁性物质的类型不同而不同。还可以将K 表示为摩尔磁化率χ， χ=KM/d 式中 M是物质的分子量，d为物质样品的密度。
固体磁学性质与磁性材料
物质磁性来源的同一性。
原子磁矩应该是构成原子的所有基本粒子磁矩的叠加。但是实际上 原子核磁矩要比电子磁矩小三个数量级，在一般情况下可以忽略不计。因 此，原子磁矩主要来源于原子核外电子的自旋磁矩与轨道磁矩。
如果原子中所有起作用的磁矩全部抵消，则原子的固有磁矩为零。 但在外磁场作用下仍具有感生磁矩，并产生抗磁性。
固体磁学性质与磁性材料
铁氧体磁性材料具有亚铁磁性（Ferrimagnetism）, 其中金属离子 具 有几种不同的亚点阵晶格，因相邻的亚点阵晶格相距太远，因此在其格点 的金属离子之间不能直接发生交换作用，但可以通过位于它们之间的氧原 子间接发生交换作用，或称超交换作用（Superexchange）。
固体磁学性质与磁性材料
抗磁性物质的分类
根据抗磁性物质χ值的大小及其与温度的关系可将抗磁性物质分 为三种类型：
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；
这些轨道是平行于晶胞轴取向的，因此指向毗邻的氧负离子O2-。Ni2+离
子的eg轨道上的未成对电子能与O2-离子p电子进行磁耦合，耦合过程发生电 子从Ni2+离子的eg轨道跃迁到O2-离子的p轨道。这样，每个O2-离子的p轨道上 就有2个反平行耦合的电子。所以，NiO晶体中允许直链耦合发生，总结果
造成毗邻的镍离子和氧离子相固间体磁排学列性，质与并磁且性材是料反平行耦合的。
如果原子中所有起作用的磁没有完全抵消，则原子的固有磁矩不为 零，那么原子就具有磁偶极子的性质。
原子内电子的运动便构成了物质的载磁子。尽管宏观物质的磁性是 多种多样的，但这些磁性都来源于这种载磁子。这便是物质磁性来源的同 一性。
固体磁学性质与磁性材料
(二)物质磁性的普遍性 物质磁性的普遍性首先表现在它无处不在： （1）物质的各种形态，无论是固态、液态、气态、等离子态、超高密度态 和反物质态都会具有磁性； （2）物质的各个层次，无论是原子、原子核、基本粒子和基础粒子等都会 具有磁性。 （3）无限广袤的宇宙，无论是各个天体，还是星际空间都存在着或强或弱 的磁场。例如：地球磁场强度约为240A/m，太阳的普遍磁场强度约为80A/m，而 中子星的磁场强度高达1013-1014A/m。 物质的磁性的普遍性还表现在磁性与物质的其他属性之间存在着广泛的联系， 并构成多种多样的耦合效应和双重（多重）效应（例如磁电效应、磁光效应、磁 声效应和磁热效应等）。这些效应既是了解物质结构和性能关系的重要途径，又 是发展各种应用技术和功能器件（例如磁光存储技术、磁记录技术和霍尔器件等） 的基础。
6.1.1 固体的磁性质
(一)物质磁性的来源
物理学原理：任何带电体的运动都必然在周围的空间产生磁场。
电动力学定律：一个环形电流还应该具有一定的磁矩，即它在磁场中
行为像个磁性偶极子。
设环形电流的强度为I（A），它所包围的面积为A（m2）,则该环流的
磁矩为：
m=I*A(A m3)
m
I(A) A(m2)
玻尔（Bohr）原子模型:原子内的电子在固定的轨道上绕着原子核作旋 转运动，同时还绕自身的轴线作自旋运动。前一种运动产生“轨道磁矩”， 后一种运动产生“自旋磁矩”。