第三章 磁性材料

第三章磁性材料

物质磁性的研究是近代物理学的重要领域之一。磁性现象的范围很广泛。从微观粒子到宏观物体，以至于宇宙天体，都具有某种程度的磁性。

磁性现象很早就被发现，我国人民在3000多年前就发现了磁石（Fe3O4）能相互吸引及磁石吸引铁的现象。我国古代的四大发明之一指南针即是例证。

随着近代科学技术的发展，由于金属和合金磁性材料的电阻率低，损耗大，已不能满足应用的需要，尤其在高频范围。

磁性无机材料科学技术除了有高电阻、低损耗的优点以外，还具备各种不同的磁学性能，因此他们在无线电电子学、自动控制、电子计算机、信息存储，激光调制等方面，都有广泛的应用。

磁性无机材料一般是含铁及其他元素的复杂氧化物，通常称为铁氧体（ferrite）,它的电阻率为10—106Ω·m，属于半导体范围。目前，铁氧体已发展成为一门独立科学。

第一节磁性的广泛

物质的磁性来源于原子的磁性。

原子的磁性包括三个部分：电子的自旋磁矩、电子的轨道磁矩（由电子绕原子核的运动产生）和原子核的磁矩。

原子核的磁矩一般比电子的磁矩小的多（相差三个数量级），可以忽略不计。所以原子的总磁矩是电子的自旋磁矩和轨道磁矩的总和。

电子绕原子核运动产生的轨道磁矩和角动量的比值r为：

电子的自旋磁矩和角动量的比值为：

这表明，电子自旋运动的磁矩比轨道运动的磁矩大一倍。

实验证明，原子组成分子或宏观物体后，其平均磁矩往往不等于孤立原子的磁矩，因为原子之间的相互作用会引起磁矩的变化。

很多磁性材料的电子自旋磁矩要比电子轨道磁矩大。这是因为在晶体中，电子的轨道磁矩受晶体（格）场的作用，或者说轨道磁矩被“猝灭”或“冻结”了，

对原子总磁矩没有贡献。

所以很多固态物质的磁性主要来源于电子的自旋磁矩。

根据原子核外的电子分布规则可知，在原子的同一能级轨道上可以有自旋方向相反的两个电子。

每个电子的自旋会产生一个沿自旋轴方向的磁场，而两个在同一轨道上的自旋相反的电子产生的磁场会相互抵消。

原则上原子中电子自旋磁矩的总和决定于原子中未成对的电子数，未成对电子数越多，则原子的磁性越强。

凡是原子、离子或分子中电子都已自旋成对的物质，作为一个整体不表现出磁性。

但是并不是所有含未成对电子的原子都会显示出磁性，要看处于不同原子间的未成对电子是否进行有效的相互交换作用，原子间的交换作用是物质具有的磁性的根本原因，它指的是近邻原子的电子相互交换位置所引起的静电作用。

所以原子内存在未成对电子只是物质具有磁性的必要条件，原子间电子有效的交换作用才是充分条件。

第二节物质的宏观磁性为了说明宏观物体的磁性强弱，以单位体积的磁矩M称为磁化强度。

将物体放在磁场中时，可使原来没有磁性的物质获得磁性，这种现象叫做物质的磁化。物质的磁化强度M和磁场强度H有一定的关系：M=XmH 式中常数Xm称为物质的磁化率，表示在单位磁场下，物质所具有的磁化强度，也就是物质在磁场作用下磁化强弱的程度。

各种物质的磁性不同，磁化率Xm是鉴别物质的参量。

根据磁化率的大小，可将物质分为抗磁性，顺磁性和铁磁性等几类。

1、抗磁性物质

M和H的方向相反的物质称为抗磁性物质。稀有气体，许多有机化合物及某些金属元素如Zn、Cu、Ag、Au、Bi等和非金属元素，如Si、P、S、卤素等都是常见的抗磁性物质。

有些抗磁性物质如稀有气体，其原子的电子层结

构全充满，原子的磁性等于零。另一些抗磁性物质如有机化合物及Bi 、P、S、卤素等非金属，虽然原子的磁矩不等于零，但是组成的分子总磁矩等于零。一切物质在外加磁场作用下，电子的轨道运动都要产生一个附加运动，出现一个与外加磁场H方向相反，但数值很小的感应磁矩。所以抗磁性来源于原子中电子轨道状态的变化。

抗磁性物质的抗磁性一般很弱，磁化率X一般约为-10-5，为负值。

抗磁性普遍存在于所有的物质中。

抗磁性物质的磁化率和磁场的强弱与温度的关系无关。

陶瓷材料的大多数原子是抗磁性的，周期表中前18个元素主要表现为抗磁性，这些元素构成了陶瓷材料中几乎所有的阴离子，如O2-、F-、Cl-、S2-、SO42-、CO32-、N3-、OH-等，在这些阴离子中，电子填满壳层，自旋磁矩平衡。

2、顺磁性物质

顺磁性物质的主要特征是，不论外加磁场是否存

在，原子内部存在永久磁矩。

但在无外加磁场时，由于顺磁物质的原子作无规则的热运动，各原子磁矩的方向是混乱的，会相互抵消，宏观来看，没有磁性。

在外加磁场作用下，大多数原子磁矩处于顺着外磁场的方向，比较规则的取向宏观上就显示出很弱的磁性，或者说，物质磁化了。

磁化强度M与外磁场方向一致，M为正，而且M 严格的与外磁场H成正比。

除少数顺磁性物质，如碱金属钠、钾的磁化率与温度无关外，大多数顺磁性物质在温度升高时，磁化率下降。

X=C/T式中，C称为居里常数，取决于顺磁物质的磁化强度和磁矩大小。

原子磁矩取向混乱大都是由热运动引起的，温度越高原子的热运动能量越大，要使原子磁矩转向外磁场方向越困难，Xm也越小；反之，温度越低，Xm就越大。

顺磁性物质的磁化率一般也很小，室温下X约为10-5--10-3数量级。

一般含有奇数个电子的原子或分子，电子未填满壳层的原子或离子，如过渡金属，稀土元素，锕系元

素，还有铝、铂、碱金属、氧气等，都属于顺磁性物质。

3、铁磁性物质

铁磁性物质Xm〉〉0（105---103数量级）具有极高的磁化率，磁化容易达到饱和的物质，称为铁磁性物质。

这类物质包括Fe、Co、Ni及它们的合金和某些化合物，以及Cr、Mn的一些合金。

铁磁性物质和顺磁性物质的主要差异在于：即使在较弱的磁场内，前者也可得到极高的磁化强度，而且当外磁场移去后，仍可保持极强的磁性。

铁磁性物质的原子磁矩和顺磁性物质的原子磁矩并无本质差别。

例如，表现为铁磁性的Fe、Co、Ni和表现为顺磁性的Cr、Mn原子内的3d电子都是没有充满的壳层，它们的原子都有一定的磁矩。

物质是否具有铁磁性，关键不在于组成物质的原子所具有的磁矩的大小，而在于形成宏观物质，原子