铁磁学第二章磁性分类
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。
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。
物理磁学知识总结归纳
物理磁学知识总结归纳磁学是研究磁力、磁场以及磁性物质性质的学科，它与我们日常生活息息相关。
本文将对物理磁学的基础知识进行总结归纳，以帮助读者更好地理解磁学的相关概念和原理。
一、磁性物质的分类根据物质对磁场的响应，我们可以将物质分为三类磁性物质：铁磁性、顺磁性和抗磁性。
1. 铁磁性物质铁、镍、钴等金属及其合金都属于铁磁性物质。
在外加磁场的作用下，铁磁性物质会产生明显的磁化，且可以保持一定的磁性，直到外加磁场被去除。
2. 顺磁性物质铁磁性物质之外的大部分物质都属于顺磁性物质，如铜、铝等。
顺磁性物质在外加磁场下会被磁化，但其磁性较弱，而且在去掉外加磁场后几乎没有残余磁性。
3. 抗磁性物质抗磁性物质对外加磁场没有磁化的倾向，如金、银等。
它们不但不会被磁场磁化，而且对磁场产生的磁力也很微弱。
二、磁场的基本概念1. 磁感应强度磁感应强度B是磁场的一种量度，用符号B表示。
在国际单位制中，磁感应强度的单位是特斯拉(T)。
磁感应强度的大小表示了磁场的强弱，具体计算公式是B = F/(IL) ，其中F为通过一段导线所受的磁力，I是电流的大小，L是导线的长度。
2. 磁通量磁通量Φ是磁场的另一种量度，用符号Φ表示。
在国际单位制中，磁通量的单位是韦伯(Wb)。
磁通量的大小表示了单位面积上穿过的磁力线数量，具体计算公式是Φ = BA ，其中B为磁感应强度，A为面积。
3. 磁力磁力是磁场对磁性物质或电流的作用力，用符号F表示。
它与磁感应强度B、电流I以及作用物体的几何形状有关。
根据安培力的法则，磁力与磁感应强度的乘积与作用物体所受的磁通量有关。
三、法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律描述了磁场变化时诱导电动势的产生。
根据法拉第电磁感应定律，如果一个线圈或导体在磁场中发生变化，将会产生感应电动势。
其数学表达式为ε = -ΔΦ/Δt ，其中ε表示感应电动势，Φ表示磁通量，t表示时间。
根据法拉第电磁感应定律，我们可以解释一些实际应用，如发电机的原理。
铁磁质的性质_铁磁质的磁化规律_铁磁质的磁化机制_铁磁质的分类
铁磁质的性质_铁磁质的磁化规律_铁磁质的磁化机制_铁磁质的分类————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：铁磁质的性质_铁磁质的磁化规律_铁磁质的磁化机制_铁磁质的分类一、铁磁质的性质：铁磁质的最主要特性是磁导率非常高，在同样的磁场强度下，与真空或弱磁材料相比，铁磁质中磁感强度大几百倍甚至几万倍。
铁磁质还具有一些不同于弱磁材料的特性：铁磁质的磁感强度B与磁场强度H的关系是非线性关系，铁磁质的磁导率不是恒量，会随磁场强度H的改变而变化,而且铁磁质的磁化过程是不可逆的,具有磁滞现象,一般用磁滞回线来描述。
二.铁磁质的磁化规律：用待测的铁磁质为芯制成螺线环，当线圈中通以电流I时，环内的磁场强度H =nI ，通过测量电流I，就知道了铁磁芯磁化的磁场强度H 。
在螺线环的铁芯上切开一个小开口，因磁感应强度的法向分量在切口和铁芯中连续，故用小线圈在开口处测量的B就是环路中的磁感应强度。
根据:，可以测出磁化率。
因铁磁质的B～H 的关系不是线性的，故铁磁质的不是常数，它是随H的变化而变的。
磁化曲线表示磁场强度H 和磁感应强度B 的关系。
实验开始时I = 0，未经磁化的铁芯中H = 0，B = 0，这一状态相当于B～H 图上的原点O，逐渐增大线圈中的电流I ，相应地H = nI 按比例增大，开始时(即oa段) B 增加较慢，接着(即ab段) B 很快增加，但过了b点后，B 增加减慢，过了c点，再增加H ,B几乎不再增加，这时铁芯磁化达到饱和。
从O到达饱和状态c这一段B～H曲线称为磁芯的起始磁化曲线。
当外加磁场由强逐步减弱至H =0时，铁磁质中的B不为零，而是B =Br ，Br称为剩余磁感应强度，简称剩磁。
要消除剩磁，使铁磁质中的B恢复为零，需要加上反向磁场强度Hc，Hc称为矫顽力。
若使反向电流继续增加，以增加反向磁场强度H，磁化达到反向的饱和状态f点。
磁性物理铁磁与顺磁
磁性物理铁磁与顺磁在物理学的领域中，磁性是描述材料在外部磁场中表现出的特性的重要方面。
根据材料的不同性质，磁性可分为几类，其中铁磁性和顺磁性是最为常见的两种类型。
本文将深入探讨这两种磁性材料的基本特征、相互关系及其应用，以期帮助读者系统了解磁性物理的奥秘。
磁性概述磁性是指一些物质能够在外部磁场的影响下，产生磁场并对外部磁场做出响应的现象。
我们常见的几种磁性包括常见的铁磁、亚铁磁、顺磁以及反磁等。
不同类型的物质具有不同的磁性能和适用环境，在科学研究、电子设备及日常生活中都扮演着重要角色。
磁性分类铁磁性：在外部电场下，分子或原子内部的自旋会趋向于沿同一方向排列，形成较强的永久性磁场。
顺磁性：在外部电场的影响下，分子的自旋会稍微发生方向排列，但不保持这种状态，一旦外部电场撤去，它们就会随机分布，没有永久性的磁性。
铁磁材料的特性铁磁材料是指能自发产生强烈的永久性磁性的材料。
这类材料通常具有以下几个特征：自发磁化：铁磁材料可以在没有外部磁场时，产生自发的宏观磁化现象。
这一特性源于材料内部原子自旋的顺序排列。
居里温度：每种铁磁材料都有一个特定的温度，称为居里温度。
当温度超过该值时，材料会失去其铁磁特性，变为顺磁态。
高矫顽力：铁磁材料具有极高的矫顽力，这使得它们在外部因素作用下能够保持其被赋予的方向和强度。
铁氧体与电镀铁钢铁、铝镍钴合金等都是典型的铁磁材料。
这些材料广泛应用于电机、变压器以及各种储存设备当中。
特别是在信号传输和数据保存等领域，有着不可替代的重要地位。
顺磁材料的特性顺磁材料则是另一类表现出独特性质的材料。
顺磁现象是较弱且暂时性的，其主要特点如下：低程度的有序排列：在存在外部静态电场时，顺磁材料中的原子或离子的自旋若干数量会围绕着外部静态电场晃动，并且这将产生微小而短暂的总和效应。
无自发磁化：一旦撤去外力影响，顺磁材料将失去其原有排列，自然恢复到随机状态，不再表现出任何宏观可观测的样式。
依赖性交互：顺磁性的材质行为与温度密切相关。
铁磁性
自发磁化
组织结构不敏感参数
技术磁化
组织结构敏感参数
1、温度的影响 2、应力和变形的影响 3、晶粒细化的影响 4、杂质的影响 5、合金的成分和组织的影响
本征参量 非本征参量
退火产生的感生磁各向异性
A：纵向磁场冷却 B：冷却时无磁场 C：在垂直或圆磁场中冷却
轧制产生的感生磁各向异性
21.5%Fe-Ni合金磁化曲线
平行于轧制方向的磁化完全通过磁畴转动来实现，为线性 磁化曲线。
2、形状各向异性及退磁能
为何会有形状 各向异性？
沿长片状试样不同方向测得的磁化曲线
铁磁体的形状对磁性有重要影响 形状各向异性
磁体在磁场中具有的能量
静磁能
铁磁体与外磁场的相互作用能 铁磁体在自身退磁场中的能量
H
M
M
S
铁磁体
N
Hd M
H
退磁能
当铁磁体出现磁极后， 除在铁磁体周围空间产生磁 场外，在铁磁体的内部也产 生磁场Hd。这一磁场与铁磁 体的磁化强度方向相反，起 到退磁的作用，因此称为退 磁场。
退磁场的表达式为：
（CGS高斯单位制） 退磁因子
磁体总能量增加，自发 磁化一致取向不稳定。
磁畴形成过程图示
a）中，自发磁化单一取向，出现表面磁极，磁场能很大；
b）中，为降低表面退磁场能，自发磁化分成两个反平行的磁 畴，降低了表面退磁能；
c）中，分成4个反向平行的磁畴，退磁能进一步降低，总能量 减小。
影响磁畴结构的因素
磁畴结构：磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度。
1、磁晶各向异性
➢ 在测量单晶铁磁性样品时发现 沿不同晶向的磁化曲线不同。 ➢ 其中有一个方向的磁化曲线最 高，即最容易磁化。
第二章 磁性概述
Basic Physical Quantity of Magnetism
磁性材料
第二章 磁性概述
一、磁矩m
(Magnetic Moment)
永磁体总是同时出现偶数个磁极
当磁体无限小时，体系定义为元磁偶极子：指强度相等， 极性相反并且其距离无限接近的一对“磁荷”
+m
l
磁偶极矩： jm
第二章 磁性概述
第二节 磁化状态下磁 体中的静磁能
Static Magnetic Energy of Magnet
under the Magnetization State
磁性材料
第二章 磁性概述
一、静磁能 （magnetostatic energy)
任何磁体被置于外磁场（稳恒磁场or交变磁场）中将处
磁性材料
第二章 磁性概述
H jm cos er r 40 r 2 1 jm cos e 2 r 40 r 1 2 jm cos 1 jm sin er e 3 40 r 40 r 3
H为导出量，仅 2、磁感应强度B (magnetic flux density): 用于计算传导电 流所产生的磁场， 预备知识：SI (MKSA) 单位制和Gauss (CGS) 单位制 不能代表磁场强 度与外界发生作 磁感应强度 B的定义可由 A、SI单位制：主要磁 安培公式得出： 用 学量都用电流的磁效应来定 义，其中磁感应强度B为主 导量（凡涉及到与其他物理 量的相互作用，都必须使用 B）
ml
方向：-m指向+m
单位：Wb∙m
第二章 磁性概述
-m
磁性材料
安培提出了磁偶极子与电流回路元在磁性上的相当性原
铁磁性课件.ppt
反铁磁性
• 物质原子间静电交换作用使原子磁矩有序排列，当 交换积分A<0时，原子磁矩反平行排列的状态称为 反铁磁态，处于反铁磁态的物体称为反铁磁体。
某些反铁磁体的磁性常数
物质
TN(K)
χ(θ)/χ(TN)
MnO
122
2/3
MnS
165
0.82
MnSe
150
MnTe
323
0.68
MnF2
72
FeO
5
• 铁磁性研究的核心问题就是为什么铁磁体 的原子磁矩比顺磁体容易整列？
物质内部原子磁矩的排列 a:顺磁性 b:铁磁性 c:反铁磁性 d:亚铁磁性
6
铁磁性的物理本质
7
Weiss假设
• Weiss提出第一个假设：磁体中存在与外场无关的自 发磁化强度，在数值上等于技术饱和磁化强度Ms， 而且这种自发磁化强度的大小与物体所处环境的温 度有关。对于每一种铁磁体都有一个完全确定的温 度，在该温度以上，物质就完全失去了其铁磁性。
• 人们把注意力转向静电力。但是，建立在Newton力 学和Maxwell电磁力学上的经典电子论也不能揭示 铁磁体自发磁化的本质。
• Heisenberg和Frank按照量子理论证明，物质内相邻 原子的电子间有一种来源于静电的相互作用力。由 于这种交换作用对系统能量的影响，迫使各原子的 磁矩平行或反平行排列。
• 磁相互作用力的能量与热运动的能量相比太小了， 根据计算，在磁相互作用力下，物体只需加热到 1K就可以破坏原子磁矩的自发平行取向，因而物 体的居里温度应在1K左右。
13
• 实际铁磁体的居里温度在数百K甚至上千K。
• 引起铁磁体内原子磁矩排列整齐，并使有序状态 保持到如此高的温度的力量显然比磁相互作用力 要大千百倍。
第2章物质的磁性
为轨道半径在垂直于H 0的平面上的投影的均方值。
(5s)2,(4d)10,(5p)6,(6s)2,(4f)14,(5d)10,
Fe 原子：Z = 26, 电子分布是：· · · · · · 3d6 根据洪德法则1，5个电子自旋占据5个 的 ms 状态， 2 1 另一个只能占据 的 ms 状态，所以总自旋： 2
1 1 1 2 2 2 L ml 2 1 0 ( 1) ( 2) 2 2 S 5
5
D4
即指该元素基态的总自旋量子数：S = 2
总轨道量子数：L= 2
总角量子数：J = 4
20
原子磁矩计算举例
1. Cr+3 离子：Cr 原子 Z = 24，Cr+3 电子组态为· · · · 3d3
1 3 S 3 2 2 L 2 1 0 3 J LS
gJ
(1s)2,(2s)2,(2p)6,(3s)2,(3p)6,(4s)2,(3 d)10,(4p)6,(5s)2,(4d)10,(5p)6,(6s)2,(4 f)14,(5d)10, 电子数不到半满
e l pl 2me
PS
PJ PL
e s ps me
L J L-S
S
12
通过量子力学处理以后， 得到
J gJ J ( J 1)B
其中， 两种特殊情况： ♪ 当L＝0时，J＝S，得g＝2，原子总磁矩都是由自 旋磁矩贡献的。 ♪ 当S＝0时，J＝L，得g＝1，原子总磁矩都是由轨 道磁矩贡献的。 铁磁性物质的磁矩主要是由自旋贡献
3 2
3 S ( S 1) L( L 1) 0.4 2 2 J ( J 1)
基态
4
磁性材料的分类
四、磁性材料旳分类:
1、软磁材料： 软磁材料旳特征：
（1）高旳µi和高旳µmax （2）低旳Hc （3）高Ms和低Br （4）低旳铁损 （5）低旳磁滞伸缩系数 （6）低旳磁各向异性常数
2、硬磁材料： 硬磁材料旳特征：
（1）高旳Br和Mr （2）高旳Hc （3）高旳(BH)max （4）高旳稳定性
于TN时，它旳行为是顺磁性旳，磁化率与温度旳关系服 从居里-外斯定律。反铁磁性物质：过渡族元素旳盐类
及化合物，如MnO、CoO等。
O
H
(4) 铁磁性：磁化率是尤其大旳正数，量级101~106。在某个 临界温度TC 下列，虽然没有外加磁场，材料中也会产生自 发旳磁化强度。在高于TC 旳温度，它变成顺磁体，磁化率 服从Curie-Weiss 定律。11个纯元素晶体具有铁磁性：Fe， Co，Ni, Gd, Td, Dy, Ho, Er,Tm,面心立方Pr，和面心立方旳 Nd。
（Si，P和S等）。
(2) 顺磁性：磁化率是数值比较小旳正数， M
量级10-3~10-6。顺磁性物质：大部分金属、稀
土金属、铁族元磁性：此类材料旳磁化率是小旳正数。在温度
低于反铁磁转变温度－Néel温度TN 时，χ随温度旳降低
而下降，而且它旳磁化率同磁场旳取向有关；在温度高 M
(5)亚铁磁性：宏观磁性和铁磁性相同，量级100~103。 在温度低于TC 时旳磁化率不如铁磁体那么大，它旳自 发磁化强度也没有铁磁体旳大。经典旳亚铁磁材料是 铁氧体，如Fe3O4。
二、五种磁性物质旳磁化率-温度曲线
抗磁性
顺磁性
反铁磁性
Tp
铁磁性
Tp 亚铁磁性
1.3 磁性和磁性材料旳分类
三、五种磁性物质旳磁构造
铁磁性材料的性能及分类
铁磁性材料的性能及分类铁磁性材料主要是指铁、钴、镍及其合金或某些含铁的氧化物。
一、铁磁性材料的磁性能1、高导磁性1）所谓铁磁性材料具有高导磁性，是指在外磁场作用下能够被强烈磁化而呈现很大磁性。
铁磁性物质能够被强烈磁化，是由其特殊的微观结构决定的。
2）磁畴是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都象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，如下图所示：各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。
宏观物体一般具有很多磁畴，这些磁畴任意取向，排列混乱，磁性相互抵消，对外不显示磁性。
但在外磁场的作用下，磁畴大致按外磁场的方向排列，这样就产生一个很强的与外磁场同方向的磁化磁场，使铁磁物质内的磁感应强度大大增加，从而使铁磁物质对外呈现很强的磁性。
或者说铁磁物质被外磁场强烈磁化了。
2、磁饱和性1）磁饱和是磁性材料的一种物理特性，指的是导磁材料由于物理结构的限制，所通过的磁通量无法无限增大，从而保持在一定数量的状态。
出现磁饱和的原因是当外磁场磁场强度H增大到一定数值时，铁磁物质内磁畴基本上已全部按外磁场方向排列，再增大H，附加磁场的增加也很有限。
2）上图是研究铁磁性材料磁化过程的实验装置和磁化曲线B-H曲线。
图中环形铁圈内放的是待研究的铁磁性材料。
利用双刀双掷开关可改变线圈中电流方向，利用调节电阻器来改变线圈中的电流大小，从而改变磁场强度H，线圈内部的磁感应强度B可用测量仪器测出。
利用描点法可画出磁化线B-H曲线。
3）铁磁性材料饱和时的磁感强度Bm又称为饱和磁通密度Bs，它是铁磁性材料的一个重要磁性指标。
由B=Φ/S可知，要得到一定的磁通Φ，容许磁通密度越大，所需铁芯的截面积就越小，而容许磁通密度则取决于铁磁性材料的Bs。
3、磁滞性1）铁磁性材料在反复磁化的过程中，它的磁感应强度总是滞后于它的磁场强度的变化，这种现象叫做磁滞。
磁滞是由于掺杂和内应力等的作用，当撤掉外磁场时，磁畴的畴壁很难恢复到原状而表现出来的现象。
铁磁学 第二章 原子的磁性及物质的顺磁性
、
e2 V (r ) L i Si rij
仍满足洪特规则，但晶体场V(r)首先对轨道能量产 生影响，即能级分裂，简并部分或完全消除。 含3d电子组态的离子的盐类属于此 3. 强晶场
e2 V (r ) L i Si rij
μL
μJ μL-S
μS
3 J ( J 1) S ( S 1) L( L 1) J J ( J 1) B 2 J ( J 1)
3J ( J 1) S ( S 1) L( L 1) 令：g J 2 J ( J 1) 则： J＝g J J ( J 1) B
晶体中的晶体场效应 a、晶体场对磁性离子轨道的直接作用 引起能级分裂使简并度部分或完全解除，导致轨 道角动量的取向处于被冻结状态。 b、晶体场对磁性离子自旋角动量的间接作用。 通过轨道与自旋耦合来实现。常温下，晶体中自 旋是自由的，但轨道运动受晶体场控制，由于自 旋－轨道耦合和晶体场作用的联合效应，导致单 离子的磁各向异性。
2、原子磁矩μJ 在磁场中的取向是量子化的; μJ在H方向的分量为： PJ H J H J cos J H J PJ mJ J g J mJ B J J 1 原子总磁量子数：mJ =J,J-1,……-J，（2J＋1个取值） 当mJ取最大值J 时， μJ在H方向最大分量为：
构成原子 的总磁矩
物质磁性 的起源
一、电子轨道磁矩（由电子绕核的运动所产生） 由量子力学知：轨道角动量 P l l (l 1)
l e e l Pl Pl 2m 2m e 令 l ，轨道磁力比 2m 则： l l Pl
铁磁学绪论
哈密顿可以写成
v v H = −∑ Aij Si ⋅ S j
ij
∧
当交换积分A为正时， 当交换积分A为正时，自旋趋于相互平行而呈现 铁磁性；当交换积分A为负时，自旋趋于反平行 铁磁性；当交换积分A为负时， 而呈现反铁磁性或亚铁磁性； 而呈现反铁磁性或亚铁磁性；当A的符号和大小 是变化的，则可得到螺磁性或其它自旋结构。 是变化的，则可得到螺磁性或其它自旋结构。 1931年 年 布洛赫（Bloch）考虑到交换作用的远程效果， 布洛赫（ ）考虑到交换作用的远程效果， 把自旋结构看成是整体激发， 把自旋结构看成是整体激发，开创了自旋波理 论，对接近0k的磁行为给出了正确的解释。 对接近0k的磁行为给出了正确的解释。 0k的磁行为给出了正确的解释 1958年 1958年 小口（ 小口（Oquchi）和BPW（Beche-Peierls-Weiss） ） （ ） 考虑了自旋的近程作用， 考虑了自旋的近程作用，对临界点附近的相变行 为给出了更好的结果。 为给出了更好的结果。
（ • RKKY（Ruderman,பைடு நூலகம்ittel,1954;Kasuya
1956,Yosida 1957）理论建立。通过传导电 ）理论建立。
子的磁关联产生的间接交换作用从而解释了稀土 金属中磁性的多样性。 金属中磁性的多样性。 然而上述的局域电子模型在对Fe、Ni、Co这些过渡 然而上述的局域电子模型在对Fe、Ni、Co这些过渡 Fe 金属进行定量计算时却出现了新的困难。 金属进行定量计算时却出现了新的困难。因为承担磁
铁磁学就是研究强磁性物质中自发磁 化的成因及在不同外加条件下各种物质的 微观磁性和宏观磁性的变化规律 主要包括三部分: 主要包括三部分 自发磁化的基本现象和理论 技术磁化的机制和理论 交流磁化与磁共振的基本现象和理论
铁磁学PPT课件-物质磁性分类和原子磁矩
3 孤立原子的磁矩
1） 电子的磁矩：
电子自旋磁矩
S
e m
S
(S为自旋动量矩）
自旋磁矩在外磁场方向上的投影为：
SH
e m ms
1 ms 2
SH
e 2m
Bohr磁子B
e 2m
0.92731023( A m2 )
电子轨道磁矩
L
e 2m
L
(L为轨道动量矩）
gJ mJ
mJ
gJ B
mJ J ,(J 1),,0,......( J 1), J
当L 0, 当S 0,
J S J L
gJ gS 2 gJ gL 1
J J
e
S
me
L
2m
（自旋贡献） （轨道贡献）
3 Hund规则
a) 在泡利原理许可的条件下，总自旋量子数S取最大值。 b) 在满足(a)条件下，总轨道角动量量子数L取最大值。 c)在未满壳层中，电子数小于壳层总电子数一半时，总角动 量量子数J=|L-S|；电子数大于或等于壳层总电子数一半时， J=L+S
H 2 2 ze2 V
2 4 0r
例：立方晶场中的3d电子波函数
3z2 r 2
Y20
1 4
15
1 r2
(3z 2
r2)
x2 y2
1 2
(Y22
Y22
)
1 4
15
1 r2
(x2
y2)
xy
i
1 2
(Y22
Y22 )
1 2
15 1 xy
r2
yz
i
1 2
(Y21
第二节铁磁性
第二节铁磁性一、铁磁性理论铁磁性现象虽然发现很早，然而这些现象的本质原因和规律，还是在二十世纪初才开始认识的1907年法国物理学家威尔斯系统地提出了铁磁性假说，即著名的分子场理论：铁磁性物质内部存在很强的“分子场”，即相邻原子之间存在着特殊的“交换偶合作用”。
在“分子场”的作用下，电子自旋磁矩趋于同向平行排列，即自发磁化至饱和，称为自发磁化。
铁磁体自发磁化分成若干个小区域，这种自发磁化至饱和的小区域称为磁畴（domains）。
不存在外磁场时，由于各个磁畴的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以大块铁磁体对外不显示磁性1931年首次获得了磁畴壁的显微照片3在分子场假说的基础上，发展了自发磁化理论，解释了铁磁性的本质在磁畴假说的基础上发展了技术磁化理论，解释了铁磁体在磁场中的行为 在磁畴的实验观察基础上发展了现代的铁磁性理论45铁磁性材料的磁性是自发磁化产生的。
磁化过程（又称感磁或充磁）：把物质本身的磁性显示出来，而不是由外界向物质提供磁性的过程1.自发磁化理论（1）铁磁性产生的原因铁磁性物质自发磁化的根源是原子（正离子）磁矩，而且在原子磁矩中起主要作用的是电子自旋磁矩在原子的电子壳层中存在没有被电子填满的状态（d 或f 态）是产生铁磁性的必要条件，但不是充分条件（同样在3d 状态存在空位的Fe 、Co 、Ni 表现出铁磁性，而Mn 则不表现出铁磁性）；原子之间相互键合的作用是否对形成铁磁性有利，这是形成铁磁性的第二个条件量子力学诞生后，海森伯格（W. Heisenberg ）于1928年明确提出了电子间交换作用是铁磁性的起源。
海森伯格的交换作用表达为：122ex E JS S =−•J ：称为海森伯格交换积分E ex ：是自旋矢量为S 1和S 2的近邻原子的两个电子的交换能6根据键合理论可知，原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相互交换。
这种交换便产生一种交换能E ex ，此交换能有可能使相邻原子内d 层未抵消的自旋磁矩同向排列起来当磁性物质内部相邻原子的电子交换积分为正时（J >0），相邻原子磁矩将同向平行排列，从而实现自发磁化。
第二章 金属磁性材料ppt课件
铜 改善合金的冷加工性能 铜使合金的μa及μm值提高，且降低了磁导率对成分的 敏感性，即当合金成分偏离最佳成分时，对μa及μm 值影响不大。 铜可抑制合金中有序相FeNi3的形成，因而可以降低热 处理的冷却速度。 降低合金的Ms和居里温度。
.
其它元素 锰可提高电阻率、降低矫顽力值，可以脱硫、 脱氧、改善热加工性能。 铬使铁镍合金的居里温度降低，抑制有序相的 形成，提高合金的电阻率值 钒、铌、钛等可提高合金的硬度，改善耐磨性。 碳可以脱氧，但C含量大于0.05%时使磁性急剧 下降。 硅加入0.05%左右对合金磁性有利，因其和锰 可复合脱氧，使脱氧颗粒呈大颗粒。 磷大于0.06%时，使合金的μ值急剧下降。
.
热处理对铁镍合金磁性的影响
获得高磁导率的材料，要使软磁材料呈单 相的固溶体、低的K1和 λs值、高的Bs。为 了避免有序化，同时减少内应力。一般采 用双重热处理的方法：将坡莫合金退火后， 从600 ℃ 将样品放在铜板上，在空气中急 冷，或在随炉冷却后，再加热到600 ℃ ， 然后快速冷却，即进行双重热处理。
.
含镍量从30%到100%的镍铁合金在室温下是由 单一的面心立方结构的γ相组成。 在合金含量小于30%时，γ相在较低温度下可通 过马氏体相变转变为体心立方的α相，这种结 构转变有明显的热滞现象，即升温时的α→γ转 变a温度和降温时γ→α的转变温度不重合。两 相区难以确定。
在相当于FeNi3、FeNi、Fe3Ni成分处会发生有 序和无序相转变。有序化转变温度在506℃。
将坡莫合金在其居里温度附近加磁场冷却， 或进行磁场热处理，在平行所加磁场的方 向上测量的磁化曲线均呈出矩形磁滞回线， 而在垂直方向上为平直的磁化曲线。
.
多元系坡莫合金 在Ni-Fe合金中加入钼、铬、铜等元素的多元 系坡莫合金，可不进行急冷处理，只要冷却速 度适当，其初始磁导率可比二元系坡莫合金高 几倍。而且电阻率也比Ni含量为78.5%坡莫合 金要高3倍，为0.60×10-3Ω.m，但饱和磁感应 强度从1.3T 降到0.6~0.8T。
铁磁学1 2
顺磁性物质也很多，常见的顺磁性物质： 过渡族元素、稀土元素和锕系元素金属：Mn,Cr,W,La,Nd, Pt,Pa, 含有以上元素的化合物：MnSO4,FeCl3,FeSO4,Gd2O3, 碱金属和碱土金属：Li,Na,K,Ru,Cs,Mg,Ca,Sr,Ba 包含有奇数个电子的原子或分子： HCl,NO,有机化合物中的自由基 少数含有偶数个电子的化合物： O2,有机物中的双自由基等
3.09 83.80 1.03
-43
3.78 131.3 1.24
Kittel 书数据（2002）
它们的电子壳层都是满壳层，所以原子磁矩为零。 在CGS单位制下，抗磁磁化率的典型值是10-6cm3·mol-1 。 统一换成体积磁化率的数值，量级是10-6。 换成 SI 单位制下应乘以4π，量级在10-5。
表现为铁磁性的元素物质只有以下几种： 一些过渡族元素和稀土元素金属：
室温以上，只有4种元素是铁磁性的。 但以上面元素为主构成的铁磁性合金和化合物是很多的，它
们构成了磁性材料的主体，在技术上有着重要作用，例如：
Fe-Ni, Fe-Si, Fe-Co, AlNiCo, CrO2, EuO, GdCl3,
自然界中很多物质都是抗磁性物质：周期表中三分之一的 元素、绝大多数的有机材料和生物材料都是抗磁性物质。 包括：
稀有气体：He,Ne.Ar,Kr,Xe 多数非金属和少数金属：Si,Ge,S,P, Cu,Ag,Au, 不含过渡族元素的离子晶体：NaCl,KBr, 不含过渡族元素的共价键化合物：H2,CO2,CH4 等 几乎所有的有机化合物和生物组织： 水； 一些反常抗磁性物质：
见Kittel 固体物理学8版p227，姜书p52也有此数据，稍有差别。
4. 反铁磁性（antuferromagnetism) ：
铁磁学第二章磁性分类
p ~ 103 105
（3）与温度关系：
C 居里定律 EuSiO3 T
1/
C 居里 外斯定律 T p
0
p
T
（4）例证：O2, NO, Sc, Ti, V, 铁磁性，亚铁 磁性高于居里点，反铁磁性高于奈尔点。
3.铁磁性： （1）来源:具有固有磁矩的离子因之间的正的 交换作用，使它们的磁矩长程平行的排列。从 而存在自发磁化。磁畴的形成，磁化，磁滞。
Magnetism in the Solid State 作者 Peter Mohn 出版社 springer
Quantum Magnetism 作者 Richter, Bishop springer
The Quantum Theory of Magnetism 作者 Norbert0 Majlis 世界图书出版公 司 Simple Models of Magnetism 作者 Ralph Skomski 出版社 牛津出版社 Quantum Theory of Magnetism 作者Wolfgang Nolting 出版社 springer
1.抗磁性
（1）来源：(a)满壳层电子在外磁场作用下感生出的与外
场相反的磁矩。(b) 自由电子在外场运动造成的。
（2）数值、正负： 0
d ~ 103 106
（3）与温度的关系：基本与温度无关。 （4）例证：NaCl, Cu, Zn，SiO2。
2. 顺磁性 （1）来源：具有固有磁矩的离子，因相距较远，则离 子间没有或只有很小的相互作用。外磁场的作用，在克 服热运动后，在场方向产生微弱的磁化。 （2）数值、正负： 0
当原子结合成晶体后，外层电子因受周围原子核场及 其他原子的电子的作用，基态能级将有所变化。 形成离子时，外层s电子比较容易脱离原子。 对过渡族原子变成离子，先失去4s电子，再失去3d电 子。 对稀土原子变成离子，先失去6s电子，再失去4f电子。
铁磁性,顺磁性,
物质磁性的分类1、抗磁性当磁化强度M为负时,固体表现为抗磁性.Bi、Cu、Ag、Au等金属具有这种性质.在外磁场中,这类磁化了的介质内部的磁感应强度小于真空中的磁感应强度M.抗磁性物质的原子（离子）的磁矩应为零,即不存在永久磁矩.当抗磁性物质放入外磁场中,外磁场使电子轨道改变,感生一个与外磁场方向相反的磁矩,表现为抗磁性.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微弱,磁化率H 一般约为-10-5,为负值.2、顺磁性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做无规则的热振动,宏观看来,没有磁性；在外加磁场作用下,每个原子磁矩比较规则地取向,物质显示极弱的磁性.磁化强度与外磁场方向一致,为正,而且严格地与外磁场H成正比.顺磁性物质的磁性除了与H有关外,还依赖于温度.其磁化率H与绝对温度T成反比.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.顺磁性物质的磁化率一般也很小,室温下H约为10-5.一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,如过渡元素、稀土元素、钢系元素,还有铝铂等金属,都属于顺磁物质.3、铁磁性对诸如Fe、Co、Ni等物质,在室温下磁化率可达10-3数量级,称这类物质的磁性为铁磁性.铁磁性物质即使在较弱的磁场内,也可得到极高的磁化强度,而且当外磁场移去后,仍可保留极强的磁性.其磁化率为正值,但当外场增大时,由于磁化强度迅速达到饱和,其H变小.铁磁性物质具有很强的磁性,主要起因于它们具有很强的内部交换场.铁磁物质的交换能为正值,而且较大,使得相邻原子的磁矩平行取向（相应于稳定状态）,在物质内部形成许多小区域——磁畴.每个磁畴大约有1015个原子.这些原子的磁矩沿同一方向排列,假设晶体内部存在很强的称为“分子场”的内场,“分子场”足以使每个磁畴自动磁化达饱和状态.这种自生的磁化强度叫自发磁化强度.由于它的存在,铁磁物质能在弱磁场下强列地磁化.因此自发磁化是铁磁物质的基本特征,也是铁磁物质和顺磁物质的区别所在.铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来,超过这一温度,由于物质内部热骚动破坏电子自旋磁矩的平行取向,因而自发磁化强度变为0,铁磁性消失.这一温度称为居里点.在居里点以上,材料表现为强顺磁性,其磁化率与温度的关系服从居里——外斯定律,式中C为居里常数.4、反铁磁性反铁磁性是指由于电子自旋反向平行排列.在同一子晶格中有自发磁化强度,电子磁矩是同向排列的；在不同子晶格中,电子磁矩反向排列.两个子晶格中自发磁化强度大小相同,方向相反,整个晶体.反铁磁性物质大都是非金属化合物,如MnO.不论在什么温度下,都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象,因此其宏观特性是顺磁性的,M与H处于同一方向,磁化率为正值.温度很高时,极小；温度降低,逐渐增大.在一定温度时,达最大值.称为反铁磁性物质的居里点或尼尔点.对尼尔点存在在极低温度下,由于相邻原子的自旋完全反向,其磁矩几乎完全抵消,故磁化率几乎接近于0.当温度上升时,使自旋反向的作用减弱,增加.当温度升至尼尔点以上时,热骚动的影响较大,此时反铁磁体与顺磁体有相同的磁化行为.。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
大多数铁氧体材料都是亚铁磁性。 如尖晶石型，石榴石型的。 稀土和过渡金属所组成的合金材料。
区别铁磁性和亚铁磁性的方法是什么？
6.其他磁性：
2.2原子的磁矩
原子磁矩来源于电子轨道磁矩、电子自旋磁矩与 核磁矩（较小，可忽略） 1 原子中电子的排布： 对单电子原子，能量仅与主量子数n有关。
E me2
The Quantum Theory of Magnetism 作者 Norbert0 Majlis 世界图书出版公 司
Simple Models of Magnetism 作者 Ralph Skomski 出版社 牛津出版社
Quantum Theory of Magnetism 作者Wolfgang Nolting 出版社 springer
出版社
1.抗磁性 （1）来源：(a)满壳层电子在外磁场作用下感生出的与外 场相反的磁矩。(b) 自由电子在外场运动造成的。 （2）数值、正负： 0 d ~ 103 106 （3）与温度的关系：基本与温度无关。 （4）例证：NaCl, Cu, Zn，SiO2。
2. 顺磁性
（1）来源：具有固有磁矩的离子，因相距较远，则离 子间没有或只有很小的相互作用。外磁场的作用，在克 服热运动后，在场方向产生微弱的磁化。
原子总自旋角动量
S
Si
i
在磁场方向的分量 M S mSi
i
其数值有2S+1种可能
原子总轨道角动量
L Li
i
在磁场方向的分量 M L mli
其数值为：
i
L,(L 1),......0,......(L 1), L
n+0.7L
2.离子中电子的排布
当原子结合成晶体后，外层电子因受周围原子核场及 其他原子的电子的作用，基态能级将有所变化。 形成离子时，外层s电子比较容易脱离原子。 对过渡族原子变成离子，先失去4s电子，再失去3d电 子。 对稀土原子变成离子，先失去6s电子，再失去4f电子。
Fe3 : 1s2 2s2 2 p6 3s2 3 p6 3d 5 4s0
5 亚铁磁性：
（1）来源：具有两个反平行的次点阵。但磁矩不 同，故有净磁矩的存在。
（2）数值正负： 0 ~ 100 106
（3）与温度关系：在Curie温度TC以下，有自发磁化，
自发磁化强度一般随温度上升而减小。T>TC时呈现顺磁性， 但在TC附近与居里-外斯定律偏离较大，在高温时满足居里外斯定律，但p<0
《铁磁性物理》 近角聪信 兰州大学出版 社
金属物理学第四卷 《超导电性和磁性》翟 宏如 科学出版社
Magnetism in the Solid State 作者 Peter Mohn 出版社 springer
Quantum Magnetism 作者 Richter, Bishop springer
Physics of Magnetism and Magnetic Materials 作者K. H. J. Buschow 出版 社KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS
Magnetism and Magnetic Materials cambridge
作者 J. M. D. COEY
第二章 物质磁性分类和原子磁矩
2.1 物质磁性概论 磁性分类： 按磁化率的正负以及数值大小来区分。 传统意义上分为
五大类： M / H 抗磁性，顺磁性，铁磁性，亚铁磁性，反铁磁性。
此外在一些新材料中还发现有： 混磁性，散反铁磁性，散铁 磁性，亚散铁磁性等。
参考书目：
《铁磁学》 科学出版社
Nd 3 : 4 f 35s25 p6 6s0
3 孤立原子的磁矩
1） 电子的磁矩：
电子自旋磁矩
S
e m
S
(S为自旋动量矩）
自旋磁矩在外磁场方向上的投影为：
SH
e m
ms
ms
1 2
SH
e 2m
Bohr磁子B
e 2m
0.92731023( A m2 )
4.反铁磁性：
（1）来源：固有磁矩间具有负的交换作用。磁矩 间长程的反平行排列。
（2）数值，正负： 0 ~Байду номын сангаас102 104
（3）与温度关系：
p 0
C T p
大多数过渡金属或稀土金属的氧化物，硫 化物，氟化物等都属于反铁磁体。
过渡金属 Cr, Mn,γ-Fe以及部分稀土属于反 铁磁体。还有些合金元素。
电子轨道磁矩
L
e 2m
L
(L为轨道动量矩）
在外磁场方向上的投影为：
LH
e 2m ml
ml l,l 1, ,(l 1),l 共2l 1个
2）L-S耦合
原子的总角动量矩J由轨道角动量L和自旋角动量S以矢 量叠加方式合成。
L-S耦合, jj耦合。铁磁性材料中常用的是L-S耦合。
（2）数值、正负： 0
p ~ 103 105
（3）与温度关系：
EuSiO3 居里定律
C T
1/
居里 外斯定律 C
T p
0
p
T
（4）例证：O2, NO, Sc, Ti, V, 铁磁性，亚铁 磁性高于居里点，反铁磁性高于奈尔点。
3.铁磁性：
（1）来源:具有固有磁矩的离子因之间的正的 交换作用，使它们的磁矩长程平行的排列。从 而存在自发磁化。磁畴的形成，磁化，磁滞。
（2）数值，正负： 0 ~ 100 106
（3）与温度关系：当温度上升时，自发磁化强度MS减
小，至居里温度TC时变为零。T>TC时呈现顺磁性，满足
居里-外斯定律。
p 0
C T p
只有很少的几种绝缘化合物有铁磁性： 如：CrBr3, GdCl3, EuO
过渡金属：-Fe,Co,Ni, Gd以及合金。 其磁性属于游行电子铁磁性。
2 2n2
对多电子原子，电子能级不仅与主量子数n有关，而且与角 量子数l有关。
原子中电子分布的规律：
1能量最低原理： 占据能量低的状态。
2泡利不相容原理： 如一个电子已经占据了能量最低态，则 另一个电子只能占据能量次低态。
由哈特里-福克方程计算得到的能级。
s,p,d,f, 0,1,2,3