磁性材料核心复习

复习资料上课PPT和教材一、基本名词、概念1、磁荷及其特点，磁库伦定律，磁偶极矩，电流回路磁矩磁荷：是磁单极子的基本量化单位.是自然界存在携带最小电荷量的基本磁粒子。

特点：磁极的强度用其所带磁荷的量m表示，由于磁学量不如电学量的测量那么直观，在目前的实验中尚未观测到这种粒子。

所以“磁单极子”到现在还只是一个理论上的构想。

磁铁有N/S 两极，他们同号相斥，异号相吸，这一点同正负电荷有很大的相似性。

磁库伦定律：P1磁偶极矩:磁偶极矩与“电偶极矩”相对应。

历史上，人们最早认为天然磁体（或人造磁铁）是由无数小的磁偶极子组成，每一个小的磁偶极子由相距很近的等量正、负磁荷构成。

（磁偶极子的磁性强弱可以由磁偶极矩来表示）P2磁偶极子：（P2）电流回路磁矩:（P2）由闭合电流产生的磁矩2、磁化强度，磁极化强度，比磁化强度（P3）3、磁场强度，点磁荷/无限长直导线/环形电流/长直螺线管的磁场分布，磁感应强度磁感应强度:也被称为磁通量密度或磁通密度，是一个表示贯穿一个标准面积的磁通量的物理量，其符号是B。

在物理学中磁场的强弱使用磁感强度（也叫磁感应强度）来表示，磁感强度大表示磁感强；磁感强度小，表示磁感弱。

磁场强度:单位正点磁荷在磁场中所受的力被称为磁场强度H.4、磁化率，相对磁导率、起始磁导率、最大磁导率、复数磁导率、增量磁导率、可逆磁导率、微分磁导率、不可逆磁导率、总磁导率(P5—P7) （计算方法、如何从图像中判断）5、静磁能，退磁场，退磁因子，几种简单几何形状的退磁因子N比例系数N:为退磁因子张量，无量纲的数，同磁体的形状有关。

Hd是磁体内部位置的函数，N也是，所以N的具体形式书写及其困难，只有当磁体形状使Hd是均匀分布时，N才变为常数。

通常情况下，不能忽略退磁场效应，若对个退磁因子很大的样品一个退磁因子很大的样品进行磁化，需要加更高的外磁场。

室温下铁的饱和磁化强度为×106 A/m, 球形样品产生退磁场的大小为：H d=NMs=×105A/m, 因此磁化此样品所需外磁场，需要超过5 67 .67×105A/m。

6、物质磁性的分类，抗磁性特点，顺磁性特点，铁磁性特点，反铁磁性特点，亚铁磁性特点，各种磁性的磁化曲线的区别，居里温度，奈耳温度，居里外斯定律物质是由原子(离子)或分子组成的，绕原子核运动的电子具有轨道磁矩和自旋磁矩，因此磁性是物质的基本属性，任何物质都具有磁性。

不同物质在磁场中的行为表现不同，这不但取决于其构成固体后的原子(离子)或分子是否具有磁矩，而且和其固体的结构，晶体场的类型，相邻原子、电子之间是否具有相互作用，及这种相互作用的类型等因素有关。

抗磁性（任何物质都有），磁化率是很小的负值，与温度磁场无关，加一个磁场，即就感应出方向相反的磁场(磁化率X=M/H).顺磁性：磁化率X很小的负值，顺磁性的物质磁化率随着温度在发生变化，其服从居里—外斯定律。

对于顺磁性的图像里，看X-T的图像可以知道，当温度很低时，逐渐和外磁场方向一致，温度无限接近于0，理想状态下，温度为0，与外磁场方向一致。

铁磁性：X为很大的正值，铁磁性物质服从居里外斯定律，当铁磁性物质比临界温度高时，铁磁性物质转化成为顺磁性物质。

当降温到各自居里温度，又变化成为铁磁状态。

反铁磁性：当T大于T N时，遵从顺磁状态（居里—外斯定律），当T小于T N时，没有规律，磁化率不再增大。

T N为奈尔温度，是顺磁到反磁的转化温度。

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。

?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。

?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。

?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。

对尼尔点存在的解释是：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。

?（P12、14）居里温度：材料在铁磁体和顺磁体之间改变的温度，即铁磁体从铁磁相转变成顺磁相的相变温度，也可以说是发生二级相变的转变温度。

奈耳温度：反铁磁性材料转变成为顺磁性材料所需要达到的温度。

居里外斯定律：是电介质材料研究中非常重要的一个定律，其描述介电常数或磁化率在居里温度以上顺磁相的关系。

7、磁化，磁化曲线，剩磁，矫顽力，磁滞回线，退磁曲线，磁能积，退磁场矫正铁磁性、亚铁磁性材料属于强磁性材料，这类材料与具有抗磁性、顺磁性、反铁磁性等磁性特征的材料的区别在于它们对于外加磁场有明显的响应特性，即被磁化，这说明材料的状态随外磁场强度的变化而发生变化，这种变化可以用磁化曲线和磁滞回线来表征。

磁化曲线：是表示磁场强度H和所感生的磁感应强度B或者磁化强度M之间的关系。

工程技术中常用B-H关系，物理学中常用M-H关系。

磁化曲线反映了M或B对H的比值，所以从磁化曲线上面可以获得磁化率或者磁导率。

剩磁：材料磁化到饱和以后，逐渐减小外加磁场，材料中对应的M或者B也随之减小，但是并不会沿着初始的磁化曲线返回。

当外磁场减小到零时，材料仍然保留一定大小的磁化强度或者磁感应强度，称为剩余磁化强度或剩余磁感应强度，用M 和B 表示简称剩磁矫顽力：在反方向增加磁场，M或B持续减小，当反向磁场达到一定值时，满足M=0或者B=0，此时的场强度磁场强度H称为矫顽力，用M H c(内禀矫顽力)或B H c(磁感应矫顽力)表示，通常|M H c|>|B H c|，矫顽力的物理意义是表征材料磁化以后，保持磁化状态的能力。

有效磁场=外磁场—退磁场第二章8、原子磁性来源，原子外电子排布规律（P19）9、电子的轨道磁矩，玻尔磁子，电子轨道磁矩的量子化（P21-22）10、电子自旋磁矩，电子自旋轨道角动量耦合（P23-P24）电子除了绕核作轨道运动外，还有自旋运动，固有自旋角动量。

自旋角动量在外磁场中的分量只取决于自旋量子数m s。

角动量耦合:由几个角动量互相作用得到一个总的、确定的角动量的组合方式，称为角动量耦合，其实质就是矢量的加和。

11、j j耦合，LS耦合，洪德定则，朗德因子，有效磁矩，原子量子态的光谱学标记（P24--26）j-j 耦合：适用于原子序数Z＞82 的原子，在这类原子中，同一电子自身的轨道-自旋耦合(l-s)较强，各电子的轨道角动量l和自旋角动量s先合成为电子的总角动量j，然后各个电子的总角动量j再合成为该电子壳层的总角动量J。

L-S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，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个总轨道角动一个总轨道角动量P L和总自旋角动量P S，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P J。

原子序数Z≤32的元素都采用这种耦合方式。

原子序数Z＞32到Z<82 之间元素角动量的耦合方式将逐渐地从第一种方式。

gJ称为朗德因子：重要：原子磁矩的计算Fe原子：Z=26，电子分布是….3d6由洪特规则1: 5个电子自旋占据5个+1/2的m s的状态，另一个只能占据-1/2的m s的状态，所以总的自旋s: S=5*1/2-1*1/2=2同理根据洪特定则2：总轨道角动量 L=2+1+0+(-1)+(-2)+2=2 (m l=0,+1, +2)电子数超过半数，根据洪特定则3： L-S耦合的总角动量J有：J=L+S(=4)所以朗德因子g J：g J=3/2所以Fe原子的有效磁矩为：Fe原子的总自旋磁矩为：Cr3+离子：Z=24，电子分布是….3d312、轨道角动量冻结，3d能级劈裂的机理轨道角动量冻结：在晶场中的3d过渡金属的磁性离子的原子磁矩仅等于电子自旋磁矩，而电子的轨道磁矩没有贡献，此现象称为轨道角动量冻结。

物理机理：过渡金属的3d电子轨道暴露在外面，受晶场的控制。

晶场的值为102-104，大于自旋轨道耦合能102。