顺磁性物质的磁化

Plz ml B (ml 0,1,... l)
PsZ
msB (ms
1) 2
电子的轨道磁矩
LI 轨道电流产生的轨道磁矩为：
Pm=IS
Pl
is
e T
r 2
e
2
r 2
e 2m
mr 2
e 2m
L
电子轨道运动的角动量为： L l(l 1) l
轨道角动量与轨道磁矩关系： P
e
L
2m
角动量的方向始终与轨道磁矩方向相反。
M H B H M
磁化率χ :反映物质磁化难易程度
(Magnetic Susceptibility) ：
磁导率μ
0 (1 )
H
χ
H
H=0
H1 > 0
H2 > H1
• 磁导率μ
B来自百度文库
M
磁感应强度: B (特斯拉)
磁化强度: M (安/米)
磁场强度: H (安/米)
μ
B 0(M H )
B 0 ( 1)H
C
T
抗磁性
磁性的分类
❖抗磁性
定义: 当材料被磁化后,磁化矢量与外加磁场的方向相 反时，固体表现为抗磁性。
➢抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率χ 是甚小的 负常数(M与H反向)，一般约为~10-6 数量级。
➢ 抗磁性是电子电子的循轨运动在外加磁场作用下的 结果.任何金属都具有抗磁性.
➢金属中有一半是抗磁金属。Cu, Ag, Au, Hg, Zn, Bi 等。(因抗磁性大于电子的顺磁性)
• 列表给出主要磁学量的国际单位和高斯单位， 并给出它们之间的换算关系。
➢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（有 剩磁）。各类磁性物质的-曲线示于下图
铁磁性
磁性的分类
❖铁磁性
➢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，铁磁性消失。这一温度 称为居里点其磁化率与温度的关系服从居里 一外斯定律
C
电子的自旋磁矩: Ps 2 s(s 1)B PsZ msB (ms
B
e 2m
9.273 10 24 [ A m2 ] 10 23[ A m2 ]
（波尔磁子，电子磁矩的基本单位）
e：单位电荷；h:普朗克常数；m:电子质量；
l: 轨道量子数；s:自旋量子数。
外磁场（Z）方 向上的磁矩分量：
(BH)max: 1 kJm-3 = 4 π10-2 MGOe
电子的磁矩
电子的循轨磁矩: Pl l(l 1)B l: 轨道量子数
Plz ml B (ml 0,1,... l)
电子的自旋磁矩: Ps 2 s(s 1)B s:自旋量子数
PsZ
ms B (ms
1) 2
玻尔磁子：
B
e 2m
9.273 10 24
奈耳点以下
奈耳点以上
亚铁磁性体 磁性的分类
亚铁磁性体： 相邻原子磁体反平行，磁矩大小不同， 产生与铁磁性相类似的磁性。一般称 为铁氧体的大部分铁系氧化物即为此。 磁性材料： 铁磁性与亚铁磁性的统称。
一、基本参量及单位
磁偶极矩 jm = ml =μ0μm
磁矩μm： μm = is
磁极化强度Jm： Jm=μ0M 磁感应强度B：
➢原子内部存在固有磁矩(离子有未填满的电子壳层)。 如过渡元素、稀土元素：3d-金属Ti,V; 4d-金属铌Nb,
锆Zr, 钼Mo，钯Pd；5d-金属(Hf, Ta, W, 铂Pt）。
➢自由电子的顺磁性大于离子的抗磁性。如：碱金属和
碱土金属离子虽然是填满的壳层，但Li，Na, K，Mg，
Al是顺磁性金属。 ➢顺磁性物质的磁化率与温度
磁化强度M：M =∑μm/ΔV
磁场强度H ：
B = H+4πM
B =μ0(H + M)
(CGS: Gauss; Oe; emu/cm3)
(SI: T特斯拉； A/m；A/m
或Wb/m2);
单位换算： B: 1 T = 104 G ;
H: 1 kAm-1 = 4π Oe;
M: 1 kAm-1 = emu cm-3
4. 铁磁体： χ 为很大的正变数，约在
10 ~ 10 6 数量级。
5. 亚铁磁体：与铁磁体相似，但χ 值
较小，如磁铁矿（Fe3O4)。
铁磁性
M
亚铁磁性
顺磁性
反铁磁
抗磁性 H
❖顺磁性
顺磁性
磁性的分类
定义: 当材料被磁化后,磁化矢量与外加磁场的方向相同 时，固体表现为顺磁性。
➢顺磁性物质的磁化率一般很小，室温下约为10-3~10-6 数量级。
B 0r H H
B M
Hs H
H
顺磁性物质的磁化
H=0
H≠0
磁性的分类
Classes of Magnetic Materials
弱磁性:
1. 抗磁性： χ 是甚小的负常数，约
~10-6数量级。M与H反向.
2. 顺磁性： χ 是正常数，约10-3 ~10-6
数量级.
3. 反铁磁性： χ 为甚小的正常数. 强磁性
磁性的分类
Classes of Magnetic Materials
弱磁性:
1. 抗磁性： χ 是甚小的负常数，约~10-6数
量级。M与H反向。金属中有一半是抗磁 体。Cu, Ag, Au, Hg, Zn等。
2. 顺磁性： χ 是正常数，约10-3 ~10-6 数量
级。铂，钯，奥氏体不锈钢。Li, Na, K 等。
• 自由电子的顺磁性源于电子的自旋运动,自旋 磁矩转到外磁场方向；
• 自由电子的抗磁性源于电子受洛伦兹力而做 圆周运动，产生的磁矩与外磁场反向。
影响磁化率的因素
χ
20×10-8
1/χ
0
Cu-Pd
-20×10-8 Ag-Pd 50
rPd× 100
500 900 1300 t/℃
强顺磁性过渡族金属 Pd溶于Cu,Ag中情况
T TC
铁在高温时顺磁磁化率的变化
1/χ
500 900 1300 t/℃
α-Fe→γ-Fe(910℃); γ-Fe →δ-Fe(1401℃);
反铁磁性
磁性的分类
反铁磁自旋有序，首先是由舒尔和司马特利用中子衍射实验在 MnO上证实。MnO的晶体结构是Mn离子形成面心立方晶格，O离 子位于每个Mn-Mn对之间。从中子衍射线，超过奈耳点的室温衍 射图与奈耳点以下80K温度的衍射图比较，看到低于奈耳点的衍 射图有额外的超点阵线，通过分析得到反铁磁的磁结构。
抗磁性
运动电子在外磁场作用下，受电磁感应而表 现出的特性。所有物质都具有抗磁性，但只 有满壳层电子的原子才能表现出抗磁性来。
μ ΔM i
H
i
ΔFe Fe
μ ΔM
附加磁矩： M 0e2r 2 H
4m
原子抗磁矩: Mat
0e2r 2
4m
H
z i 1
ri2
铁磁性
磁性的分类
❖铁磁性
➢有一类物质如Fe,Co,Ni，室温下磁化率可达10 ~ 10 6 数 量级，这类物质的磁性称为铁磁性
铁在高温时 顺磁磁化率的变化
磁化率的测量
• 磁秤法：F=χVHdH/dx χ2= χ1I2/I1
P142
复习题
• 何谓磁矩? 磁矩的最小单元是什么？电子磁 矩可分哪几部分？原子的总磁矩与原子结构 有何关系？
• 何谓铁磁性?铁磁性物质与顺磁性物质有何区 别?
• 何谓抗磁性?产生抗磁性的根源是什么?
[ A m2 ]
原子磁矩
➢ 电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成 ➢ 孤立原子的磁矩决定于原子的结构 ➢ 某些元素具有各层都充满电子的原子结构，其电子
磁矩相互抵消，因而不显磁性 ➢ 原子构成晶体后，过渡族元素铁族3d，钯族4d，
铂族5d，锕族6d壳层未满，由于晶场作用使电子 的轨道角动量动结。F电子影响较小。 ➢ 电子（轨道+自旋）磁矩 >>原子核的磁矩
3. 反铁磁性： χ 为甚小的正常数。如α-锰，
铬，氧化镍，氧化锰等。
强磁性 4. 铁磁体： χ 为很大的正变数，约在10 ~
10 6 数量级。
5. 亚铁磁体：与铁磁体相似，但χ 值较小，
如磁铁矿（Fe3O4)。
铁磁性
M
亚铁磁性
顺磁性
反铁磁
抗磁性 H
• 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。
Pl
e 2m
l
l
eh
4m
lB
B 0.927 10 23[ A m2 ]
物质磁性的本质
原子的磁矩
➢ 电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成 ➢ 孤立原子的磁矩决定于原子的结构 ➢ 某些元素具有各层都充满电子的原子结构，其电子
磁矩相互抵消，因而不显磁性 ➢ 原子构成晶体后，过渡族元素铁族3d，钯族4d，
物质的磁性:磁源于电
I
r
H
Hr=I/(2πr)
r
H Ho=I/(2r)
Ho= nI
物质磁性的起源： 磁源于电子的轨道和自旋运动
Origin of Magnetism
电子的循轨磁矩: Pl l(l 1)B 电子的自旋磁矩: Ps 2 s(s 1)B
电子的磁矩
电子的循轨磁矩: Pl l(l 1)B Plz mlB (ml 0,
铂族5d，锕族6d壳层未满，由于晶场作用使电子 的轨道角动量动结。F电子影响较小。 ➢ 电子（轨道+自旋）磁矩 >>原子核的磁矩
顺磁性物质的磁化
H=0时的順磁性物质
在强磁场中的順磁性物质
磁铁是怎么被磁化的呢？
铁
M Pm
V
磁 体
M H
M Pm
V
M
顺
磁
体
H
磁性的基本量及单位
三. 磁化率和磁导率