磁性材料核心复习

2016春季《磁性材料》复习题
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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(P7.8)
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1.70×106 A/m, 球形样品产生退磁场的大小为：H d=NM
s=5.67×105A/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….3d3
12、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。

晶场对电子轨道的作用是库伦相互作用，因而对电子自旋不起作用，随着3d电子的轨道能级在晶场作用下劈裂，角动量消失。

发生轨道冻结的条件是：晶场大于自旋-轨道耦合
3d能级劈裂的机理：
能级劈裂：指原子或分子内原先衰减的能量水平间的分离
13、拉莫尔旋进，朗之万的抗磁性理论
拉莫尔旋进：拉莫尔进动是指电子、原子核和原子的磁矩在外部磁场作用下的进动。

拉莫尔旋进：具有自旋与磁矩特性的磁性核处于磁感应强度为B的均匀磁场中时，若此原子核的磁矩μ与B的方向不同时，在磁场作用下，原子核将受到一个垂直于μ与B形成平面的力矩T，在力矩T的作用下自旋角动量P的方向会连续发生变化，但大小保持不变，自旋核将发生像陀螺受重力作用是一样的进动。

原子核即自旋，又围绕外磁场方向发生的进动也成为拉莫尔进动。

朗之万的抗磁性理论：
朗之万的抗磁性理论：（P26-27）
14、朗之万顺磁性理论，弱场高温下居里定律的推导，布里渊对朗之万顺磁理论的量子力学修
正。

朗之万顺磁性理论:(PPT54-P140) 打印
郎之万顺磁理论：原子磁矩之间无相互作用，为自由磁矩，热平衡下为无规则分布，受外加磁场的作用，原子磁矩的角度发生改变，沿着接近外磁场方向择优分布，因而引起顺磁磁强度。

布里渊对朗之万顺磁理论的量子力学修正：
15、铁磁材料的磁畴，分子场假设，分子场对铁磁材料自发磁化的唯象解释，铁磁居里温度Tc
和顺磁居里温度的意义与差别，海森堡直接交换作用及其局限性，海森堡直接交换作用给出铁磁性条件
铁磁材料的磁畴：所谓磁畴，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，如图所示。

各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。

宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零
铁磁性物质内部存在按照磁畴分布的自发磁化。

铁磁性:铁磁性物质般具有如下五个特征
分子场假设：
铁磁居里温度Tc和顺磁居里温度的意义与差别：
在外斯分子场理论中，居里温度TC和顺磁居里温度TP是相等的，但实际测量的两者是有差别
的，通常TC小于TP，原因是实际的铁磁性物质在温度高于TC时，内部仍然有部分的短程磁有序。

居里温度：是热扰动能量完全破坏了自发磁化的磁相变的临界温度，低于此温度，铁磁体
有自发磁化，呈铁磁性，高于此温度时，铁磁体转变为磁矩杂乱分布的顺磁体
分子场对铁磁材料自发磁化的唯象解释：
表明随分子场系数和总自旋量子数的增加而增加，居里温度是分子场系数γ大小的一个宏观度量标志，它是与铁磁性物质的本征相关的一个参量。

居里温度：是热扰动能量完全破坏了自发磁化的磁相变的临界温度，低于此温度，铁磁体
有自发磁化，呈铁磁性，高于此温度时，铁磁体转变为磁矩杂乱分布的顺磁体。

铁磁性物质的磁特性随温度的变化而改变，当温度上升至某一温度时，铁磁性材料就由铁磁状态转变为顺磁状态，即失掉铁磁性物质的特性而转变为顺磁性物质，这个温度称为居里温度，以Tc表示。

居里温度是磁性材料的本征参数之一，它仅与材料的化学成分和晶体结构有关，几乎与晶粒的大小、取向以及应力分布等结构因素无关，
铁磁居里温度：这是铁磁性材料保持有铁磁性的一个最高温度，在此温度以上时即转变为顺磁性。

顺磁则是反过程，但是温度都是相同的
16、奈耳温度的意义，次格子，高温弱场下反铁磁的居里外斯定律的推导，超交换作用机理，影响超交换作用强度的因素
海森堡直接交换作用及其局限性，海森堡直接交换作用给出铁磁性条件：
奈耳温度：反铁磁相变温度——奈尔温度T N
反铁磁性物质两个特征：磁性晶格含义：
高温弱场下反铁磁的居里外斯定律的推导:
超交换作用机理:
1934年,克拉默首先提出了一种交换作用模型----超交换模型,用来解释反铁磁性自发磁化的起因.他认为,反磁性物体内的磁性离子之间的交换作用是通过隔在中间的非磁性离子之为媒介来实现的,故称超交换作用.
超交换作用的原理：(以MnO为例)由于MnO具有面心立方结构,存在两种键角,即180度与90度的键角.如上图:在基态时:
Mn2+→3d5 →有5个未被抵消的自旋磁矩O2- →2p6 →没有未被抵消自旋磁矩而,Mn2+—O2-
—Mn2+,电子波函数在180度键角方向时可能有较大的迭加(如下图),只是O2-离子无磁性,不能自发磁化.
然而,由于有迭交, O2- 提供2p电子迁移到Mn2+的3d轨道内的机会,使体系完全可能变成含有Mn2+和O1-的激发态
所以,在激发态时:
O2- →2p5 →就有1个被抵消自旋磁矩
这个未配对的电子当然有可能与近邻的Mn2+离子的3d电子了生交换作用.
最终,导致O2-两则成180度键角耦合的两个Mn2+的自旋必定为反平行排列.
影响超交换作用强度的因素:
16、奈耳温度的意义，次格子，高温弱场下反铁磁的居里外斯定律的推导，超交换作用机理，
影响超交换作用强度的因素
17、尖晶石结构亚铁磁性，抵消点，P,QN型亚铁磁材料的磁化曲线有何区别？产生此种区别的
原因？亚铁磁铁氧体分子磁矩的计算，亚铁磁铁氧体材料内部的交换作用
尖晶石结构亚铁磁性：
P,QN型亚铁磁材料的磁化曲线有何区别：（P53-54）
抵消点:
产生此种区别的原因？:
亚铁磁铁氧体分子磁矩的计算:
亚铁磁铁氧体材料内部的交换作用18、混磁性，自旋玻璃态
19、R KKY交换作用
第三章（P56开始）
磁晶各向异性，易轴，磁化功，磁晶各向异性能，磁晶各向异性场，单轴(六方晶系)磁晶各向异性，多轴(立方晶系)磁晶各向异性，磁晶各向异性机理解释(自旋对模型，单离子模型)，4f稀土元素的磁晶各向异性，磁晶各向异性的温度依赖性
磁晶各向异性：易轴：
磁化功、磁晶各向异性能，磁晶各向异性场
单晶体沿不同晶轴方向上磁化所测得的磁化曲线和磁化到饱和的难易程度不同。

即，在某些晶轴方向的晶体容易磁化，而沿某些晶轴方向不容易磁化，这种现象称为磁晶各向异性。

磁晶各向异性场是一种等效场，其含义是当磁化强度偏离易磁化轴方向时好像受到沿易磁化轴方向的一个磁场作用，使它恢复到易磁化轴方向。

单轴(六方晶系)磁晶各向异性：多轴(立方晶系)磁晶各向异性
磁晶各向异性机理解释(自旋对模型，单离子模型)：4f稀土元素的磁晶各向异性：
磁晶各向异性的温度依赖性。