第8章 磁性物理

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物质的磁性
抗磁性、顺磁性和反铁磁性为弱磁性，铁磁性和亚铁磁性为强磁性， 具有铁磁性和亚铁磁性的材料叫磁性材料。
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退磁场
有限几何尺寸的磁体在外磁场中被磁化后，表面将产生 磁极，从而使磁体内部存在与磁化强度M方向相反的一种 磁场，起减退磁化的作用，称为退磁场Hd。 Hd 的大小与磁体形状及磁化强度有关。 Hd=-NM 其中N为退磁因子，若磁化均匀，只与磁体几何形状有关。 非均匀磁化时还与磁性体磁导率有关。 铁磁性材料与自身退磁场的相互作用能称为退磁场能Ed。 形状不同或沿不同的方向磁化时，Ed也不同，这种因形状 不同而引起的能量各向异性的特征称为形状各向异性。即： Ed是形状各向异性能量。
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抗磁性
根据抗磁体的磁化率与温度的关系，抗磁体又可以分为两类：
1. “经典”抗磁体，它的磁化率不随温度变化，如Cu、Ag、Hg、 Zn等。 2. 反常抗磁体，它的磁化率随温度变化，且其大小是前者的10100倍，如Bi、Sn等。
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顺磁性
1.≠0 ，无相互作用，各原子磁矩取向混乱，对外不显示宏观磁性; 在磁场中，原子磁矩都有沿外磁场方向排列的趋势，感生出和外磁场 方向一致的磁化强度。 2.
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顺磁性
根据顺磁体的磁化率与温度的关系，顺磁体又可以分为两类： 1. 正常顺磁体，它的磁化率与温度成反比关系，如铂、钯、奥氏 体不锈钢等。 2. 反常顺磁体，它的磁化率与温度无关，如Li、Na、K等。
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铁磁性
1.≠0 ， 磁化率χf＞＞0， （约为10～
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反铁磁性
当施加外磁场时，由于自旋间反平行耦合 的作用，正负自旋转向磁场方向的转矩很 小，因而，磁化率比顺磁磁化率小，随着 温度的升高，有序的自旋结构逐渐被破坏， 磁化率增大，这与正常顺磁体的情况是相 反的。在T＝TN（奈尔温度）时， χaf 最大。 当大于奈尔温度后，自旋有序结构完全消 失，反铁磁体变成顺磁体。
B 0 r H M 物质磁性强弱也可由磁化率 来表示。 H r 1
磁化率是单位磁场在磁体内感生的磁化强度，表征磁体磁化的难易 程度。
r 和 都反应了材料增强磁场的程度，是磁性材料的重要参数。
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物质的磁性分类
jm ml
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磁化强度
一个宏观磁体由许多有固有原子磁矩μ的原子组成。宏观磁体单位体 积内具有的原子磁矩矢量总和称为磁化强度M。
M

V

通常，在无外加磁场时，材料中原子固有磁矩无规则排列，矢量和 为零，宏观上材料不呈现磁性。
当有外加磁场时，磁矩会重新排列，显示出一定的磁性，当原子磁 矩同向平行排列时，宏观磁体对外显示的磁性最强。
μ l iA
单位：A ∙m2 方向：右手螺旋法则
填满了电子的次电子层，各电子的轨道运动分别占据了所有可能的方
向，形成一个球形对称体系，总电子轨道磁矩为零。 所以计算时只需考虑未填满的那些次电子层中电子的贡献。
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电子自旋磁矩
电子自旋磁矩
μs
电子在做轨道运动的同时还绕自身的轴做自旋运动。 填满了电子的次电子层，总电子自旋磁矩也为零（方向相反的自旋磁
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磁滞曲线
磁性材料对外加磁场有明显的响应特征，状态随外加磁场强度而变 化，可用磁滞曲线表征。 B 磁滞曲线表示磁场强度H与所感
生的B或M之间的关系
B —H关系：工程技术中应用 O H M—H关系：磁性物理学中常用
F
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磁滞曲线
O点：H＝0、B＝0、M＝0，磁中
106），有磁滞现象；
2. 物质中存在相互作用， 在较弱的磁场作 用下，磁矩就可以有序排列； 3. 磁化率χf与温度有关，存在居里温度Tc— —铁磁性或亚铁磁性物质转变为顺磁性的临 界温度； 当 T>TC 时，铁磁性转变为顺磁 性，服从居里－外斯定律。
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铁磁性
C P T TP
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物质的磁性分类
一、抗磁性 原子总磁矩＝0。在外磁场作用下，穿过电子轨道运动回路的 磁通量会发生变化，为了抵抗该变化，在电子轨道回路中要产生一 个附加的感应电流。这一附加感应电流将感生出与磁场反向的磁化 强度。因此：磁化率χd<0，且|χd|～10－6，与磁场和温度无关。
第八章 磁性物理
物质的磁性
磁性是一切物质的基本属性，它存在的范围很广，从 微观粒子到宏观物体以至宇宙的天体都存在着磁的现 象。
磁性不仅只是一个宏观的物理量，而且与物质的微观 结构密切相关，它不仅取决于物质的原子结构，还取 决于原子间的相互作用、晶体结构。 研究磁性是研究物质内部微观结构的重要方法之一。
χP>0，但数值很小（显微弱磁性）。室温下χP：10－3～10－6。
3. χP与温度有关。 4.顺磁性物质的磁化强度随磁场变化的磁化曲线为线性直线。
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顺磁性
C P ，居里定律 T P C ，居里－外斯定律 T TP
其中：C为居里常数，TP为顺磁性居里温度。
实例：3d金属Fe，Co，Ni，4f金属铽、铒、
铥、钬、铒、铥、鐠和钕以及很多合金与化 合物。
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反铁磁性
1.≠0 ， 磁化率χaf与顺磁物质接近；
2. 物质中存在相互作用，近邻离子自旋反 平行排列，相邻晶格的磁矩大小相等，方向 相反，合成磁矩为零； 3. χaf与温度有关，存在奈尔温度TN。
性和原始退磁状态
B A
OA段：近似线性，起始磁化阶
段
AB段：较陡峭，表明急剧磁化 从饱和磁化状态开始，再使磁 化场减小，B或M不再沿原始曲 线返回。当H＝0时，仍有一定 的剩磁Br或Mr。
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抗磁性材料不具有固有磁矩，即电子轨道磁矩与自旋磁矩之和为 零。放入磁场后，电子轨道回路中的磁通量发生变化导致产生一 个附加电流，根据楞次定律，这些电流所产生的磁矩的方向是和 外磁场方向相反的。
顺磁性材料中具有固有磁矩，但排列很乱，对外不显示磁性。放 入磁场后，固有磁矩会在磁场的作用下转向至与磁场的方向一致， 使磁场加强。
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磁场强度
当磁介质在磁场强度为H0的外加磁场中被磁化时，会使它所在空间 的磁场发生变化，即产生一个附加磁场H’，这时，其所处位置的总 磁场强度H总为两部分的矢量和
H总 H 0 H '
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磁场强度H
常见的几种电流产生磁场的形式为：
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抗磁性和顺磁性与温度的关系
通常磁产生的力比电产生的力要小的多，即使是在很低的温度下 的热运动也足以冲散排列一致的磁矩，在普通的顺磁性材料中， 在室温下不可能存在固有磁矩的永恒排列，所以只有很微弱的力 的作用。 但在铁磁性材料中，即使是在室温下磁矩也可以整齐排列，这也 是铁磁性强的原因。
矩可以互相取消）。
计算时只需考虑未填满的那些次电子层中电子的贡献。
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原子磁矩
原子中电子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩构成了原子固有磁矩， 即本征磁矩。
当电子层的各个轨道电子都排满时，其电子磁矩相互抵消，这个 电子层的磁矩总和为零，它对原子磁矩没有贡献。如果原子中所 有电子层中的电子都排满时由于形成一个球形对称的体系，则电 子轨道磁矩和电子自旋磁矩各自相抵消，此时原子本征磁矩为零 。 原子中如果有未被填满的电子壳层，其电子磁矩未被抵消，原子 就具有“永久磁矩”。
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原子磁矩
例如：铁原子的原子序数为26，共有26个电子，电子层的排布为 1s22s22p63s23p63d64s2。 除了3d次外层外，各层均被电子填满，电子磁矩被抵消。 根据洪特法则，电子在3d层中应尽可能的占有最多的轨道，并且 自旋尽可能在同一个方向上（自旋平行），因此5个轨道中除有 一条容纳2个电子外，其余4条轨道都只有一个电子，且这4个电 子的自旋方向相同。
（1）、无限长载流直导线： 方向是切于与导线垂直的且以导线为轴的圆周。 I H I为通过直导线的电流，r为计算点至导线的距离。 2r （2）、直流环形线圈圆心： r为环形圆圈半径，I为流经环形线圈的电流。 I H 方向由右手螺旋法则确定。
2r
（3）、无限长直流螺线管：
nI H L
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磁铁
磁铁 方向性：N、S极 不可分离性 磁力线：磁力线切线方向为磁场方向
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磁偶极子
定义：磁体无限小时，体系定义为磁偶极子
+m l -m
负磁极 负磁荷－m 正磁极 正磁荷＋m
其磁偶极矩： 方向：-m指向+m 单位：Wb∙m 用来表征磁偶极子的磁性强弱
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抗磁性
任何材料在磁场中都具有抗磁性，但并非所有的材料都是抗磁 体，材料到底是抗磁体还是顺磁体，取决于材料中抗磁性和顺磁性 的综合结果。
一般抗磁性比顺磁性要弱得多，所以抗磁性只有在物质的原 子、离子或者分子固有磁矩为0时，才能观察出来。
实例：惰性气体、水、许多有机化合物、某些金属（Bi、Zn、Ag、 Mg）、 非金属（如：Si、P、S）
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抗磁性和顺磁性
所有磁介质都具有抗磁性，而具有固有磁矩的材料才具有顺磁性。
顺磁性材料中同时具有顺磁效应和抗磁效应，只是顺磁效应更占 优势，显示不出抗磁性。
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抗磁性和顺磁性与温度的关系
抗磁性几乎与温度无关。
顺磁性对温度非常敏感。温度升高引起的热运动很容易就会把与 磁场方向一致的固有磁矩冲散，所以温度越低，顺磁效应就越强。
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物质的磁性
任何物质处于磁场中，均会使其所占有的空间的磁场 发生变化，这是由于磁场的作用使物质表现出一定的 磁性，这种现象称为磁化。
通常把能被磁化的物质称为磁介质。 实际上包括空气在内的所有物质都能被磁化，因此从 广义上所有物质都属于磁介质。
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磁性的来源
n：线圈匝数，方向沿螺线管的轴线方向。
L：线圈长度。
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磁感应强度B
通过垂直于磁场方向单位面积的磁力线数被称为磁感应强度。
B 0 r H 0 (M H )
r 是相对磁导率。 是真空磁导率， 0
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磁导率和磁化率
磁导率是反映物质磁性强弱的物理量
T TN，服从 af C ，但T p 0 T Tp
实例：过渡族元素的盐类及化合物， T TN , af 不增反降，并逐渐趋于定值。如MnO，CrO, CoO等。
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反铁磁性
1.≠0 ， χm＞0， （约为100～103）；
2. 存在相互作用， 有序排列，内部磁结构与 反铁磁性相同，但相反排列的磁矩大小不等量； 3. χm与温度有关； 4.电阻率高，多用于高频。 典型代表为铁氧体。
物质的磁性来源于原子磁矩。
原子磁矩包括电子磁矩和原子核磁矩。 实验和理论证明，原子核磁矩很小，只有电子磁矩的 几千分之一，可以略去。 所以原子总磁矩主要来自于电子磁矩。是电子轨道磁 矩和电子自旋磁矩的总和。
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电子轨道磁矩
在原子结构模型中，原子核外电子绕原子核做圆周轨 道运动，电荷的运动产生电流，相当于在面积为A的 闭合回路中产生环形电流。该环形电流将在其运动中 心处产生磁矩，称为电子轨道磁矩。 电子轨道磁矩：
在磁场作用下能发生变化并能反过来影响磁场的物质叫做磁介质。
顺磁质
磁介质
抗磁质
弱磁质
强磁质
非铁磁质
N
S
铁磁质
顺磁质：被吸引至磁场较强区域的物质，如铝，钠等。
抗磁质：被斥离磁场较强区域的物质，如铋、铜等。
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抗磁性和顺磁性
原子磁矩为电子轨道磁矩与自旋磁矩之和。原子中有未填满的电 子层的材料一般具有固有磁矩。