材料的磁学性能

合集下载
  1. 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. 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. 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)。
l 0,1,2,, n 1
共 n 个可能值
ml 0,1,2,,l
共 2l+1 个可能值
l l pl
l
e 2me
此处γl 为轨道磁力比 幻灯片 22
电子自旋磁矩
证明电子具有自旋的实验由斯特恩-盖拉赫(Stern-Gerlah)作出。
电子自旋角动量取决于自旋量子数 s,
自旋角动量的绝对值是由于的值只能等于 1/2,故 ps 的本征值为
J L cos(PL ^ PJ ) S cos(PS ^ PJ )
J
[1
J(J
1) S(S 1) L(L 1)] 2J (J 1)
J (J 1)B
gJ
1
J(J
1) S(S 1) L(L 1) 2J (J 1)
gJ 称为朗德因子或光谱分裂因子。 两种情况:L=0, gJ =2,原子总磁矩都是由自旋磁矩贡献的。
S=0, gJ =1,原子总磁矩都是由轨道磁矩贡献的。 洪德法则
洪德法则是基于对光谱线的实验而建立的。其内容如下: 法则一:在 Pauli 原理允许下,给定的电子组态具有 S 最大值 法则二:在相应最大值时给出的 L 值应最大, 法则三:未满壳层中电子总角动量 J 分别由下述情况给出: J=L-S, 次壳层上的电子数不够半满数 J=L+S,次壳层上的电子数等于或大于半满数。
B 0(M H ) 0rH
χ叫做磁化率,仅与磁介质性质有关,反映材料磁化的能力,也是无量纲参数
M H (r 1)H
磁学单位 除了 SI 单位制以外,还有一种高斯(Gauss)单位制,当使用高斯单位制时,磁感应强度的 表达式为
B H 4M
这里,B 的单位为高斯 G,磁场强度 H 的单位为奥斯特 Oe。磁性常数(真空磁导率)为 1,
对于一般磁介质,无外加磁场时,其内部各磁矩的取向不一,宏观无磁性。 但在外磁场作用下,各磁矩有规则地取向,使磁介质宏观显示磁性,这就叫磁化。
磁化强度 M 磁化强度 M
在外磁场 H 的作用下,磁体被磁化的方向和强度。表征物质被磁化的程度。其值等于
单位体积材料中具有的磁矩矢量和。
M m V
M 的大小与外磁场强度成正比
磁体受到外磁场作用所具有的磁场能量密度。 磁畴与技术化理论中经常用到
Fd
M 0
0
H
d
dM=
1 2
0 NM 2
N 为退磁因子,Hd 为退磁场 基本概念小结
物质的磁性来源:电子的运动以及原子、电子内部的永久磁矩。 注意 B 磁感应强度、H 磁场强度、M 磁化强度,几个概念的关系。 磁导率、磁化率
磁性起源 材料的宏观磁性来源于原子磁矩 原子磁矩的来源:
当电子运动状态的主量子数为 n 时,角动量由角量子数 l 来确定,角动量 pl 的绝对值为:
pl l(l 1)
l 的可能值为: l 0,1,2,, n 1
幻灯片 20 量子化情况下,对应于角动量的磁矩 为
h 2
h 为普朗克常数
l
l(l 1) e 2me

B
eh
4me
式中 B 称为玻尔(Bohr)磁子,作为电子磁矩的单位,它有确定值为 9.27×10-24Am2
FX=m
dB dx
磁矩的意义 表征磁偶极子磁性强弱和方向的一个物理量。 磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量。 磁矩愈大,磁性愈强,即物体在磁场中所受的力也大。 磁矩只与物体本身有关,与外磁场无关。 和磁偶极矩具有相同的物理意义,但μm 和 jm 各有自己的单位和数值,有如下关系
百度文库jm 0m
磁场强度 磁场强度 H
式中的 为磁导率,是材料的特性常数。表示材料在单位磁场强度的外磁场作用下,材料 内部的磁通量密度,只和介质有关,表征磁体的磁性、导磁性及磁化难易程度。
的单位为 H/m。
在真空中,磁感应强度为
式中 0 为真空磁导率。它是一个普适常数, 其值: 4π×10-7 单位: H(亨利)/m。
B H
B0 0 H
' j "
相对磁导率 r
相对磁导率定义 材料的磁导率 与真空磁导率 0 之比 r 为无量纲的参数
r
0
磁化率χ与相对磁导率之间的关系:
r 1
Χ和 只有当 B、H、M 三个矢量互相平行时才为标量,否则,它们为张量。 back
磁场作用能量
磁化状态下的磁体中的静磁能量
退磁场能量
FH 0M • H
式中: μ m 为载流线圈的磁矩,n 为线圈平面的法线方向上的单位矢量,S 为 线圈的面积,I 为线圈通过的电流。单位为 A·m2
m ISn
磁偶极子产生的偶极矩为 jm ,
jm ml
单位为 Wb·m
在均匀磁场中,磁矩受到磁场作用的力矩 JF
JF m B
JF 为矢量积,B 为磁感应强度,其单位为 Wb/m2 ,Wb (韦伯)是磁通量的单位。 磁矩在磁场中所受的力 ,对于一维为:
形对称集合,这样,电子本身具有的动量矩和磁矩必然互相抵消。因而,凡是满电子壳层的 总动量矩和总磁矩都为零。只有未填满电子的壳层上才有未成对的电子磁矩对原子的总磁矩 做出贡献。这种未满壳层称为磁性电子壳层。 角动量耦合和原子总磁矩
原子中的角动量耦合方式有两种:①轨道-自旋耦合
;②
耦合。
(L S)
j j
多电子原子中电子的分布规律
n,l,ml,ms 四个量子数确定以后,电子所处的位置随之而定,且这四个量子数都相同的电子 不多于一个。
n,l,ml,三个量子数都相同的电子数最多只能有两个,而自旋磁量子数不能相同,只能分别 为 1/2 和-1/2。
n,l 两个量子数相同的电子最多只有 2(2l+2)个。
凡主量子数相同的电子最多只有 2n2 个。
l l(l 1)B
当电子处于 l=0,即 s 态时,角动量与轨道磁矩都为零。 当 l 不为 0 时,电子轨道磁矩不是玻尔磁子的整数倍。 幻灯片 21 角动量和磁矩在空间都是量子化的,它们在外磁场方向的分量不连续,只能有一组确定
的间断值,这些间断值取决于磁量子数 ml,
( pl ) H ml (l ) H ml B
材料的磁学性能
(一)
磁性材料包含 金属基材料 无机材料(含铁及其他元素的复合氧化物,通常称为铁氧体) 纳米材料(纳米材料的磁性有其特殊性)
磁性材料的分类 软磁材料 硬磁材料
基本磁学概念 物质的磁性来源:电子的运动以及原子、电子内部的永久磁矩。 磁矩
“磁”来源于“电”。 任何一个封闭的电流都具有磁矩μm。 磁矩定义为
抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说都视为是无磁性的 因为它们只有在外磁场存在下才被磁化,且磁化率极小
论文题目:磁性材料
课程名称:功能无机材料
学院:纺织与材料工程学院 专业:材料化学 班级学号:1101080230 学生姓名:何辰 指导老师:史非 完成时间:2014-6-29
铁磁物质的角动量大都属于耦合,其耦合方式的图解如下:
l1,l2, l3,li l i(电性) L
s1,
s
2,
s3,
si
si(电性)
S
LS (磁性)
J
幻灯片 29
PJ PL PS
PJ J (J 1)
J 为原子的总量子数
J LS
l
e 2 me
e
e me
由于电子的轨道磁力比与自旋磁力比不一致, 故方向有差异。
n1
[2(2l 1)] 2n2
l 0
如按主量子数 n 和角量子数 l 把电子的可能状态分成壳层,则能量相同的电子可以视为分布 于同一壳层上。将相应于 n=1,2,3,4,……的壳层,分别用 K,L,M,N,…等表示。在同一 壳层中,可以有 0,1,2…,(n-1)个角量子数 l,于是,每一个壳层就可分成了若干次壳层, 并分别用符号 s,p,d,f,g,h 等来表示 l=0,1,2,3,4,5 等次壳层。 根据泡利不相容原理,原子中的每一个状态,只能容纳一个电子。因此,可以推算每一个壳 层和次壳层中可容纳的最多电子数。表 5-1 给出了电子壳层的划分及各壳层中可能存在的 电子数。表中“状态数或最多电子数”一栏内是各电子壳层中最大可能的电子数目。↑↓代 表电子自旋向上和向下取向。 幻灯片 27 当电子填满电子壳层时,各电子的轨道运动及自旋取向就占据了所有可能方向,形成一个球
确定原子的磁性电子壳层 计算量子数 计算 gJ 计算μJ
原子磁矩计算步骤
5.2 物质的磁性(掌握) 物质的磁性可分为
抗磁性 顺磁性 铁磁性 亚铁磁性 反铁磁性 每一种材料至少表现出其中一种磁性,这取决于材料的成分和结构。 磁畴的比较
4.2.1 抗磁性
抗磁性是一种很弱的、非永久性的磁性 只有在外磁场存在时才能维持 它是由于外磁场使电子的轨道运动发生变化而引起的 所感应的磁矩很小,方向与外磁场相反,即磁化强度为很小的负值。 相对磁导率<1,磁化率为负值 它表示在抗磁体内部的磁感应强度 B 比真空中的小。抗磁体的磁化率约为-10-5 数量级。 在无磁场和有磁场条件下原子磁矩的变化如图所示。
ps s(s 1)
3 2
s 2 s(s 1)B
自旋角动量在外磁场方向上的分量取决于自旋磁量子数 ms ,只能取值±1/2
( ps )H
ms
1 2
实验证明,和自旋角动量相联系的自旋磁矩在外磁场方向上的投影,刚好等于一个玻尔磁子, 但方向有正、负两种 。
(s )H B
这表明,自旋磁矩在空间只有两个可能的量子化方向。 用自旋量子数本征值 s=1/2 代入,即可得到一个电子的自旋磁矩的绝对值等于
如果磁场是由长度为 l,电流为 I 的圆柱状线圈(N 匝)产生的,则
H 的单位为 A/m
H NI l
磁感应强度 磁感应强度 B 表示材料在外磁场 H 的作用下在材料内部的磁通量密度。 B 的单位: T 或
Wb/m2 在许多场合,确定磁场效应的量是磁感应强度 B,而不是磁场强度 H
磁场强度和磁感应强度的关系为
所有材料都有抗磁性 因为它很弱,只有当其它类型的磁性完全消失时才能被观察到
4.2.2 顺磁性
固体的原子具有本征磁矩 这种材料在无外磁场作用时,材料中的原子磁矩无序排列,因此材料表现不出宏观磁性 受外磁场作用时,原于磁矩能通过旋转沿外场方向择优取向,因而表现出宏观的磁性,这种 磁性称为顺磁性 在此材料中,原子磁矩沿外磁场方向排列,磁场强度获得增强,磁化强度为正值,因而相对 磁导率>1,磁化率为正值。但磁化率也很小,只有 10-5~10-2
L-S 耦合发生在原子序数较小的原子中:由于各个电子轨道角动量之间耦合强 。 在元素周期表中原子序数 Z≤32 的原子,都为 L-S 耦合。 Z 大于 32 到 Z=82 的原子, L-S 耦合逐步减弱,最后完全过渡到 j-j 耦合。 对于原子序数 Z>82 的元素:电子本身的耦合较强,这类原子的都以 j-j 方式进行耦合。
3 B
原子磁矩 如果要确定一个原子的磁矩,并考虑核外电子多于一个电子的情况,则首先要了解原子 中电子的分布规律以及原子中电子的角动量是如何耦合的。 电子壳层与磁性 在多电子原子中,决定电子所处的状态的准则有两条:一是泡利(Pauli)不相容原理, 即是说在已知体系中,同一(n,l,ml,ms)量子态上不能有多于一个电子;二是能量最小原 理,即体系能量最低时,体系最稳定。 幻灯片 25
单位是 G/ Oe
M 是磁极密度,4πM 是磁通线的密度。
1G=10-4T;1Oe=103/4π=79.577A/m
1e.m.u(磁矩)=10-3Am2
磁导率
绝对磁导率 µ
相对磁导率 µr= µ /µ0
起始磁导率 µi
复数磁导率 µ
磁导率 有效磁导率、永久磁导率、表观磁导率、振幅磁导率、可逆磁导率、切变磁导率、脉冲磁导 率、最大磁导率、等等 见《磁性物理学》宛德福等编
1)电子围绕原子核的轨道运动,产生一个非常小的磁场,形成一个沿旋转轴方向的轨道 磁矩; 2)每个电子本身自旋运动,产生一个沿自旋轴方向的自旋磁矩; 3)原子核磁矩。 原子核磁矩的值很小,一般可以忽略不计。
电子轨道磁矩 原子内的电子运动服从量子力学规律,由电子轨道运动产生的动量矩应由角动量来代替,角 动量是量子化的。
相关文档
最新文档