第三章材料磁学

朗德因子:
原子总磁矩:
J gJ J(J1) B gJ1J(J1 ) 2 S J((S J 1 1 ))L (L1 )
第三章材料磁学
5
第三章材料磁学
6
3.1.2 材料(固体)的磁性
原子磁矩
mi J
原子
铁磁性
顺磁性
磁化强度
mi
M i V
晶胞
微 观
磁畴
单晶多晶 第三章材料磁学
宏 观
材料器件 7
MnO
第三章材料磁学
15
Leabharlann Baidu
3.3 铁磁性和反铁磁性
m
3.3.1 铁磁性
1. 分子场与自发磁化
2. 量子直接交换作用
3. 居里温度
3.3.2 反铁磁性
1. 量子间接交换作用
2. 反铁磁性和亚铁磁性
第三章材料磁学
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1. 分子场与自发磁化 1907, Weiss
铁磁性特点：
1）自然状态下，绝大多数铁磁性矿物、材料宏观并不显
Um0m H
0mH cos
磁力矩: 磁矩m在外磁场H中受到一个
m
H
转动力距，以降低磁势能，直至U最小
Tm0m H
0
0mH sin zˆ
Um U0
0
Umax
Tm T0
0
第三章材料磁学
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(3) 磁化强度 M = 0→ MS
磁化：在外磁场作用下，材料内部随机取向的磁矩在 磁力作用下旋转，沿外磁场一致排列，物质被诱导出宏 观磁矩M，从而显示宏观磁性的过程。
磁性材料
基于材料磁学原理，开发的一类基础性功能材料。 磁性 材料已经形成了一个庞大的家族，按材料的磁特性来划分， 有软磁、永磁、旋磁、记忆磁、压磁等； 按材料构成来划分，
有合金磁性材料，铁氧体磁性材料。
第三章材料磁学
2
第三章材料磁学
3
3.1 原子磁性及材料磁性
3.1.1 原子的磁性
量子力学哥本哈根学派领袖，1922年 获诺贝尔物理学奖，师从卢瑟福， 弟子有海森堡、泡利、狄拉克、朗道 等诺贝尔奖获得者
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物质磁学和电学基本量的比较
磁学量
电学量
磁 化：磁介质在磁场中感生磁极
磁场强度： Hn/IL（真空）
磁化强度：
M
Vm i mH
极 化：电介质在电场中感生电荷
电场强度：
EU/d
（真空）
极化强度：
Pi V
eE
磁感应强度：磁通密度 B 0 (H M )H
绝对磁导率： 0r
相对磁导率： r 1m
3.2 磁学量及材料磁性分类
3.2.1 磁学量
(1) 磁场强度 H H nI L
电场强度 E E U d
二者均与 介质无关
(2) 磁矩（m）
环形电流周围的磁场 定价于磁偶极子周围的磁场:
N
N
N
S mIS
S mqml
HH O
mqel
S
磁偶极矩
电偶极距
第三章材料磁学
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静磁能：磁矩在外磁场作用下具有的势能（磁势能）：
磁 化 率： m
电感应强度：电通密度 /电位移矢量
D 0(E P )E
绝对电容率： 0 r [介电常数]
相对电容率：r 1 e 相对介电常数 极 化 率： e
041 0 7H/m第三章材料磁学 08.85 1 4 0 1F 2/m12
3.2.2 物质的磁性分类
根据物质的磁化率，可以把物质的磁性大致分为五类。
第三章 材料的磁学
3.1 原子磁性及材料磁性 3.2 磁学量及材料磁性分类 3.3 铁磁性和反铁磁性 3.4 技术磁化与磁滞现象 3.5 磁性材料及其应用
第三章材料磁学
1
磁性与磁学
磁性是原子及物质最基本的属性之一。广义上，一切原子 及物质均具有“磁性”，本质上来源于电子磁矩。
材料的磁学：研究和阐明固体材料磁性起源、磁性结构及 其联系的学科，促进对材料磁性的利用和开发。
化强度
M S
表示，其大小等于饱和磁化强度
M
S
。
第三章材料磁学
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（2）磁畴假说 由于自然铁磁性材料宏观不显示磁性，这些自发磁化[矢
量] 必然分区存在、相互抵消，这些区域即所谓的“磁畴”。 所谓磁化，是借助外加磁场作用，将自发磁化调整到外
场方向（显示出来）而已，并非向其提供额外磁性。
mi
在磁场中受微弱吸引力。
正常顺磁体：其 随温度变化符合反比关系，如金属铂、
钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等。
与温度无关的顺磁体，如锂、钠、钾、铷等金属。
（3）铁磁体 （ 值很大，且与外磁场呈非线性关系变化）
如铁、钴、镍等。 103 ~106
铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体。 此临界温度称为居里温度或居里点，用Tc表示。
磁化强度：
磁化率/系数
M
m i/VH
M0Ms mV
i
H
H
N
S
N
SN
S
M=0
第三章材料磁学
M=MS
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（4）磁感应强度 B
外加磁场H在介质中感应的磁场大小（磁力线密度）B，
是外磁场与内部磁化强度综合作用的结果，与介质有关。
对于真空：
真空磁导率
B0H
对于磁介质：
B0(HM )
0(1)H
0rH
第三章材料相磁对学 磁导率
Bohr (1885-1962)
第三章材料磁学
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LS耦合:
JJ耦合: 各电子的L、S相互作用强， 先耦合为该电子的总磁矩，再叠加 为原子总磁矩 ；（Z>88)
JJ+LS (Z=33~88)
LS耦合:各电子的L、S相互作用弱， 先各自耦合为总L、总S，再叠加 为原子总磁矩 ；（Z<33)
原子总角动量：JLS
根据 MH的关系，作出磁化曲线。
（1）抗磁体 0（ ～10-6） M
在磁场中受微弱斥力。
金属中一般简单金属为抗磁体。
经典抗磁体： 不随温度变化， 如铜、银、金、汞、锌等。
反常抗磁体： 随温度变化， 如铋、镓、锑等。
O
铁磁性材料
亚铁磁性材料
顺磁性材料
反铁磁性材料
H
抗磁性材料
第三章材料磁学
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（2）顺磁体 0 （10-6 ～10-3 ）
所以，居里温度 是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点。
第三章材料磁学
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（4）亚铁磁体 （ 值没有铁磁体那样大）
磁铁矿、铁氧体都属于亚铁磁体。 亚铁磁性材料：不同原子的磁矩反向平行排列，抵消后的剩 余磁矩。
（5）反铁磁体 （ 是小的正数。）
温度低于某温度时，它的磁化率同磁 场的取向有关；高于这个温度，其行 为像顺磁体。 如 -Mn 、铬、氧化镍、氧化锰等。
示磁性，必须要经磁化以后，才显示磁性（吸铁）；
2）这种磁性并不能永久保持，如果提高温度或者反向充
磁，这种磁性会消失。为什么？
1907年，外斯提出铁磁性的分子场理论：
（1）分子场假说
铁磁性物质内存在某种很强的分子场（力），约束着原
子，使内部各区域的原子磁矩一致排列。这种无外加磁场下
自发产生的磁化，称为自发磁化。自发磁化，用矢量自发磁