材料的磁学性能课件.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,.,*,第,7,章 材料的磁学性能,(Magnetic properties of materials),1,.,物质磁性或磁学,是一门,古老,(,现象与应用的历史悠久,),又,年轻,(,应用愈加广泛，形成了与磁学有关的边缘学科,),的学科。,磁性是物质的基本属性，,一切物质都具有磁性,；,磁性不只是一个,宏观,的物理量，而且与物质的,微观结构,密切相关。因此，研究磁性是研究物质内部结构的重要方法之一。,Magnetism,2,.,物质磁性的普遍性,磁性是物质的基本属性，应用领域很广,3,.,1,）,电气化,：发电用的发电机和动力用的电动机内磁钢,2,）,信息化,：磁记录器和磁存储器,3,）,高能加速器和粒子检测器,：需要使用强磁场,4,）,原子核和基本粒子的微观物理学研究,：产生磁场的装置,5,）,生物学和医学,：生物体为弱磁体，各组织和器官的弱磁性有所不同，疾病诊断,6,）,地球科学研究和应用,：研究地磁场的起源和演化。,7,）,天文学的研究和航天新技术,：目前已知的最强磁场（脉冲星即中子星的磁场高达,10,8,-10,9,T,）和最低磁场（星系际磁场低到,10,-13,T,）均存在于天文学的研究中。,4,.,5,.,6,.,电磁学是一门实验学科，诞生与发展依赖于实验现象与分析。,7,.,磁学和电学基本物理量的比较,8,.,磁性科学早期发展,古代春秋战国时期看到的磁石吸铁。,(,公元前,770,年,公元前,221,年,),管子,地数,载：“山上有慈石,(,即磁石,),者，其下有铜金。,”,司徒南：东汉时期思想家王充写的,论衡,书中“司南之杓，投之于地，其柢指南”的记载。不要太相信古代中国人对电和磁有多少科学的理解。,公元前,600,年，希腊的,Thales,也有琥珀摩擦吸引草屑的记载。,电磁学真正的科学研究来自于英国,William Gilbert(,电磁学之父,),对电和磁的实验。吉伯为磁通势单位，用以纪念这位磁学的先驱者。,论磁,记录基本磁现象：吸引与排斥、极性、地磁、退磁等,9,.,库伦定律,库伦，法国物理学家,17361806,库伦扭秤,同种磁极相互排斥，异种磁极相互吸引。磁极之间的相互作用力与距离的平方成反比。,库伦定律使电磁学研究由定性进入定量阶段，是电磁学史上一块重要的里程碑。,.,两个距离为,r,，磁极强度,(,简称极强,),分别为,q,ml,和,q,m2,(,单位,:,韦伯,Wb,或,A.m),的磁极间相互作用力在二者连线上，大小为,:,其中，,k,=6.35,*,l0,4,N,两磁铁的同极性相斥，异极性相引。,11,.,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,电流的磁效应,磁,场,强,度,H,r,奥斯特，丹麦科学家,1820,年，由奥斯特等人发现。,证明电流可以产生磁场。,第一个非天然的磁场,12,.,电和磁的关系,13,.,安培，法国科学家,（,1775-1836,）,电磁相互作用,发现时间：,1820-1827,发现一 通电的线圈和磁铁相似。,发现二 相同方向的平行电流相互吸引，,相反方向的平行电流相互排斥。,发现三 磁是由运动的电荷产生的。,由此说明了地磁的成因和物质的磁性。,发现四 提出了分子电流假说。,揭示了物质磁性的本质。,推导出两个电流元之间的作用力公式。,电和磁本质上是统一的。,14,.,电磁感应现象,自学成才,1831,年，由法拉第发现。,俗称磁生电，直接导致了发电机的,发明，影响非常深远。,1834,年，发现了电解定律，开创,了电化学学科。,发现了物质的抗磁性。,其它成果：,提出了电磁场这一概念。,15,.,经典电动力学,麦克斯韦，英国物理学家,18311879,推导出著名的,麦克斯韦方程组,，首次将电和磁在理论上统一起来，在此基础上创立了经典电动力学。,提出了电磁波这一概念，并确认光也是一种电磁波，对后世影响深远。,是继法拉第之后集电磁学大成的伟大科学家，揭示了光、电、磁现象在本质的统一性，完成了物理学的又一次大综合。,16,.,居里定律,皮埃尔,居里,法国物理学家,1859-1906,发明了磁秤（磁天平），实现了对弱磁性的测量。,根据大量的实验结果，总结出著名的,居里定律,。,压电效应的发现；,放射性物质研究，发现了镭。,抗磁体的磁化率不依赖磁场强度且一般不依赖于温度；,顺磁体的磁化率不依赖磁场强度且与温度成反比；,铁在某一温度（居里温度）以上失去磁性。,17,.,郎之万和外斯,郎之万提出了抗磁性和顺磁性的经典理论。,外斯提出了分子场理论，阐明了铁磁性的起源，扩展了郎之万的理论。,用基元磁体的概念对物质的顺磁性及抗磁性作了经典的说明。,Paul Langevin,1872,年,-1946,年,Weiss Pierre,1865,年,-1940,年,18,.,材料的磁学,材料磁学性质、来源？,材料对外磁场的反应？本质原因？,不同磁性材料的性能及其应用。,磁性与材料的微观结构的联系,通过磁性研究材料的结构：键合情况、晶体结构。,本,章,提,要,19,.,7.1,材料磁性能的表征参量和材料磁化的分类,(Character parameters of magnetic properties of materials and classification of material magnetization),20,.,7.1.1,材料磁性能的表征参量,(Character parameters of magnetic properties of materials),21,.,一、磁极、磁场和磁力线,温故,磁极判断,Single,22,.,Single,1928,年相对论形式的薛定谔方程，也就是著名的狄拉克方程,(,),；,预言了正电子的存在,(,),；,预言了反粒子的存在，电子正电子对的产生和湮没,(,),；,提出反物质存在的假设；,1931,年预言可能存在磁单极,；,23,.,古老的地球的铁矿石和来自地球之外的铁陨石。,高能加速器加速质子冲击原子核。,宇宙射线,(,本身和碰撞,),。,1973,年“阿波罗”飞船带回的月岩。,宇宙射线照射高空的感光底板产生又粗又黑的痕迹,(,强的吸引作用,),151,天的超导量子干涉式磁强计的观察,(,未能重复,),。,海洋、深海沉积物。,中国、瑞士、日本等国的研究小组在铁磁晶体的物质中观察反常霍尔效应，提供假设的间接证据。,如何寻找磁单极子,?,上穷碧落下黄泉，两处茫茫皆不见,!,24,.,磁场,磁极之间的作用力是在磁极周围空间传递的，这里存在着磁力作用的特殊物质，称之为,磁场,。,磁场是对磁极产生作用力的空间，采用,磁场强度,H,和,磁通密度,B,来表示。,磁场是,电磁场,的组成部分，其特征可用场内运动着的带电粒子所受的力来确定，这种力源于,粒子的运动及其所带电荷,。,磁场和物体的万有引力场，电荷的电场一样，都,具有一定的能量，磁场,还有本身的特性：,a),磁场对载流导体或运动电荷表现作用力；,b,）,载流导体在磁场中运动要做功,现在物理研究表明，,物质的磁性也是电流产生的。,25,.,地球是个大磁场。,地球的磁极却非亘古不变。自地球诞生以来，其南北磁极曾经发生过几次转变，即,“,磁极倒转,”,。,在近,450,万年里两次“正向期”，两次“反向期”。且在每一个磁性时期里，有时发生短暂的磁极倒转现象。,从大约,6,亿年前的前寒武纪末期到约,5.4,亿年前的中寒武世，反向磁性为主,;,从中寒武世到约,3.8,亿年前的中泥盆世，正向磁性为主,;,中泥盆世到约,0.7,亿年前的白玺纪末，正向极性为主,;,白玺纪末至今，则是以反向极性为主,。,26,.,27,.,磁极倒转：,1967,年，斯蒂纳提出：与地球追随太阳作环绕,银河系中心的运动,有关。,1979,年，与恐龙灭绝同步的地磁倒转可能与,巨大陨石的坠落,有关；,1989,年，美国缪拉发表,气候变化,导致地磁极倒转。,磁极倒转危害：,1),两极倒转过程中一旦地球磁场消失太阳强烈辐射的,宇宙射线,猛击地球大气层，对地球气候和人类产生致命的影响。一些低轨道人造卫星也将完全暴露在太阳电磁风暴的吹打中，不久将被完全摧毁。,2),许多靠地球磁场导航的生物，诸如燕子、羚羊、鲸鱼、鸽子和趋磁性细菌等，将迷失方向。,3,）甚至怀疑：地球磁极倒转曾是,古人类文明覆灭,的原因,地磁场强度在,急剧减弱,，这是地球南北两极不久将要出现磁极大倒转的危险信号,!,28,.,澳大利亚南部的亚塔斯马尼亚岛总要发生,鲸鱼搁浅事件,！,29,.,图示电磁场的,工具,，用以表征,H,的方其上某点的切线方向表示该点,H,的方磁力线的疏密表示,H,的相对大小。,磁力线,在有限空间里，磁力线总是闭合的，不能够看到起点和终点！,30,.,二、磁通量、磁感应强度,（,magnetic induction,）,磁通量,:,垂直于某一面积所通过的磁力线的多少。,单位韦伯，,Wb,。,=B*S,磁通密度,B,：,B=,/S,，等于穿过单位面积的磁通量。,单位特斯拉,T,，,Wb.m,-2,。,B=F/IL,，,磁介质,（除超导体以外不存在磁绝缘的概念，故一切物质均为磁介质）,在磁场中发生的磁化对源磁场也有影响,（场的迭加原理）。,31,.,磁感应强度（,magnetic induction,）与磁场强度（,magnetic intensity,）,1,、磁场强度（,H,）和磁感应强度（,B,）均为表征磁场性质（即磁场强弱和方向）的两个物理量，两种表示方法。,2,、若包括介质因磁化而产生的磁场在内时，用磁感应强度,B,表示，其单位为特斯拉,T,，是一个基本物理量；,单独由电流或者运动电荷所引起的磁场（不包括介质磁化而产生的磁场时）则用磁场强度,H,表示，其单位为,A.m,-1,，是一个辅助物理量。,32,.,磁感应强度,B,描述的是传导电流的磁场和磁介质中磁化电流的磁场的综合场的特性。,如果磁场在真空中形成的磁感应强度为,B,0,，则磁场的强度,H,可由下式确定：,B,0,=,0,H,0,：真空磁导率（真空透磁率）,0,=4,10,-7,亨利米,(H/m),H,描述磁场的一个重要的物理量，无论在真空或在磁介质中，,H,只表征传导电流的磁场特征，与磁介质无关。,33,33,.,将材料放入磁场强度为,H,的自由空间，则材料中的磁感应强度,B,=,H,其中,称为材料的磁导率或绝对磁导率。,所以,B,=,B,0,+,B,=,0,H,+,0,M,=,0,(,H,+,M,),其中,M,称为材料的,磁化强度，其物理意义为材料在外磁场中被磁化的程度。,材料内部的磁感应强度可看成材料对自由空间的反应,0,H,和磁化引起的附加磁场,0,M,两部分场叠加而成,。,电介质中的电场强度,E,为真空中的电场强度,E,0,和由于电极化而产生的附加电场强度,E,之和,34,.,磁场强度,H,(,magnetic intensity),：,(,静磁学定义,),为,单位点磁荷,在该处所受的磁场力的大小，方向与正磁荷在该处所受磁场力方向一致。,实际应用中，往往用,电流产生磁场,，并规定,H,的单位在,SI,制中：用,1A,的电流通过直导线，在距离导线,r,=1/2,米处，磁场强度即为,1A,/m,。,35,.,预备知识：,SI(MKSA),单位制和,Gauss(CGS),单位制,SI,单位制：主要磁学量都用,电流的磁效应,来定义，其中,磁感应强度,B,为主导量,（凡涉及到与其他物理量的相互作用，都必须使用,B,）,磁感应强度,B,的定义可由安培公式得出：,根据安培环路定理可定义磁场强度,H,：,H,为导出量，仅用于计算传导电流所产生的磁场，不能代表磁场强度与外界发生作用,36,.,Guass,单位制（绝对电磁单位制）：早年使用的单位制，所有的磁学量都是通过,磁偶极子,的概念建立起来的,其中磁化强度,M,被定义为：,单位：,Guass,磁场强度,H,被定义为：,单位：,Oe,引入磁感应强度,B,，使之满足如下关系：,在,Guass,单位制中，,M,和,H,都有明确的物理意义，是基本物理量，而,B,只是一个导出量,37,.,两种单位制的比较,1,、两种单位制对磁学量的定义来源于,两种不同的观点,；,2,、在,SI,单位制中（依据于分子电流观点），,磁场用磁感应强度,B,来描述，而磁场强度,H,只是一个导出量,，它存在的惟一含义就是满足,3,、在,Guass,单位制中（依据于磁偶极子观点），,磁场用磁场强度,H,描述,，它是电流和磁性体所产生的磁场强度的矢量和，而,磁感应强度,B,只是一个引入的辅助量,，仅在于满足方程,div,B,=0,。,38,.,从物理的角度来看到底哪一种观点更加合理、更加接近于物质磁性起源的真实情况呢？,从目前来看，视乎分子电流的观点更接近于真实情况,a,、电子的轨道磁矩来自电子的轨道电流，支持分子电流的观点；,b,、狄拉克,(Dirac),虽然从理论上预言了“磁单极”的存在，但至今没有发现“磁单极”，使磁偶极子的概念失去了存在的基础。,39,.,SI,单位制和,Gauss,单位制的转换,（,1,）、,B,：,1 G=10,-4,T,H,：,10,3,A/m,的,H,有,4,Oe,的值，,10,3,/4 A/m=79.577A/m=1 Oe,（,2,）、,磁矩：,在,Gauss,单位制中,0,=1G/Oe,，则磁偶极矩与磁矩无差别，通称为磁矩，单位为电磁单位（,e.m.u,）,1e.m.u(,磁偶极矩,),4 10,-10,Wb,m,1e.m.u(,磁矩,),10,-3,A,m,2,40,.,（,3,）、磁化强度：,Gauss,单位制中，磁极化强度（,J,）与磁化强度（,M,）相同，单位：,G,41,.,42,.,物质在磁场中由于受到磁场的作用而表现出一定的磁性，该过程称为,磁化,。,能够被磁化的或能被磁性物质吸引的物质叫做,磁性物质或磁介质,三,磁化、磁化强度与磁矩,43,.,安培的分子电子说,将磁性归为分子电流产生,安培分子电流的假说，揭示了磁铁磁性的起源，它使我们认识到：磁铁的磁场和电流的磁场一样，都是由电荷的运动产生的,44,.,磁矩,分子电流观点,可用环形电流描述,磁矩,P,的定义：,P=I,S,（,I,：,为环形电流，,S,：封闭环形的面积）,磁化强度,M:,单位体积中的偶极矩或磁偶矩，表征材料被极化或磁化的能力。,M=P,m,/V,45,.,偶极子,：,构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，形成一个偶极子,电偶极矩,：,=,ql,-,q,+,q,l,E,偶极子,磁荷观点,46,.,与电荷类似，将磁荷定义成磁的基本单位。两磁极若分别有,q,1,和,q,2,磁荷的磁极强度，则其作用力,其中,r,为磁极间距，,k,为比例常数。,磁极,q,在外磁场中要受到力的作用，且有该力,F,=,qH,其中,H,为外磁场的强度。,47,.,将相互接近的一对磁极,q,和,q,称为磁偶极子,真空中，单位外磁场作用在相距,d,的磁偶极子上的最大的力矩,P,m,qd,称为该磁偶极子的,磁偶极矩,（磁动量）。,磁偶极矩与真空磁导率,0,的比值称为,磁矩,，用,m,表示，即,m,=,P,m,/,0,48,.,当磁偶极子与外磁场方向成一定角度时它将受到磁场力的作用产生转矩，转矩力图使磁偶极矩,P,m,处于能量最低方向。,磁偶极矩与外磁场的作用的势能称为,静磁能,U,P,m,H,P,m,H,cos,其中,是,P,m,与,H,的夹角。,外磁场作用下磁场力的作用转矩有使磁偶极矩处于能量最低状态的趋势。,49,.,磁极化强度：单位体积内的磁偶极矩矢量和,环电流和磁偶极子等效，一个磁矩为,Pm,的电流环可以看成一个磁偶极矩为 的磁偶极子,50,.,磁极化强度：,磁 化 强 度：,51,.,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。,和磁极化强度具有相同的物理意义，但,J,和,M,各有自己的单位和数值，有如下关系,52,.,分子环流和等效磁荷学说！,53,.,磁化率,磁体置于外磁场中磁化强度,M,将发生变化（磁化）,其中,称为磁体的,磁化率,(susceptibility),，是单位磁场强度,H,在磁体内感生的,M,，,表征磁体磁化难易程度的物理量,所有物质，相对于磁场都会产生磁化现象，只是其磁化强度,M,的大小不同而己。,54,.,当一个物体在外加磁场中,H,被磁化时，物体所在空间的总磁感应强度,B,（真空中,B,0,）是外加磁场强度,H,和材料磁化强度,M,之和，即,B=B,0,+B=u,0,H+u,0,H,=,u,0,H+u,0,M=u,0,(,H+M),=u,0,(,H+xH)=u,0,(,1+x)H=u,0,u,r,H,=uH,令：磁导率,(permeability),r,=1,（,相对磁导率,，表征磁体磁性、导磁性及磁化难易程度）,55,.,绝对磁导率,、相对磁导率,r,、和磁化率,都是描述材料在外磁场下磁化能力的物理量，他们之间有固定的关系，知道其中的一个即可求出另外的两个。,56,.,磁化率,：,表征物质本身的磁化特性,，,量纲为,1,，其值可正、可负,。,磁导率,：,反映了磁感应强度与外磁场强度的关系，即当,外磁场增加时磁感应强度增加的速率。,磁化率：理论研究中常用的参数。,磁导率：工程技术上喜欢采用的参数。,.,7.1.2,材料磁化的分类,(classification of material magnetization),58,.,根据物质的磁化率，可以把,物质的磁性大致分为五类,。按各类磁体磁化强度,M,与磁场强度,H,的关系，可做出其磁化曲线。,分类依据：,磁化率,的大小和符号,59,.,一、,抗磁体,（,1,）当受到外磁场,H,作用后，感生出与,H,方向相反的磁化强度，故其,d,0,（,2,）绝对数值很小，一般为,10,-6,（,3,）与磁场、温度均无关,代表性物质：惰性气体，许多有机化合物，,Bi,、,Zn,、,Ag,和,Mg,、,Si,、,P,、,S,等）,H,M,0,（,2,）数值很小，一般为,10,-6,10,-3,（,3,）磁化率与温度的关系遵从居里,-,外斯定律,代表性物质：稀土金属，第一、二主族的金属以及,O,2,等,M,0,T,T,p,p,10,-6,10,-3,H,顺磁性郎之万理论,62,.,三、,反铁磁体,N,在某一温度,T,N,处存在最大值，,当温度,T,T,N,时，磁化率与普通的顺磁性物质相似，服从居里外斯定律，但通常,居里温度都是小于零的,；,当温度,T 0,O,63,.,四、,铁磁体,（,1,）很容易被磁化到饱和（只需要很小的磁场）,（,2,）,0,，且为,10,1,10,6,（,3,）也存在一个临界温度,T,C,（,4,）,M,H,呈非线性关系,代表性物质：,11,种金属元素和众多的化合物和合金,64,.,五、,亚铁磁体,内部磁结构却与反铁磁性相同，但相反排列的磁矩大小不等量。故亚铁磁性具有宏观磁性（,未抵消的反铁磁性结构的铁磁性,）。,0,，大小为,1,10,3,代表性物质：各种,铁氧体,65,.,1.,抗磁体,2.,顺磁体,66,.,磁介质的磁导率,顺磁性,抗磁性,物质,（,r,1,）,/10,6,物质,（1,r,）,/10,6,氧（1大气压）,1.9,氢,0.063,铝,23,铜,8.8,铂,360,岩盐,12.6,铋,176,67,.,课堂练习,68,.,7.2,孤立原子的磁矩,(Magnetic moment of isolated atoms),69,.,磁性起源的现代观点,(,实验论证,),物质的磁性来源于组成物质中,原子的磁性,。,所有物质都是由原子构成的，而原子由原子核及核外电子构成。带有负电荷的电子在原子核周围作轨道运动和自旋运动。无论轨道运动还是自旋运动都会产生,磁矩,。,原子核，由于带电，其运动也会产生磁矩，只是其磁矩很小，例如，氢核质子产生的磁矩仅为电子产生最小磁矩的,1,658,左右。,.,磁及磁现象的根源是电荷的运动,。,电子运动不能完全抵消的原子的原子具有磁矩。,原子磁矩包括,电子轨道磁矩,、,电子自旋磁矩,和,原子核磁矩,。,电子轨道磁矩,和,电子自旋磁矩,构成了原子的固有磁矩，也称,本征磁矩,。,磁性起源,71,.,7.2.1,电子和原子核的磁矩,(magnetic moments of electrons and atomic nucleus),72,.,核外电子结构用哪几个量子数表征？,73,.,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。,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,P,l,的,绝对值为：,1.,电子轨道磁矩,74,.,将电子绕核的运动考虑成环形电流，设轨道半径为,r,，电子电量为,e,，质量为,m,，运动角速度为,，轨道角动量为,P,l,，则轨道电流强度,电子轨道磁矩,其中,S,为环形电流的面积。,75,.,电子的轨道角动量,所以电子轨道磁矩,是量子化的。其中,为一常数，是电子磁矩的最小单位，称为,玻尔磁子,76,.,电子轨道磁矩的方向垂直于电子运动环形轨迹的平面，并符合右手螺旋定则，它在外磁场方向的投影，即电子轨道磁矩在外磁场,z,方向的分量,也是量子化的，其中,m,l,=0,1,2,l,，为电子轨道运动的磁量子数。,由于电子的轨道磁矩受不断变化方向的晶格场的作用，不能形成联合磁矩。,H,m,ez,77,.,电子自旋角动量,L,s,和自旋磁矩,m,s,取决于自旋量子数,s,，,s,=1/2,，,在外磁场,z,方向的分量取决于自旋磁量子数,m,ss,=,1/2,，即,其符号取决于电子自旋方向，一般取与外磁场方向,z,一致的方向为正。实验上也测定出电子自旋磁矩在外磁场方向的分量恰为一个玻尔磁子,2.,电子自旋磁矩（,spin magnetic moment,）,78,.,79,.,1,、在填满电子的电子壳层中，合成的总轨道角动量等于,零。电子自旋角动量也互相抵消。,2,、对壳层皆填满的原子，其电子的本征磁矩为,0,。,Why?,3,、在计算原子总的磁矩时，只需,考虑未填满的次壳层,。,4,、一般不考虑原子核磁矩。,小结：,80,.,以上关于物质磁性惟一来源于磁矩的观点，统称为,磁矩学说,，或称为,磁偶极矩学说,。他的一个很明确的结论是不存在磁单极。,1931,年狄拉克从理论上论证了磁单极子存在的可能性。但至今还未曾从实验上发现磁单极子。,.,3.,原子核磁矩,原子核中的质子也带电，其自旋也会产生磁矩。,质子质量是电子质量的,10,3,倍以上，运动速度比电子小三个数量级，其磁矩,N,一般比玻尔磁子,B,三个数量级。考虑原子磁矩时可将其忽略。,但利用核能级（磁矩）的量子化可以分析材料的结构（键结构、磁矩结构等）。,物理基础,原子核与周围电子云的超微细相互作用。,82,.,穆斯堡尔效应（,Mossbauer effect,原子核对,射线的共振吸收）：处于不同环境的原子吸收的,射线光子数目不同。,核磁共振,(Nuclear magnetic resonance,NMR),：处于不同环境的原子与外界交变磁场产生共振的频率不同。,分析穆斯堡尔谱或核磁共振谱可了解磁体中顺磁相、铁磁相的量及各类原子周围的化学环境（键结构）。,超微细相互作用：原子核与其周围的电子云相互作用，使原子核的能级发生极其微小的移动或分裂的现象。,83,.,7.2.2,原子的磁矩,(Magnetic moment of atoms),84,.,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。,在多电子原子中，决定电子所处的状态的准则有两条：一是泡利不相容原理，即是说在已知体系中，同一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。,85,.,总的来说，组成宏观物质的原子有两类：,一类原子中的电子数为偶数，即电子成对地存在于原子中。这些成对电子的自旋磁矩和轨道磁矩方向相反而互相抵消，使原子中的电子总磁矩为零，整个原子就好像没有磁矩一样，习惯上称他们为,非磁原子,。,偶数电子的原子并不都是非磁性原子，例如：,1,）碱土金属,2,）一些过渡元素,86,.,磁性原子,另一类原子中的电子数为奇数，或者虽为偶数但其磁矩由于一些特殊原因而没有完全抵消使原子中电子的总磁矩（有时叫净磁矩，剩余磁矩）不为零，带有电子剩余磁矩的原子称作磁性原子,但原子本身的磁性无法完全决定凝聚态物质的磁性，原子间相互作用,87,.,不考虑原子核的贡献，原子的总角动量和总磁矩由其中电子的轨道与自旋角动量耦合而成。,总轨道角动量由总轨道量子数,L,决定：,其中,L,=,m,li,是各电子的轨道磁量子数的总和。,总轨道磁矩,Russell-Saunders,耦合，各电子的轨道角动量与自旋角动量先分别合成总轨道角动量,P,L,和总自旋角动量,P,S,，然后二者再合成出总角动量,P,J,。,88,.,总自旋角动量由自旋量子数,S,决定：,其中,S,=,m,s,i,是各电子的自旋磁量子数的总和。,总自旋磁矩,总轨道磁矩在外磁场,z,方向的分量为,Lz,=,m,L,B,其中,m,L,=,L,(,L,-1),(,L,-2),0,，,对应于,2,L,+1,个取向。,89,.,总自旋磁矩在外磁场,z,方向的分量为,Sz,=2,m,S,B,其中,m,S,=,S,(,S,-1),(,S,-2),0,，对应于,2,S,+1,个取向。,原子总角动量由总角量子数,J,决定：,其中,J,由,L,和,S,合成，依赖于,P,L,和,P,S,的相对取向,原子的总磁矩,90,.,其中,称为朗德劈裂因子，其数值反映出电子轨道运动和自旋运动对原子总磁矩的贡献。,当,S,=0,而,L,0,时，,g,J,=1,；,当,S,0,而,L,=0,时，,g,J,=2,；,当,S,0,且,L,0,时，孤立原子或离子的,g,J,可大于或小于,2,。,原子总自旋磁矩在外磁场,z,方向的分量为,Jz,=,g,J,m,J,B,其中,m,J,=,J,(,J,-1),(,J,-2),0,，共,2,J,+1,个可能值。,91,.,小结,以上孤立原子磁矩的表达式都适用于孤立离子。,当原子的,J,=0,时，原子的总磁矩,J,=0,当原子中的电子壳层均被填满时即属此情况。,当原子的电子壳层未被填满时，其,J,0,，,原子的总磁矩,J,0,，其原子总磁矩称为原子的固有磁矩或本征磁矩。,原子的固有磁矩与其中的电子排布有关。,占据同一轨道的两电子的自旋磁矩方向相反，互相抵消,92,.,原子的电子壳层是满填的，自旋磁矩完全相互抵消，原子磁矩由轨道磁矩决定。,原子的电子壳层未满填,洪特规则,自旋磁矩未完全抵消，磁矩主要由自旋磁矩决定。,洪特,(Hund),规则,描述含有未满壳层的原子或离子基态的电子组态及其总角动量。第一，未满壳层中各电子的自旋取向,(,m,S,),使总自旋量子数,S,最大时能量最低；第二，在满足第一规则的条件下，以总轨道角量子数,L,最大的电子组态能量最低；第三，当未满壳层中的电子数少于状态数的一半时，,J,=,的能量最低。,93,.,例：孤立铁原子的电子层分布为,1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,3d,6,4s,2,其,d,电子的轨道占据情况为：,使总电子自旋磁矩为,4,B,。,未满壳层中的电子数少于状态数的一半时占据尽可能多的轨道，且其中电子自旋方向平行。,94,.,7.3,抗磁性和顺磁性,(Diamagnetism and paramagnetism),95,.,材料中原子的电子态与孤立原子不同，使其磁性与孤立原子不同,键合使外层电子排布发生了变化。,共价结合常使价电子配对甚至杂化成总磁矩为零的电子结构,氢分子。,在离子化合物中,可使有磁矩的原子变成无磁矩的离子。,金属中,磁性取决于正离子实和自由电子的磁性。,例,：过渡金属中，,d,轨道展宽成能带，与,s,能带交叠，使,s,带和,d,带中的电子数与孤立原子不同。,孤立钯原子的外层电子组态为,3d,10,4s,0,，没有磁矩，但在金属钯中外层电子组态则变成,3d,9.44,s,0.6,，出现磁矩。,96,.,7.3.1,抗磁性,(Diamagnetism),97,.,理论研究表明，抗磁性来源于电子轨道运动在外磁场作用下的改变。,外磁场使材料中电子轨道运动发生变化，感应出很小的磁矩，其方向与外磁场方向相反。,所有物质均有抗磁性,磁化率，但其磁化率很小，在材料具有原子、离子或分子磁矩时，其他磁化率掩盖了抗磁化率,只有材料中没有固有磁矩或固有磁矩很小时抗磁性才能表现出来,电子壳层满填的物质才能成为抗磁体,。,98,.,没有外磁场时，分子或原子中各个电子的轨道磁矩和自旋磁矩完全抵消，其矢量和为,0,，即每个分子或原子的固有磁矩均为零。故整块抗磁质不显现磁性。,在外磁场下当电子顺时针作轨道运动时，产生的洛仑兹力（,左手定则,）向外而削弱向心力，使原逆时针方向的电流减弱。相当于施加了反方向的电流，根据,右手定则,产生的附加磁矩,m,与外加磁场,H,方向相反,。,99,.,每个原子内有,z,个电子，每个电子有自己的运动轨道，在外磁场作用下，电子轨道绕,H,进动，进动频率为,，称为,Lamor,进动频率。由于轨道面绕磁场进动，使电子运动速度有一个变化,v,，电子轨道磁矩增加,，但方向与磁场相反，使总的电子轨道磁矩减小。总之，由于磁场作用引起电子轨道磁矩减小，,表现出,抗磁性,。,100,.,101,.,无论电子顺时针运动还是逆时针运动，所产生的附加磁矩,m,都与外加磁场的方向相反，故称为,抗磁矩,。,一个电子在外加磁场,H,的作用下，产生的的抗磁矩为,式中，负号表示,m,l,与,H,的方向相反,;,分母,m,e,为电子质量,一个原子常有,z,个电子，每个电子都要产生抗磁矩，由于电子的轨道半径不同，故,一个原子的抗磁矩,为,任何材料在磁场作用下都要产生抗磁性，与温度、外磁场无关。从广义上来说，超导也是一种抗磁性。,102,.,外加磁场所感生的,轨道矩改变,抗磁性,T,O,R,H,抗磁性是普遍存在的，它是所有物质在外磁场作用下毫不例外地具有的一种属性，大多数物质的抗磁性因为被较强的顺磁性所掩盖而不能表现出来。,103,.,物质的抗磁性不是由于电子的轨道磁矩和自旋磁矩产生的，而是由外磁场作用下电子循轨运动所产生的附加磁矩造成的，此磁矩与外磁场成正比，也是可逆的。,任何物质的电子都有循轨运动，因此任何物质都有抗磁性,抗磁性和抗磁体是有区别的。,有抗磁性但不一定是抗磁体,抗磁性物质,104,.,7.3.2,顺磁性,(Paramagnetism),105,.,顺磁质在外磁场中的磁化，主要是由,分子磁矩的取向作用,所产生的，而抗磁效应是无足轻重的。,无外磁场时，分子中各个电子的轨道磁矩与自旋磁矩未能相互抵消，每个分子有固有磁矩,P,m,且不等于,0,。即顺磁质中，,每个分子均显示出磁性,。但整个物质由于热运动的影响，对外并不表现为磁性。,组成材料的原子中具有,未成对电子或内壳层未被填满、或具有奇数个核外电子的原子或离子,产生的磁矩不为,0,。,106,.,郎之万顺磁性理论,理论的基本概念：顺磁性物质的,原子间无相互作用,（类似于稀薄气体状态），在无外场时各原子磁矩在平衡状态下呈现出,混乱分布,，总磁矩为零，当施加外磁场时，各原子磁矩,趋向于,H,方向,。,107,.,当外加磁场时，由于磁场与分子电流磁矩的相互作用除克服,磁矩间相互作用引起的无序,，还需克服,温度使原子磁矩趋于的混乱分布,，最后外加磁场使原子磁矩趋于规则取向。一旦外加磁场增加到能补偿热运动能量时，原子磁矩就一致排列，显示为顺磁性。,顺磁性主要来源于外磁场对原子或离子固有磁矩的取向作用。,108,.,1895,年居里,(P.Curie),顺磁磁化率与温度的关系,(,居里定律,),其中,T,为绝对温度；,C,为常数，称为居里常数。,朗之万,(P.Langevin),等的解释：根据经典统计理论，原子热振动的动能,E,k,与温度成正比，即,E,k,kT,其中,k,为玻尔兹曼常数，,T,为绝对温度。,热振动使原子磁矩倾向于混乱分布，在任何方向上的原子磁矩之和为零，对外不表现磁性。,109,.,当外磁场增加到使势能,U,的减少能够补偿热运动的能量时，原子磁矩即一致排列，此时：,当有磁感应强度为,B,0,的外磁场时，原子磁矩,m,与,B,0,的夹角,要,尽量小，以降低势能：,U,=-,mB,0,cos,外磁场使原子磁矩,m,趋于一致排列。,k,T,mB,0,110,.,不考虑材料中磁性离子的相互作用，在高温低磁场的情形下，可推导出磁化率,其中,n,为单位体积内的原子数,称为,居里常数,通过测量,和,T,的关系，可求出斜率,C,，进而求出原子磁矩,m,。,111,.,计算表明：当,T,=1000K,，磁场为,1T,，顺磁物质的磁化强度,M,10,2,A/m,顺磁物质很难磁化。,当材料中磁性离子较多，相互作用较强而不可忽略时，其顺磁磁化率常服从居里外斯定律,其中,T,c,是居里温度，可能来源于交换作用、偶极子相互作用或晶体电场的作用。,112,.,顺,磁,体,/,顺,磁,性,物,质,1.,正常顺磁体,O,2,，,NO,，,Pt,；,Pd,稀土金属；,Fe,Co,Ni,的盐类；,Fe,Co,Ni,2.,磁化率与温度无关,3.,存在反铁磁体转变,碱金属,过渡族金属及其合金或它们的化合物,113,.,1,、正常顺磁体,居里定律,居里,-,外斯定律,磁化率与温度成反比。,114,.,2,、磁化率与温度无关的顺磁体,碱金属,3,、存在反铁磁体转变的顺磁体,反铁磁体当温度高于尼尔点（,T,N,）时，表现为顺磁体。,过渡族金属及其合金或它们的化合物。,115,.,练习：铁磁性物质磁化率与温度的关系示意图,T,T,C,116,.,7.4,铁磁性,(Ferromagnetism),铁磁体？,117,.,如果物质的,大于,0,，且数值很大，这类物质为铁磁性物质，如,Fe,、,Co,、,Ni,等。,铁磁性材料具有很强的磁性，在技术具有广泛的应用，通常所指的磁性材料就是这类材料。,电工纯铁,金属钴,金属镍,118,.,研究表明，铁磁性和顺磁性具有相同的来源。,对顺磁体来说，要使顺磁体中由于热扰动而排列混乱的磁矩在室温下达到接近于整齐排列的状态，需要,810,8,A/m,的强磁场，目前的极限磁场很难达到如此高的强度。,对铁磁体来说，它的磁化强度容易改变，只需在很小的磁场下（,110,3,A/m,）就可以达到技术饱和；磁场去除后，这种排列仍然可以保持下去。,顺磁性的来源？,119,.,铁磁性研究的核心问题就是为什么铁磁体的原子磁矩比顺磁体容易整列得多？,物质内部原子磁矩的排列,a:,顺磁性,b:,铁磁性,c:,反铁磁性,d:,亚铁磁性,120,.,7.4.1,铁磁体磁化的现象,(Phenomena of the magnetization of ferromagnetic materials),121,.,它表示,磁场强度,H,与所感生的,B,或,M,之间的关系（非线性）,O,点：,H,0,、,B,0,、,M,0,，,磁中性或原始退磁状态,OA,段：近似线性，起始磁化阶段,AB,段：较陡峭，表明急剧磁化,HH,m,后，,M,逐渐趋于一定值,M,S,（饱和磁化强度），而,B,则仍不断增大,(,原因,?,),由,B,H,（,M,H,）曲线可求,出,或,一、磁化曲线,(magnetization curve),122,.,施加外部磁场,H,：,B,M,s,(,B,s,),M,(,B,),O,H,M,和,B,都沿,OB,线增加,至,B,点达到饱和,M,s,和,B,s,分别称为,饱和磁化强度和饱和磁感应强度,。,以后磁场强度增加，,M,不升高。,