材料物理性能课件第七章热学性能.ppt

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1、概述物质磁性的普遍性物质磁性的普遍性无处不在无处不在（1）物质的各种形态，无论是固态、液态、气态、等离）物质的各种形态，无论是固态、液态、气态、等离子态、超高密度态和反物质态都会具有磁性；子态、超高密度态和反物质态都会具有磁性；n（2）物质的各个层次，无论是原子、原子核、基本粒）物质的各个层次，无论是原子、原子核、基本粒子等都会具有磁性。子等都会具有磁性。n（3）无限广袤的宇宙，无论是各个天体，还是星际空）无限广袤的宇宙，无论是各个天体，还是星际空间都存在着或强或弱的磁场。例如：地球磁场强度约间都存在着或强或弱的磁场。例如：地球磁场强度约为为240A/m，太阳的普遍磁场强度约为，太阳的普遍磁场

2、强度约为80A/m.n磁性是物质的一种重要的属性。从微观粒子到宏观物磁性是物质的一种重要的属性。从微观粒子到宏观物体，到宇宙天体，无不具有某种程度的磁性。体，到宇宙天体，无不具有某种程度的磁性。n磁性不仅是宏观物理量，而且与物质的微观结构密切磁性不仅是宏观物理量，而且与物质的微观结构密切相关。相关。磁性 magnetismn弱磁性和强磁性两类。弱磁性和强磁性两类。一般提到材料具有磁性是指强磁性一般提到材料具有磁性是指强磁性铁磁性铁磁性ferromagnetismn铁磁性理论的系统研究工作开始于上世纪初，铁磁性理论的系统研究工作开始于上世纪初，1907年，法国物理学家外斯年，法国物理学家外斯(W

3、eiss)在郎之在郎之万顺磁性理论基础上，第一次成功地建立起铁万顺磁性理论基础上，第一次成功地建立起铁磁性现象的物理模型，奠定了现代磁性现象的物理模型，奠定了现代铁磁性理论铁磁性理论的基础。的基础。物质的磁性的普遍性还表现在磁性与物质的其他物质的磁性的普遍性还表现在磁性与物质的其他属性之间存在着广泛的联系，并构成多种多样的耦属性之间存在着广泛的联系，并构成多种多样的耦合效应和双重（多重）效应（合效应和双重（多重）效应（磁电效应、磁光效应、磁电效应、磁光效应、磁声效应和磁热效应等磁声效应和磁热效应等）。这些效应既是了解物质）。这些效应既是了解物质结构和性能关系的重要途径，又是发展各种功能器结构和

4、性能关系的重要途径，又是发展各种功能器件（件（磁光存储技术、磁记录技术和霍尔器件等磁光存储技术、磁记录技术和霍尔器件等）的）的基础。基础。应用n磁性材料广泛地应用于电子工业、电气工业以磁性材料广泛地应用于电子工业、电气工业以及通讯、测量、印刷、计算机等方面。及通讯、测量、印刷、计算机等方面。n近年来已深入研究了磁光、磁电、压磁和磁致近年来已深入研究了磁光、磁电、压磁和磁致伸缩、功能转换材料，不断开发出各种磁转换伸缩、功能转换材料，不断开发出各种磁转换器件器件5.1磁学基本量及分类磁学基本量及分类 n一、磁学基本量磁学基本量n1.磁场强度磁场强度Hn2.磁感应强度磁感应强度Bn3.磁化率与磁导率

5、磁化率与磁导率n4.磁矩磁矩m和磁化强度和磁化强度Mn5.磁通量磁通量1.磁场强度H n磁场强度磁场强度H是由导体中的是由导体中的电流或由永磁体产生电流或由永磁体产生。n矢量，有大小，有方向矢量，有大小，有方向n磁场强度：用稳定电流在空间产生的磁场的强度来规磁场强度：用稳定电流在空间产生的磁场的强度来规定。在国际单位制中，一根载有定。在国际单位制中，一根载有I安培电流的长直导线，安培电流的长直导线，在离导线为在离导线为r米的地方所产生的磁场强度米的地方所产生的磁场强度 取取I=1安培，则在离导线距离为安培，则在离导线距离为r米处所得的磁场强度米处所得的磁场强度就是就是单位磁场强度单位磁场强度，

6、1安安/米（米（A/m）。）。电流产生磁场电流产生磁场最常见的几种形式最常见的几种形式 1无限长载流直导线的磁场强度无限长载流直导线的磁场强度HI/2 r(5-1)I为通过直导线的电流，为通过直导线的电流，r为计算点至导线的距离，为计算点至导线的距离，H的方向是切于与导线垂直且以导线为轴的圆周。的方向是切于与导线垂直且以导线为轴的圆周。2载流环形线圈圆心上的磁场强度载流环形线圈圆心上的磁场强度HI/2r(5-2)I为流经环形线圈的电流，为流经环形线圈的电流，r为环形线圈的半径。为环形线圈的半径。H方向按右手螺旋法则确定。方向按右手螺旋法则确定。3无限长载流螺线管的磁场强度无限长载流螺线管的磁场

7、强度HnI(5-3)I为流经环形线圈的电流：为流经环形线圈的电流：n为螺线管上单位长度的线圈为螺线管上单位长度的线圈匝数。匝数。H的方向为沿螺线管的轴线方向的方向为沿螺线管的轴线方向。磁场强度的起源 静磁学定义静磁学定义磁场强度磁场强度H等于单位点磁荷在该等于单位点磁荷在该处所受的磁场处所受的磁场力的大小，其方向与正磁荷在该处所受磁场力的方向一致。力的大小，其方向与正磁荷在该处所受磁场力的方向一致。设试探磁极的点磁荷为设试探磁极的点磁荷为m，它在磁场中某处受力为，它在磁场中某处受力为F，则该处，则该处的磁场强度矢量的磁场强度矢量H为为nHFm(515)F由磁的库仑定律决定，即两个点磁荷之间的相

8、互作用力由磁的库仑定律决定，即两个点磁荷之间的相互作用力F，沿着它们之间的连线方向，与它们之间的距离，沿着它们之间的连线方向，与它们之间的距离r的平方成的平方成反比，与每个磁荷的数量反比，与每个磁荷的数量磁极强度磁极强度M)M1和和M2成正比，成正比，磁导率比例系数比例系数k与磁荷周围的介质和各量的单位有关与磁荷周围的介质和各量的单位有关点磁荷处于真空中，在国际点磁荷处于真空中，在国际(SI)单位制中，单位制中，F的单位为牛的单位为牛顿顿N，k为为 0是真空磁导率是真空磁导率 04 107A.m-12、磁感应强度磁感应强度B 确定磁场效应的量是磁感应强度确定磁场效应的量是磁感应强度B，而不是磁

9、场强度，而不是磁场强度H。在在SI单位制中，磁感应强度的单位制中，磁感应强度的定义公式定义公式B=0(H十十M)(5-4)磁感应强度磁感应强度B分为两部分：分为两部分：材料对材料对自由空间磁场自由空间磁场的反应的反应材料对材料对磁化引起的附加磁场磁化引起的附加磁场的反应的反应M磁化强度磁化强度描述物质在外磁场中被磁化的程度。描述物质在外磁场中被磁化的程度。B的单位是的单位是T或或Wb.m-2当磁场强度为当磁场强度为1074 A.m-1时，相应的磁感应强度为时，相应的磁感应强度为1特斯拉。特斯拉。H和和B都是描述空间任一点的磁场参量。它们都是矢量，都是描述空间任一点的磁场参量。它们都是矢量，有大

10、小和方向。有大小和方向。材料在磁场强度为材料在磁场强度为H的外加磁场作用下，会在材料内部的外加磁场作用下，会在材料内部产生一定的磁通量密度，称其为磁感应强度。产生一定的磁通量密度，称其为磁感应强度。B=0H+J (5-6)J磁极化强度（磁极化强度（J=0M)1、在真空中，、在真空中，B 0H(5-7)在自由空间里，在自由空间里，B和和H始终是平行的数值上成比例，始终是平行的数值上成比例，两者的关两者的关 系只由真空系只由真空磁导率磁导率 0来联系。来联系。2、在磁性体内部，两者的关系就复杂得多，在磁性体内部，两者的关系就复杂得多，由由B=0H+J 描述，方向上也不一定平行。描述，方向上也不一定

11、平行。与磁感应强度与磁感应强度B磁场强度磁场强度3、磁化率和磁导率磁化率和磁导率 磁性体被置于外磁场中，它的磁化强度将发生变磁性体被置于外磁场中，它的磁化强度将发生变化，化，磁化强度磁化强度M和磁场和磁场H的关系的关系M=H或或MH(5-8)磁化率是单位磁场强度在磁体中所感生的磁化强度，磁化率是单位磁场强度在磁体中所感生的磁化强度，是表征磁体是表征磁体磁化难易程度磁化难易程度的一个参量的一个参量。同样大小的磁场中，同样大小的磁场中，大的材料呈大的材料呈现的磁化强度就大。现的磁化强度就大。B=0(H十十M)(1十十)0HsI单位制中，将单位制中，将B与与H的比值称为的比值称为绝对磁导率绝对磁导率

12、 磁导磁导率率 是磁体特性和技术上的重要磁性参量。表是磁体特性和技术上的重要磁性参量。表示外磁场增加时，磁感应强度增加的速度。示外磁场增加时，磁感应强度增加的速度。表征磁体表征磁体磁化难易程度的磁化难易程度的参量参量和和u只有当只有当B、H、M三个矢量互相平行时才为标量，否三个矢量互相平行时才为标量，否则它们为张量则它们为张量。相对磁导率n在大多数情况下应用较多的是在大多数情况下应用较多的是相对磁导率相对磁导率 r=/0(5-8)B=0(+1)H=0(H+H)M=H根据根据M与与H的方向，的方向，可取正、负可取正、负+M与与H同方向同方向-M与与H反方向反方向三个磁性参数三个磁性参数 r、已知

13、其中一个，可以确定其他已知其中一个，可以确定其他两个两个4、磁矩m与磁化强度 将永磁体靠近铁钉、铁片等，达到一定距离时被吸将永磁体靠近铁钉、铁片等，达到一定距离时被吸起，而一般情况下铜片等则不能。而且，被用磁体吸起，而一般情况下铜片等则不能。而且，被用磁体吸引过的铁片，在靠近其他铁片时也会产生吸引作用，引过的铁片，在靠近其他铁片时也会产生吸引作用，或产生排斥作用。被永磁体吸引过的铁片的磁性发生或产生排斥作用。被永磁体吸引过的铁片的磁性发生了变化。了变化。n磁化时物质中形成了成对的磁化时物质中形成了成对的N、S磁极。这磁极。这种成对的种成对的N-S极所构成的磁学量称为极所构成的磁学量称为磁矩。磁

14、矩。n物质在磁场中由于受磁场的作用而表现出一物质在磁场中由于受磁场的作用而表现出一定的磁性，这种现象称为磁化。定的磁性，这种现象称为磁化。n物质中出现磁矩是所有磁现象的根源，是磁物质中出现磁矩是所有磁现象的根源，是磁相互作用的基本条件。相互作用的基本条件。磁矩定义磁矩定义n物理学：物理学：一环形电流周围的磁场，犹如一条形一环形电流周围的磁场，犹如一条形磁铁的磁场。环形电流在其运动磁铁的磁场。环形电流在其运动中心处中心处产生一产生一个磁矩个磁矩m（或称磁偶极矩）（或称磁偶极矩）一个环形电流的磁矩定义为一个环形电流的磁矩定义为m=ISnI为环形电流的强度；为环形电流的强度；S为环形流所包围的面积；

15、为环形流所包围的面积；m的方向可用右手定则来确定。的方向可用右手定则来确定。n单位为韦单位为韦米（米（Wbm）物质磁化理论物质磁化理论 n物质磁化理论有两种观点：物质磁化理论有两种观点：1）分子电流观点分子电流观点2）等效磁荷观点）等效磁荷观点1）安培的分子环流观点）安培的分子环流观点：物质中的每个磁分子：物质中的每个磁分子相当于一个环形电流。相当于一个环形电流。n无外磁场时，各分子环流取向杂乱无章，作用无外磁场时，各分子环流取向杂乱无章，作用互相抵消，不显磁性。互相抵消，不显磁性。n施加外磁场时，分子电流的磁矩沿磁化场排列，施加外磁场时，分子电流的磁矩沿磁化场排列，呈现宏观磁性。呈现宏观磁性

16、。磁化强度磁化强度 磁化强度磁化强度M是描述宏观磁性体磁性强弱程度的物理量。是描述宏观磁性体磁性强弱程度的物理量。磁化强度磁化强度M的定义：的定义：单位体积磁体内具有的单位体积磁体内具有的磁矩矢量和磁矩矢量和用用M表示表示为体积元内环电流的矢量和。为体积元内环电流的矢量和。未磁化时，未磁化时，=0，则，则M=0当材料被磁化时，环电流磁矩沿外电场排列，当材料被磁化时，环电流磁矩沿外电场排列，环电流磁矩定向排列程度越高，环电流磁矩定向排列程度越高，磁化强度磁化强度M矢量就越大。矢量就越大。磁化强度磁化强度M反应物质磁化的状态（强度、方向）的物理量。反应物质磁化的状态（强度、方向）的物理量。2）磁荷

17、的观点材料的磁分子是磁偶极子，未磁化时，磁偶极子呈无序状材料的磁分子是磁偶极子，未磁化时，磁偶极子呈无序状态，其偶极矩矢量和态，其偶极矩矢量和，不显磁性。，不显磁性。施加外磁场，偶极子受外磁场作用转向排列。材料两端呈施加外磁场，偶极子受外磁场作用转向排列。材料两端呈现出磁极的性质。现出磁极的性质。磁荷的观点定义磁极化强度：磁荷的观点定义磁极化强度：单位体积的磁偶极矩矢量和。单位体积的磁偶极矩矢量和。在磁性体内取一个宏观体积元在磁性体内取一个宏观体积元dV，在这个体积元内包，在这个体积元内包含了大量的含了大量的磁偶极矩磁偶极矩jm。单位体积磁体内具有的单位体积磁体内具有的磁偶极矩矢量磁偶极矩矢量

18、和称为和称为磁极化强度，磁极化强度，用用J表示表示；5.磁通量磁通量 磁通量就是磁感应通量。通过磁场中某一微小面积磁通量就是磁感应通量。通过磁场中某一微小面积 S的磁通量的磁通量，等于该处磁感应强度，等于该处磁感应强度B在垂直面积在垂直面积 S的方向上的分量的方向上的分量Bn和面积和面积 S的乘积，即的乘积，即n=Bn S=Bcos S,n 是磁感应强度方向与面积是磁感应强度方向与面积 S的垂直方向的夹角。的垂直方向的夹角。一般情况下，要求通过磁场中某一面积为一般情况下，要求通过磁场中某一面积为S的曲面的曲面的磁通量，必须用积分表达式的磁通量，必须用积分表达式n只有在均匀磁场中当只有在均匀磁场

19、中当磁感应强度的方向垂直与截面磁感应强度的方向垂直与截面S时，通过该界面时，通过该界面S的磁通量才能简单地表示成的磁通量才能简单地表示成n=BSn磁通量的单位磁通量的单位:韦（韦（Wb）二、磁矩的产生 根据物质结构理论，任何物质都是由分子或原子组成。根据物质结构理论，任何物质都是由分子或原子组成。原子核自旋运动原子核自旋运动电子自旋电子自旋电子绕原子核的轨道运动电子绕原子核的轨道运动这些运动都会形成微小的这些运动都会形成微小的环电流环电流，都能产生磁效，都能产生磁效应环流在其运动中心处产生磁矩。磁矩是反映粒应环流在其运动中心处产生磁矩。磁矩是反映粒子本身磁性特征的物理量，每种运动所对应的磁矩子

20、本身磁性特征的物理量，每种运动所对应的磁矩分别称为分别称为自旋磁矩和轨道磁矩自旋磁矩和轨道磁矩分子的固有磁矩分子的固有磁矩所有所有电子轨道磁矩电子轨道磁矩和和自旋磁矩自旋磁矩以及以及核的自旋磁矩的矢量和核的自旋磁矩的矢量和，简称为分子磁矩，简称为分子磁矩，用用pm表示表示磁矩的大小磁矩的大小n磁性的来源于原子磁矩：磁性的来源于原子磁矩：1、电子轨道磁矩、电子轨道磁矩pLL电子运动轨道角动量，电子运动轨道角动量，电子绕核运动角速度，电子绕核运动角速度，s-自旋角动量自旋角动量2、电子自旋磁矩、电子自旋磁矩pszn波尔磁子波尔磁子，表示原子磁矩的大小，表示原子磁矩的大小3、原子核磁矩、原子核磁矩m

21、n（1/2000）me忽略忽略原子的磁性如何确定？原子的磁性如何确定？原子的磁矩原子的磁矩电子磁矩组成电子磁矩组成电子磁矩电子磁矩轨道磁矩轨道磁矩+自旋磁矩（矢量和）自旋磁矩（矢量和）原子中的电子按照不同的壳层排列，电子磁矩与原子中的电子按照不同的壳层排列，电子磁矩与电子的角动量成正比电子的角动量成正比当原子中某一当原子中某一电子壳层排满电子壳层排满时，各个电子轨道运动与自时，各个电子轨道运动与自旋运动的取向旋运动的取向占据了所有可能的方向，这些占据了所有可能的方向，这些方向呈对方向呈对称分布称分布，因此，电子的总角动量为零，该壳层得总角，因此，电子的总角动量为零，该壳层得总角动量为零。动量为

22、零。只有当某一只有当某一电子壳层未被填满电子壳层未被填满时，这个壳层的电子总磁时，这个壳层的电子总磁矩才不为零，原子对外显示矩才不为零，原子对外显示磁性磁性。不同原子具有不同电子壳层结构，原子组成不同物不同原子具有不同电子壳层结构，原子组成不同物质时，表现出不同的磁性。质时，表现出不同的磁性。抗磁性、顺磁性的确定 为了确定材料的抗磁性顺磁性为了确定材料的抗磁性顺磁性放入磁场观察。放入磁场观察。原子的原子的固有磁矩（本征磁矩）：固有磁矩（本征磁矩）：轨道磁矩轨道磁矩+自旋磁矩自旋磁矩抗磁性抗磁性：抗磁性来源于电子：抗磁性来源于电子轨道磁矩。轨道磁矩。任何物质均任何物质均有抗磁性。但只有有抗磁性。

23、但只有电子壳层排满时电子壳层排满时抗磁性表现出抗磁性表现出来。惰性气体、离子型固体等。来。惰性气体、离子型固体等。抗磁体抗磁体每个分子磁矩为零每个分子磁矩为零(pm0)，在没有外磁，在没有外磁场作用时，所有分子磁矩的矢量和也为零场作用时，所有分子磁矩的矢量和也为零 pmo)，宏观上不显磁性。，宏观上不显磁性。这类磁介质在外磁场的作用下，能产生抗磁性。这类磁介质在外磁场的作用下，能产生抗磁性。顺磁性 顺磁性来源于原子的固有磁矩顺磁性来源于原子的固有磁矩.在没有外磁场在没有外磁场作用时，顺磁质中的每个作用时，顺磁质中的每个分子磁矩不为零分子磁矩不为零(pm 0)，但由于分子的热运动，分子磁矩排列，

24、但由于分子的热运动，分子磁矩排列的方向是杂乱无章的，所有分子磁矩的矢量和的方向是杂乱无章的，所有分子磁矩的矢量和为零为零(pm0)，所以对外不显磁性，所以对外不显磁性有外磁场作用时，顺磁质的分子磁矩排列的有外磁场作用时，顺磁质的分子磁矩排列的方向将与外磁场方向趋于一致，从而磁介质对方向将与外磁场方向趋于一致，从而磁介质对外能显示出磁性外能显示出磁性(pm 0)，5.2材料磁性分类材料磁性分类 n根据磁化率的大小、方向不同，把物质磁性分为五类根据磁化率的大小、方向不同，把物质磁性分为五类(1)抗磁性抗磁性diamagnetism(2)顺磁性顺磁性paramagnetism(3)反铁磁性反铁磁性o

25、pposite ferromagnetism(4)铁磁性铁磁性ferromagnetism(5)亚铁磁性亚铁磁性 sub-ferromagnetism1、抗磁性n 当受到外磁场当受到外磁场H作用后，被感生出磁化强度。作用后，被感生出磁化强度。1）磁化强度）磁化强度M与与H方向相反方向相反；2）磁化率）磁化率TN)，磁化磁化率与温度的关系与正常率与温度的关系与正常顺磁性顺磁性物体的相似，服从居里物体的相似，服从居里-外斯定律外斯定律2)当当TTN时，磁化率不是继续增大，而是降低并时，磁化率不是继续增大，而是降低并逐渐逐渐趋于定位趋于定位。磁化率在温度等于磁化率在温度等于TN存在极大值。存在极大值

26、。TN是个临界温度，是个临界温度，命名为命名为奈耳温度奈耳温度。反铁磁性物体有过渡族元素的盐类及化合物，反铁磁性物体有过渡族元素的盐类及化合物，如：如：Cr、NiOMnO2、Cr2O3、CoO等。等。弱磁性n以上三种磁性为弱磁性以上三种磁性为弱磁性n在通常温度和磁场下具有：在通常温度和磁场下具有：n磁化曲线为直线磁化曲线为直线n磁化率磁化率为常数为常数n磁化可逆磁化可逆n可以用可以用来表征磁性来表征磁性。4、铁磁性 在很小的磁场作用下就能被磁化到饱和。在很小的磁场作用下就能被磁化到饱和。n1）磁化率磁化率，数值很大，数值很大l01一一106数量级；数量级；n2）其磁化强度）其磁化强度M与磁场强

27、度与磁场强度H非线性关系；非线性关系；n3）反复磁化时出现磁滞现象；）反复磁化时出现磁滞现象；n4）自发磁化（物质内部的原子磁矩自发平行排列）。）自发磁化（物质内部的原子磁矩自发平行排列）。5）当铁磁性物体的温度高于临界温度）当铁磁性物体的温度高于临界温度(TTc时时)，铁，铁磁性将转变成磁性将转变成顺磁性顺磁性，并服从居里，并服从居里外斯定律，外斯定律，nxC/T-Tp(519)c是居里常数；是居里常数；TP是铁磁性物体的顺磁性居里温度是铁磁性物体的顺磁性居里温度n磁性材料在外磁场作用下产生很磁性材料在外磁场作用下产生很强的磁化强度。强的磁化强度。n外磁场除去后仍保持相当大的永外磁场除去后仍

28、保持相当大的永久磁性，这种磁性称为铁磁性。久磁性，这种磁性称为铁磁性。n具有铁磁性的元素不多，具有铁具有铁磁性的元素不多，具有铁磁性的合金和化合物却各种各样。磁性的合金和化合物却各种各样。到目前为止，发现九个纯元素晶到目前为止，发现九个纯元素晶体具有铁磁性体具有铁磁性:n过渡金属：铁、钴、镍过渡金属：铁、钴、镍n稀土金属：钆、鋱、镝、钬稀土金属：钆、鋱、镝、钬n 铒、銩铒、銩材料是否具有铁磁性材料是否具有铁磁性取决于两个因素：取决于两个因素：(1)(1)原子是否具有由未原子是否具有由未成对电子，即自旋磁成对电子，即自旋磁矩贡献的净磁矩矩贡献的净磁矩(本征本征磁矩磁矩)(2)(2)原子在晶格中的

29、排原子在晶格中的排列方式列方式 物质的各类磁性物质的各类磁性铁磁性铁磁性几种典型铁磁性物体的Tc（K）物物质质FeCoNiGdTbDyHoErTmTc1043139663129321989202032铁磁体的居里温度铁磁体的居里温度-应用实例应用实例利用这个特点，人们开发出了很多控制元件。利用这个特点，人们开发出了很多控制元件。例如，电饭锅就利用了磁性材料的居里点的例如，电饭锅就利用了磁性材料的居里点的 特性。特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105度的磁性材料。当锅里的水分干了以后，食品的温度将度的磁性材料。当锅里的水分干了以后，食

30、品的温度将从从100度上升。当温度到达大约度上升。当温度到达大约105度时，由于被磁铁度时，由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开，同时这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。带动电源开关被断开，停止加热。5、亚铁磁性的特征1）宏观磁性与铁磁性相同，）宏观磁性与铁磁性相同，2）磁化率的数量级稍低，大约为）磁化率的数量级稍低，大约为101一一103。亚铁磁性内部磁结构与亚铁磁性内部磁结构与反铁磁性的相同反铁磁性的相同，但相反排列的磁矩不等量。但相反排

31、列的磁矩不等量。亚铁磁性是未抵消的亚铁磁性是未抵消的反铁磁性结构的铁磁性。反铁磁性结构的铁磁性。铁氧体是典型的亚铁磁性物体。铁氧体是典型的亚铁磁性物体。亚铁磁性在宏观性能上与铁亚铁磁性在宏观性能上与铁磁性类似，区别在于亚铁磁磁性类似，区别在于亚铁磁性材料的饱和磁化强度比铁性材料的饱和磁化强度比铁磁性的低。成因是由于材料磁性的低。成因是由于材料结构中原子磁矩不象铁磁体结构中原子磁矩不象铁磁体中那样向一个方向排列，而中那样向一个方向排列，而是呈反方向排列，相互抵消是呈反方向排列，相互抵消了一部分。了一部分。物质的各类磁性物质的各类磁性5 5、亚铁磁性亚铁磁性小结 n物质磁性可分为物质磁性可分为抗磁

32、性、顺磁性、反铁磁性抗磁性、顺磁性、反铁磁性、n铁磁性、亚铁磁性铁磁性、亚铁磁性n前三种是前三种是弱磁性弱磁性，后两种为，后两种为强磁性强磁性。n具有这两种磁性的材料通常叫做具有这两种磁性的材料通常叫做磁性材料磁性材料。n磁化曲线、特征磁化曲线、特征n用途：用途：软磁、硬磁、旋磁、短磁、压磁软磁、硬磁、旋磁、短磁、压磁n功能：功能：恒导磁率材料、磁性半导体材料、磁泡材料、磁恒导磁率材料、磁性半导体材料、磁泡材料、磁光材料等等。光材料等等。5.3物质铁磁性的微观本质物质铁磁性的微观本质 组成物质的最小单元是原子，原子又由电子和原组成物质的最小单元是原子，原子又由电子和原子核组成。原子中的电子同时

33、具有两种运动形式，处子核组成。原子中的电子同时具有两种运动形式，处于旋转运动状态下的电子，相当于一个于旋转运动状态下的电子，相当于一个电流闭合回路电流闭合回路，必然伴随有必然伴随有磁矩发生磁矩发生。电于轨道运动产生电于轨道运动产生电子轨道磁矩；电子轨道磁矩；电子自旋产生电子自旋产生电子自旋磁矩。电子自旋磁矩。核磁矩非常小，几乎对原子磁性不起作用核磁矩非常小，几乎对原子磁性不起作用原子的总磁矩原子的总磁矩=电子轨道磁矩电子轨道磁矩+电子自旋磁矩电子自旋磁矩物质磁性起源于原子磁矩。物质磁性起源于原子磁矩。核外多个电子原子的磁矩核外多个电子原子的磁矩电子的分布规律电子的分布规律原子中电子的角动量是如

34、何耦合原子中电子的角动量是如何耦合电子状态电子状态n具有多电子的原子中，决定电子所处的状态的准则有两条：具有多电子的原子中，决定电子所处的状态的准则有两条：（一）（一）泡利泡利(wPauli)不相容原理不相容原理原子中每一个状态只能容纳一个自旋相同的电子。原子中每一个状态只能容纳一个自旋相同的电子。（二）（二）能量最低原理能量最低原理自旋相反电子具有最低能量最低，体系最稳定。自旋相反电子具有最低能量最低，体系最稳定。n电子的状态：电子的状态：n、l、ml、ms四个量子数确定四个量子数确定一、电子壳层与磁性一、电子壳层与磁性多多电电子子原原子子中中电电子子分分布布规规律律n、l、mlms主、角、

35、磁、自旋主、角、磁、自旋四个量子数确定以后，电子所处的位置随之而定。四个量子数确定以后，电子所处的位置随之而定。2、n、l和和ml三个量子数都相同三个量子数都相同的电子的电子两个两个。第四个量子数第四个量子数ms不能相同，只能分别为不能相同，只能分别为1/2和和-1/2。3、n、l两个量子数两个量子数相同相同的电子最多的电子最多2（2l+1）个个。（对于同一个（对于同一个lml可以取可以取(2l+1)个不同的值。对于每个不同的值。对于每一个一个ml、Ms可以取可以取l2两个不同的值）。两个不同的值）。4、主量子数主量子数n相同相同的电子最多只有的电子最多只有2n2个。个。1、n、l、mlms四

36、个量子数都相同的电子四个量子数都相同的电子一个一个表51电子壳层的划分及各壳层中可能存在的电子数目磁性电子壳层磁性电子壳层n当电子填满电子壳层时，各电子的轨道运动及自旋取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，形成一个向就占据了所有可能方向，形成一个球形对称集合球形对称集合.动量矩动量矩电子本身具有的电子本身具有的互相抵消互相抵消磁矩磁矩#凡是满电子壳层的总动量矩和总磁矩都为零凡是满电子壳层的总动量矩和总磁矩都为零。M总总=0只有未填满电子的壳层上才有未成对的电子磁矩对原子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作出贡献。的总磁矩作出贡献。这种未满

37、壳层，我们称它为这种未满壳层，我们称它为磁性电子壳层磁性电子壳层。轨道自旋耦合轨道自旋耦合（L-S)耦合耦合角量子数角量子数-角量子数角量子数耦合耦合（j-j）耦合）耦合1 1、L-SL-S耦合耦合1 1）首先合成原子轨道角动量首先合成原子轨道角动量 和和自旋角动量自旋角动量 2 2）然后）然后由由P PL L和和P PS S再合成原子的再合成原子的总角动量总角动量P PJ J。发生在原于序数较小的原子中发生在原于序数较小的原子中，在元素周期表中原子序数在元素周期表中原子序数z z3232的原子，都为的原子，都为L LS S耦合。耦合。铁磁物质的角动量大都属于铁磁物质的角动量大都属于LS耦合耦

38、合二、二、角动量耦合和原子总磁矩角动量耦合和原子总磁矩原子中的原子中的角动量角动量耦合方式有两种途径耦合方式有两种途径2、jj耦合1）首先由各处电子的）首先由各处电子的s和和l合成合成j；2）然后再由各电子的）然后再由各电子的j合成原于的总角量子数合成原于的总角量子数J。从从Z Z：32328282的原子，的原子，L LS S耦合逐步减弱，最后完全过渡耦合逐步减弱，最后完全过渡到另一种耦合。到另一种耦合。原于序数原于序数z82的元素，电子本身的的元素，电子本身的sl耦合较强，这类原耦合较强，这类原子的子的J都以都以jj方式进行耦合方式进行耦合。铁磁物质的角动量大都属于铁磁物质的角动量大都属于L

39、S耦合，耦合，耦合方式图解耦合方式图解总轨道总轨道角量子数角量子数L和总和总自旋角量子自旋角量子数数S原子的总动量原子的总动量PJ：轨道角动量：轨道角动量PL和自旋角动量和自旋角动量PS的矢量和的矢量和PJ =PL +PS (5-21)PJ的的绝对值为绝对值为（522）L-S耦合耦合 J=L+S J可以取：可以取：J=L十十S，L十十S-1，L-S 个的可能值。个的可能值。1）当）当LS时，时，J可取从可取从(L十十S)到到(L-S)共共(2S十十1)个可能值个可能值;2）当）当LS时，时，J可取从可取从(S十十L)到到(S一一L)共共(2L十十1)个可能值。个可能值。角量子数分别为原子的角量

40、子数分别为原子的总轨道角量子数总轨道角量子数L和和总自旋角量子数总自旋角量子数S的的矢量和矢量和总角动量及总磁矩的矢量模型nPJ =PL +PS，用用矢量模型矢量模型原子的原子的总角动量及总磁矩总角动量及总磁矩。分别作矢量分别作矢量PL和和PS，它们的大小，它们的大小PL和和PS的反方向再分别作相对应的的反方向再分别作相对应的L和和S，它们的大小由，它们的大小由图5-3原子的PJ和J决定由于电子的由于电子的S比比L大一倍。大一倍。S和和L的合成矢量的合成矢量L-S不在不在PJ的轴线方向上。为了得到原子磁矩的轴线方向上。为了得到原子磁矩J的值，将的值，将L-S投影投影到到PJ的轴线方向上的轴线方

41、向上（524）J的大小的大小令令（527）gJ称为兰德（Lande）因子，简称为g因子 原子磁矩大小的表达式原子磁矩大小的表达式(5-26)讨论两种特殊情况讨论两种特殊情况：(1)当L0时，JS，g2，说说明原子明原子总总磁矩都是由自旋磁矩磁矩都是由自旋磁矩贡贡献的。献的。(2)当S0时JL，g1，代入式(5-27)式 说说明原子明原子总总磁矩都是由磁矩都是由轨轨道磁矩道磁矩贡贡献的献的。g在1-2之间，原子磁矩的总磁矩原子磁矩的总磁矩=（轨轨道磁矩道磁矩+自旋磁矩）自旋磁矩）贡贡献献结论：原子磁矩的大小取决于原子的总角量子数原子磁矩的大小取决于原子的总角量子数J。只要确定了只要确定了S和和L

42、以及以及J，即可计算出原子的磁矩，即可计算出原子的磁矩J。原子基态的原子基态的S、L和和J由洪德由洪德(FHund)规则确定。规则确定。三、洪德规则三、洪德规则 1.总自旋量子数总自旋量子数S取泡利不相容原理所允许的取泡利不相容原理所允许的最大值；最大值；第一条洪德规则第一条洪德规则反映了泡利不相容原理和电反映了泡利不相容原理和电子间的库仑排斥作用的要求。子间的库仑排斥作用的要求。1）泡利不相容原理要求）泡利不相容原理要求自旋同向自旋同向的电子分开，它的电子分开，它们的距离远于自旋相反的电子；们的距离远于自旋相反的电子；2）但库仑相互作用，自旋同方向的电子能量较低。）但库仑相互作用，自旋同方向

43、的电子能量较低。未满次壳层上的电子自旋在同一方向排列，直至达未满次壳层上的电子自旋在同一方向排列，直至达到最大多重性为止，然后，再在相反方向排列。到最大多重性为止，然后，再在相反方向排列。泡利不相容原理要求泡利不相容原理要求n按泡利不相容原理要求，每个轨道只能容纳两按泡利不相容原理要求，每个轨道只能容纳两个自旋相反的电子，如果电子处于同一轨道，个自旋相反的电子，如果电子处于同一轨道，由于波函数交叠特别厉害，将产生大的库伦排由于波函数交叠特别厉害，将产生大的库伦排斥势使体系能量增大，因此电子倾向于占据不斥势使体系能量增大，因此电子倾向于占据不同的轨道，由于库仑相互作用自旋同方向的同的轨道，由于库

44、仑相互作用自旋同方向的电子能量较低。这意味着未满次壳层上的电子电子能量较低。这意味着未满次壳层上的电子自旋在同一方向排列，直至达到最大多重性为自旋在同一方向排列，直至达到最大多重性为止，然后，再在相反方向排列。止，然后，再在相反方向排列。洪德规则洪德研究了光谱项的实验结果，洪德研究了光谱项的实验结果，并根据泡利原理，总结出的一条法则并根据泡利原理，总结出的一条法则 2.在满足在满足(1)的条件下，总轨道量子数的条件下，总轨道量子数L取最大值；取最大值；第二条洪德规则说明当第二条洪德规则说明当S相同时，只有相同时，只有L选择最大值，能级选择最大值，能级量低。量低。3.总角量子数总角量子数J的值由

45、下面两种情况来决定：的值由下面两种情况来决定：(1)次壳层上的电子数不够半满时，次壳层上的电子数不够半满时，J L一一S，(2)次壳层上的电子数正好半满或超过半满时，次壳层上的电子数正好半满或超过半满时，JL+S。第三条洪德规则是自旋第三条洪德规则是自旋轨道互作用的符号所导致的结果轨道互作用的符号所导致的结果。例：例：计计算算Fe的原子磁矩的原子磁矩2 1 0 -1 -2解：Fe的磁性电子壳层为3d6,电子排布如图则 S=51/2-1/2=2 L=2+1+0+(-1)+(-2)+2=2 J=L+S=4,由（5-26）得：gJ=1.5,代入（5-27）得：J=6.7B5.4铁磁性物质的基本特征铁

46、磁性物质的基本特征 铁磁性物质的特性铁磁性物质的特性：自发磁化自发磁化磁畴磁畴居里温度居里温度 磁滞回线磁滞回线一、自发磁化一、自发磁化 铁磁性物质内的原子磁矩，通过某种作用，克服热运动铁磁性物质内的原子磁矩，通过某种作用，克服热运动的无序效应，都能有序地取向，按不同的小区域分布。的无序效应，都能有序地取向，按不同的小区域分布。通过物质内自身某种作用将磁矩排列为有序取向的现象，通过物质内自身某种作用将磁矩排列为有序取向的现象，称为自发磁化。称为自发磁化。铁磁性基本特征铁磁性基本特征磁性材料内部自发磁化的小区域。磁性材料内部自发磁化的小区域。每个区域内包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁每

47、个区域内包含大量原子，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相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。向不同。各个磁畴之间的交界面称为各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁磁畴壁。宏观物体一般总是具有很多磁畴，磁畴的磁矩方向各不相同，宏观物体一般总是具有很多磁畴，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，不对外结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，不对外显示出磁性。显示出磁性。磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出

48、磁性。被磁化以后，它才能对外显示出磁性。二、磁畴二、磁畴 在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁质不显磁性在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁质不显磁性 在外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场迅速增在外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场迅速增加，在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。加，在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。Bo磁畴：磁畴：磁畴：磁畴：铁磁质中由于原子的强烈作用，在铁磁质中由于原子的强烈作用，在铁磁质中形成磁场很强的小区域铁磁质中形成磁场很强的小区域 磁畴。磁畴。磁畴的体积约为磁畴的体积约为 10-12 m3 。磁畴的转向磁畴的转向技术磁化技术磁化技术磁化：外加磁场把

49、各个方向的磁畴的磁矩方向转到：外加磁场把各个方向的磁畴的磁矩方向转到外磁场方向，即外加磁场对磁畴的作用过程。外磁场方向，即外加磁场对磁畴的作用过程。技术磁化两种形式：技术磁化两种形式：1）磁畴壁的迁移；）磁畴壁的迁移；2）磁畴壁的旋转。）磁畴壁的旋转。图图512 磁化过程中磁畴转动并伴随着自发形变轴的旋转磁化过程中磁畴转动并伴随着自发形变轴的旋转 (a)H0,MN=0，(b)H 0,MN 0对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。磁性。一般地，磁性材料具有一个一般地，磁性材料具有一个临界温度临界温度临界温度临界温度TcTc，在这个温

50、度以上，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的。在序的。在临界温度临界温度临界温度临界温度TcTc温度以下，原子磁矩排列整齐，产生温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成自发磁化，物体变成铁磁性或亚铁磁性铁磁性或亚铁磁性。所以，居里温度所以，居里温度 是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点，是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点，铁磁态或亚铁磁态铁磁态或亚铁磁态 顺磁态顺磁态Tc三、铁磁性材料的居里温度铁磁性材料的居里温度 铁磁性基本特征铁磁性基本特征四、铁磁性自发磁化的起源n铁磁性铁磁性自发磁化自发磁化起源于起源于电