磁性材料的物理基础

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1、磁性材料的物理基础材料物理孔毅1.磁性材料什么叫磁性材料？广义上讲：对磁场有反应的材料，称为磁性材料。由于所有的材料都对磁场有反应，所以广义上讲一切材料都是磁性材料。但不同的材料对磁场的反应不同，其差别是磁化率、磁导率不同。November12,2009材料物理:材料中的磁性2磁化率（magneticsusceptibility）表征磁介质属性的物理量，等于磁化强度M与磁场强度H之比磁导率（magneticpermeability）表征磁介质磁性的物理量，μ等于磁介质中磁感应强度B与磁场强度H之比November12,2009材料物理:

2、材料中的磁性3表一些材料室温下的磁化率χ和磁导率μ材料χμ磁性类别Cu－4.9×10－60.99999抗磁Ag－25.6×10－60.9999抗磁Al＋21.4×10－61.000021顺磁Mg＋9.0×10－61.000009顺磁Cr＋151×10－61.000151反铁磁Mn＋498×10－61.000496反铁磁FeO＋6×10－31.006反铁磁MnZnFeO＋102－104102－104亚铁磁n(1-x)x24Fe＋102－106102－106铁磁Co＋101－102101－102铁磁Ni＋101－103101－103铁磁Nov

3、ember12,2009材料物理:材料中的磁性4磁性材料类型：抗磁性材料χ<0，μ<1顺磁性材料、χ>0，μ>1反铁磁性材料χ>0，μ>1亚铁磁性材料χ>>1，μ>>1铁磁性材料、χ>>1，μ>>1MBχ=Hμ=μH0November12,2009材料物理:材料中的磁性5物质的磁性November12,2009材料物理:材料中的磁性6狭义上讲：磁性材料仅指铁磁性材料和亚铁磁性材料两种χ>>1，μ>>1的材料。今后我们都是采用狭义的定义November12,2009材料物理:材料中的磁性7为什么材料会有抗磁性、顺磁性、反铁磁性、亚铁磁性、

4、铁磁性这些不同呢？为了回答这个问题，首先需要了解物质磁性的起源及其特点。November12,2009材料物理:材料中的磁性82.物质的磁性起源1.基本命题：磁及磁现象的根源是电流，或者说磁及磁现象的根源是电荷的运动。此命题揭示了磁性的电流本质。2．孤立原子的磁性原子—原子核（包括中子、质子等）。核外电子。核磁场－很弱、忽略不计。November12,2009材料物理:材料中的磁性9原子结构November12,2009材料物理:材料中的磁性10▌核外电子的运动与磁矩：（1）轨道运动、产生轨道磁矩。根据量子力学的计算，电子轨道运动的所产生

5、的轨道磁矩为，μ=ι(ι+1)μιB式中l称为轨道角量子数，它可以取0，1,2,3,….,（n-1）个值。μ称为波尔磁子，B-24-2μ＝9.2732×10Am,是磁矩的最小单位BNovember12,2009材料物理:材料中的磁性11November12,2009材料物理:材料中的磁性12（2）自旋运动所产生自旋磁矩。μ=s(s+1)μsBs称为自旋量子数。November12,2009材料物理:材料中的磁性13(3)原子磁矩原子磁矩是电子轨道磁矩与自旋磁矩的总和。对于一被填满的子壳层中，总的轨道磁矩和自旋磁矩都分别等于零，只有在未被填

6、满的子壳层中它们才有可能不等于零。November12,2009材料物理:材料中的磁性14（4）原子的磁矩的两种情况：a.原子无磁矩――――――抗磁性b.原子有磁矩――――――顺磁性、反铁磁性、铁磁性、亚铁磁性November12,2009材料物理:材料中的磁性15(5)3d过渡金属和4f稀土金属的磁矩对于3d过渡金属和4f稀土金属，原子磁矩为，μ=gJ(J+1)μJJB式中g称为郎德（Lande）因子；J为原子J的总角量子数；L为原子的总轨道角量子数，S为原子总的自旋量子数。J(J+1)−S(S+1)−L(L+1)g=J2J(J+1)N

7、ovember12,2009材料物理:材料中的磁性16表23d过渡元素孤立离（原）子的磁矩离子JLSμ计μ实金属JJ算值验值磁性Sc＋3/221/21.55－顺磁性Ti2＋2311.63－顺磁性V2＋3/233/20.773.8顺磁性Cr3＋3/233/20.773.7反铁磁性Fe2＋4226.705.4铁磁性Co2＋9/233/26.644.8铁磁性Ni2＋4315.593.2铁磁性Cu2＋5/221/23.551.9反铁磁性Zn2＋00000反铁磁性November12,2009材料物理:材料中的磁性17为什么在原子有磁矩的情况下，物

8、质会有顺磁性、亚铁磁性、反铁磁性、铁磁性等不同的表现呢？这主要是由于在由原子构成单质时，原子与原子之间会产生相互作用，相互作用的情况不同，从而物质的磁性表现也不相同。November12,20