材料磁化率的测定-2012.pdf

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1、《材料磁化率的测定》材料学院2009级无机非方向2012-01材料磁化率的测定一、磁性材料的应用固体的磁性很早就被人们所注意，并为人们所利用。我国早在公元前3世纪的《吕氏春秋》中就有详细的记载。固体磁性材料(强磁性材料)在当前科学技术及国民经济中也有十分广泛的应用。磁性材料具有能量转换、存储或改变能量状态的功能，是重要的功能材料。2010年统计，全球磁性材料的产值预计为1000亿美元，且每年以15％左右的速度增长。磁性材料主要用作变压器中的铁芯；用来记录声音、图像及各种数据信息的磁带、磁盘；微波线路中适用的隔离器等。另外，各种磁共振技

2、术在化学、医学、生物学等科技领域也有着十分重要的作用。固体中的很多磁学现象都直接与固体材料的结构以及固体中的电子、原子运动状态有关，而且还深刻地反映了固体中微观粒子运动状态的量子效应。因此，对固体磁性的研究可以获得许多有关固体材料内的物质结构以及固体中各种微观粒子间相互作用的信息，并由此更深刻地了解物质的本性。二、物质磁性的来源物质的磁性与组成它的原子、离子或分子的微观结构有关，自由原子的磁矩有三个主要来源：1.电子所固有的自旋2.电子绕核旋转的轨道角动量3.外加磁场感生的轨道距改变在反磁性物质中，由于电子自旋已配对，故无永久磁矩。但

3、是内部电子的轨道运动，在外磁场作用下产生的拉摩进动，会感生出一个与外磁场方向相反的诱导磁矩，所以表示出反磁性。在顺磁性物质中，存在自旋未配对电子，所以具有永久磁矩。在外磁场中，永久磁矩顺着外磁场方向排列，产生顺磁性。三、实验的目的：¢了解某些材料的磁化率，掌握测量磁化率的实验原理¢学会用古埃法测定材料的磁化率，并计算出其顺磁性原子的未配对电子数任课教师：郑伟宏吕明1《材料磁化率的测定》材料学院2009级无机非方向2012-01四、基本概念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，各磁矩有规则取向，使

4、磁介质宏观显示磁性，这就是磁化。磁化强度(I)是单位体积内的磁矩(M)的多少，表征物质被磁化的程度，单位为特斯拉(T)。B=μ()()H+I=μH+kH=μ(1+k)H=μμH0000-7其中，μ0=4π×10H/m(无量纲)μr—相对磁导率k=μ-1定义为介质的体积磁化率，反映单位体积内材料的磁化能力，无量纲，取决于材料的成分、晶体结构和温度有关，是表征物质磁性的重要本征参数。通常分为单位质量磁化率χ和摩尔质量磁化率χM。分别定义为：任课教师：郑伟宏吕明2《材料磁化率的测定》材料学院2009级无机非方向2012-01kkχ=和χ=M

5、Mρρ磁化率为负的物质称为反磁性，磁化率为正的物质称为顺磁性。顺磁性顺磁性是指磁化方向与外磁场方向相同所产生的效应。产生的原因主要是物质(原子、离子、分子)的固有磁矩随着外磁场方向而转动。摩尔顺磁磁化率可表示为：2NμAmχ=p3KT其中，μm——分子磁矩；NA——阿佛加德罗常数；K——波耳兹曼常数；T——绝对温度。-4-3顺磁性的磁化率>0，数量级一般为10～10左右。反磁性反磁性是指物质磁化方向和外磁场方向相反而产生的磁效应。产生反磁性的原因是：电子的拉摩进动产生一个与外磁场方向相反的诱导磁矩。反磁性是普遍存在的。摩尔反磁磁化率可

6、表示为：2NeA2χD=2∑ri6mCi其中，e——电子电荷；m——电子质量；C——光速；ri——电子离核的距离-6-3反磁性的磁化率<0，数量级一般为10～10左右。在无机非金属材料中：·普通玻璃只具有微弱的磁性，经过玻璃的磁通与真空相比有所衰减，可见玻璃略受磁场排斥。·一些以氧化铁为主要成分的陶瓷材料属于磁性化合物，具有较强的磁性。五、测试原理古埃(Gouy)磁天平的特点是结构简单，灵敏度高。用古埃磁天平法测量物质的磁化率，从而可求得永久磁矩和未成对电子数，这对研究物质结构具有重要意义。用古埃磁天平测定物质的磁化率时，将装有样品的

7、圆柱形玻璃管悬挂在分析天平的一个臂上，使样品底部处于电磁铁两极的中心，即处于磁场强度最大的区域（磁场强度H的最大处），样品的顶端离磁场中心较远，磁场强度很弱(磁场强度很弱的H0)，整个样品处∂H于一个非均匀的磁场中。由于沿样品轴心方向z存在一磁场梯度，故样品沿z方向受∂z到磁力dF的作用：任课教师：郑伟宏吕明3《材料磁化率的测定》材料学院2009级无机非方向2012-01∂HdF=κAHdz∂z式中：κ——体积磁化率A——柱形样品的截面积对顺磁性物质，作用力指向场强最大的方向，反磁性物质则指向场强最弱的方向中。若不考虑样品管周围介质和

8、的影响，积分得到作用在整个样品管上的力为：12F=κHA(H0忽略不计)2当样品受到磁场的作用力时，天平的另一臂上加减砝码使之平衡，设ΔW为施加磁场前后的质量差，则12F=κHA=gΔW2式中：g为重力加速度。又样品质量