材料物理性能測試技術(shù)講課-磁學(xué)特性

1、是一簇新興的基礎(chǔ)功能材料。廣泛應(yīng)用于電工、電是一簇新興的基礎(chǔ)功能材料。廣泛應(yīng)用于電工、電子和計算機(jī)等技術(shù)中。子和計算機(jī)等技術(shù)中。我國在世界上最先發(fā)明磁石可作為指示方向和校正時間的應(yīng)用我國在世界上最先發(fā)明磁石可作為指示方向和校正時間的應(yīng)用, 在在韓非子韓非子和東漢王充著的和東漢王充著的論衡論衡兩書中所提到的兩書中所提到的“司南司南”就是指此。公元就是指此。公元17世紀(jì)，英國的吉爾伯特發(fā)表了世界上第一部世紀(jì)，英國的吉爾伯特發(fā)表了世界上第一部磁學(xué)專著磁學(xué)專著論磁石論磁石，18世紀(jì)，瑞典科學(xué)家在磁學(xué)著作中對磁世紀(jì)，瑞典科學(xué)家在磁學(xué)著作中對磁性材料的磁化作用進(jìn)行了大膽的描繪性材料的磁化作用進(jìn)行了大膽的描

2、繪 。19世紀(jì)，近代物理學(xué)大發(fā)展，電流的磁效應(yīng)、電磁感應(yīng)等相繼世紀(jì)，近代物理學(xué)大發(fā)展，電流的磁效應(yīng)、電磁感應(yīng)等相繼被發(fā)現(xiàn)和研究。被發(fā)現(xiàn)和研究。19世紀(jì)末居里發(fā)現(xiàn)了抗磁物質(zhì)磁化率不隨溫度變化及一些順磁世紀(jì)末居里發(fā)現(xiàn)了抗磁物質(zhì)磁化率不隨溫度變化及一些順磁物質(zhì)磁化率與溫度成反比的居里定律。奈爾提出反鐵磁性和亞物質(zhì)磁化率與溫度成反比的居里定律。奈爾提出反鐵磁性和亞鐵磁性。鐵磁性。20世紀(jì)初朗之萬用經(jīng)典統(tǒng)計理論證明了居里定律，外斯提出世紀(jì)初朗之萬用經(jīng)典統(tǒng)計理論證明了居里定律，外斯提出分子場自發(fā)磁化的假說與磁疇的概念，奠定了現(xiàn)代磁學(xué)的基礎(chǔ)。分子場自發(fā)磁化的假說與磁疇的概念，奠定了現(xiàn)代磁學(xué)的基礎(chǔ)。法拉第電磁

3、感應(yīng)法拉第電磁感應(yīng)居里（居里（P Curie）近近20年，磁記錄材料和磁光記錄材料正在迅猛發(fā)展。在多層膜年，磁記錄材料和磁光記錄材料正在迅猛發(fā)展。在多層膜中發(fā)現(xiàn)巨磁電阻以來，自旋相關(guān)導(dǎo)電等新材料及器件不斷發(fā)展中發(fā)現(xiàn)巨磁電阻以來，自旋相關(guān)導(dǎo)電等新材料及器件不斷發(fā)展有機(jī)鐵磁體、有機(jī)鐵磁體、C60化合物鐵磁體和室溫下鐵磁體半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)化合物鐵磁體和室溫下鐵磁體半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)預(yù)示了磁學(xué)與磁性材料的發(fā)展前景。預(yù)示了磁學(xué)與磁性材料的發(fā)展前景。量子力學(xué)的出現(xiàn)使人們開始把物質(zhì)磁性的認(rèn)識建立在原子及電子量子力學(xué)的出現(xiàn)使人們開始把物質(zhì)磁性的認(rèn)識建立在原子及電子的基礎(chǔ)上，海森伯用靜電性的交換作用對鐵磁體的分子場性質(zhì)給

4、的基礎(chǔ)上，海森伯用靜電性的交換作用對鐵磁體的分子場性質(zhì)給出了正確的解釋，揭開了現(xiàn)代磁學(xué)的篇章。出了正確的解釋，揭開了現(xiàn)代磁學(xué)的篇章。20世紀(jì)世紀(jì)50年代，鐵氧體為代表的亞鐵磁體的發(fā)現(xiàn)，改變了年代，鐵氧體為代表的亞鐵磁體的發(fā)現(xiàn)，改變了100多多年來金屬鐵磁性材料獨占強(qiáng)磁體領(lǐng)域的局面。強(qiáng)磁材料的研究及年來金屬鐵磁性材料獨占強(qiáng)磁體領(lǐng)域的局面。強(qiáng)磁材料的研究及應(yīng)用發(fā)展到高頻和微波領(lǐng)域。非晶合金磁性的發(fā)展，開拓了優(yōu)質(zhì)應(yīng)用發(fā)展到高頻和微波領(lǐng)域。非晶合金磁性的發(fā)展，開拓了優(yōu)質(zhì)軟磁材料的領(lǐng)域。軟磁材料的領(lǐng)域。海森伯（海森伯（W K heisenberg)永磁鐵氧體永磁鐵氧體材料的磁化現(xiàn)象及磁學(xué)基本量材料的磁化

5、現(xiàn)象及磁學(xué)基本量 鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)的特性鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)的特性 （靜態(tài)磁特性）（靜態(tài)磁特性）磁性材料的動態(tài)特性磁性材料的動態(tài)特性磁性測量磁性測量 抗磁與順磁材料磁化率的測量抗磁與順磁材料磁化率的測量 鐵磁體材料的直流磁性測量鐵磁體材料的直流磁性測量 鐵磁體材料的交流磁性測量鐵磁體材料的交流磁性測量 材料的磁化現(xiàn)象及磁學(xué)基本量材料的磁化現(xiàn)象及磁學(xué)基本量 磁磁 場：場：由運(yùn)動電荷由運(yùn)動電荷(或電流或電流)產(chǎn)生在空間連產(chǎn)生在空間連續(xù)分布的一種物質(zhì)續(xù)分布的一種物質(zhì)宏觀性能：在場內(nèi)運(yùn)動的電荷會受到作用力宏觀性能：在場內(nèi)運(yùn)動的電荷會受到作用力任何有限尺寸的物體處于磁場中，都會使它任何有限尺寸的物體

6、處于磁場中，都會使它所占有的空間的磁場發(fā)生變化，這是由于磁所占有的空間的磁場發(fā)生變化，這是由于磁場的作用使物質(zhì)表現(xiàn)出一定的磁性，這種現(xiàn)場的作用使物質(zhì)表現(xiàn)出一定的磁性，這種現(xiàn)象稱為象稱為磁化磁化 FqvB F：運(yùn)動電荷 q 受到的力；q：電荷量； v：電荷運(yùn)動速度； 磁性：磁性：物質(zhì)的一種基本屬性，正像物質(zhì)具物質(zhì)的一種基本屬性，正像物質(zhì)具有質(zhì)量一樣，它的特征是：物質(zhì)在非均勻有質(zhì)量一樣，它的特征是：物質(zhì)在非均勻磁場中要受到磁力的作用。在具有梯度的磁場中要受到磁力的作用。在具有梯度的磁場中，物質(zhì)受力的大小和方向反映著物磁場中，物質(zhì)受力的大小和方向反映著物質(zhì)磁性的特征質(zhì)磁性的特征一切物質(zhì)均有磁性。通常

7、所謂的磁性材料與非磁性材料，實際一切物質(zhì)均有磁性。通常所謂的磁性材料與非磁性材料，實際上是指強(qiáng)磁性及弱磁性材料。上是指強(qiáng)磁性及弱磁性材料。電磁學(xué)中關(guān)于物質(zhì)磁化的理論可以用兩種電磁學(xué)中關(guān)于物質(zhì)磁化的理論可以用兩種不同的觀點來描述：分子電流觀點和等效不同的觀點來描述：分子電流觀點和等效磁荷觀點磁荷觀點 。 磁介質(zhì)：磁場作用下磁化，并影響磁場分布磁介質(zhì)：磁場作用下磁化，并影響磁場分布的物質(zhì)的物質(zhì)mPMVmjJV0JM一環(huán)形電流周圍的磁場，猶如一條形磁鐵一環(huán)形電流周圍的磁場，猶如一條形磁鐵的磁場。環(huán)形電流在其運(yùn)動中心處產(chǎn)生一的磁場。環(huán)形電流在其運(yùn)動中心處產(chǎn)生一個磁矩個磁矩m（或稱磁偶極矩），其周圍磁場

8、（或稱磁偶極矩），其周圍磁場情況與環(huán)形電流和條形磁鐵的磁場相同。情況與環(huán)形電流和條形磁鐵的磁場相同。一個環(huán)形電流的磁矩定義為：一個環(huán)形電流的磁矩定義為： ISm I為環(huán)形電流的強(qiáng)度；為環(huán)形電流的強(qiáng)度；S為環(huán)流所包圍的面積；為環(huán)流所包圍的面積；m的方向可用右手定則來確定的方向可用右手定則來確定 在沒有外磁場作用時，各分子環(huán)流取向雜在沒有外磁場作用時，各分子環(huán)流取向雜亂無章，它們的磁距相互抵消，不顯示宏亂無章，它們的磁距相互抵消，不顯示宏觀磁性觀磁性 S,m的方向與電流方向構(gòu)成右手螺旋的方向與電流方向構(gòu)成右手螺旋ISm 永磁體總是同時出現(xiàn)偶數(shù)個磁極。思考：磁體內(nèi)、外部H和B的取向有無不同？磁體無限

9、小時，體系定義為磁偶極子偶極矩： 方向：-m指向+m單位：Wbm+m-mlljmm用環(huán)形電流描述磁偶極子： 磁矩： 單位：A m2 二者的物理意義： 表征磁偶極子磁性強(qiáng)弱與方向Aim170mH104ommj 電子的軌道運(yùn)動相當(dāng)于一個恒定的電流回路，必有一個磁矩（軌道磁矩），但自旋也會產(chǎn)生磁矩（自旋磁矩），自旋磁矩是基本粒子的固有磁矩。將磁矩將磁矩m放入磁感應(yīng)強(qiáng)放入磁感應(yīng)強(qiáng)度為度為B的磁場中，它將受的磁場中，它將受到磁場力的作用而產(chǎn)生到磁場力的作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，其所受到的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩，其所受到的轉(zhuǎn)矩為為 ： BmT此轉(zhuǎn)矩力圖使磁矩此轉(zhuǎn)矩力圖使磁矩m處處于位能最低的方向。磁于位能最低的方向。磁矩與外加磁

10、場的作用能矩與外加磁場的作用能成為成為靜磁能靜磁能。處于磁場。處于磁場中某方向的磁矩，所具中某方向的磁矩，所具有的靜磁能為：有的靜磁能為：BmU分析磁體相互作用，以及在磁場中所處狀態(tài)是否穩(wěn)定的依據(jù)分析磁體相互作用，以及在磁場中所處狀態(tài)是否穩(wěn)定的依據(jù) HmJ =00 ，T最小，處于穩(wěn)定狀態(tài) 0，LT0，不穩(wěn)定，會使磁體轉(zhuǎn)到與H方向一致，這就要做功，相當(dāng)于使磁體在H中位能降低。當(dāng)物體受外加磁場的作用被磁化后，便會當(dāng)物體受外加磁場的作用被磁化后，便會表現(xiàn)出一定的磁性。實際上，物體的磁化表現(xiàn)出一定的磁性。實際上，物體的磁化并不改變原子固有磁矩的大小，而是改變并不改變原子固有磁矩的大小，而是改變了它們的

11、取向。了它們的取向。 幾個概念幾個概念磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度 H磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度 M磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度 B磁化率磁化率 明確和統(tǒng)一明確和統(tǒng)一相關(guān)物理量的定義、符號、單相關(guān)物理量的定義、符號、單位及相關(guān)公式，建立起我們深入學(xué)習(xí)的平位及相關(guān)公式，建立起我們深入學(xué)習(xí)的平臺；臺；歸納和總結(jié)歸納和總結(jié)物質(zhì)磁性的宏觀表現(xiàn)，明物質(zhì)磁性的宏觀表現(xiàn)，明確本課程要解決的問題。確本課程要解決的問題。磁場強(qiáng)度 H 與與磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 均為描述空間任意一點的磁場參量（矢量）032141,krrmmkFmFH其中磁場強(qiáng)度H ：靜磁學(xué)定義H為單位點磁荷在該處所受的磁場力的大小，方向與正磁荷在該處所受磁場力方向一致。 歷史上曾用

12、磁荷受力來定義磁場，所以先有了磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度的定義，在確定用運(yùn)動電荷受力確定磁場后，就只能選用磁通密磁通密度（磁感應(yīng)強(qiáng)度）度（磁感應(yīng)強(qiáng)度）來表述磁場了。均為描述空間任意一點的磁場參量（矢量） 實際應(yīng)用中，往往用實際應(yīng)用中，往往用電流產(chǎn)生磁場電流產(chǎn)生磁場，并，并規(guī)定規(guī)定H H的單位在的單位在SISI制中，用制中，用1A1A的電流通過直的電流通過直導(dǎo)線，在距離導(dǎo)線導(dǎo)線，在距離導(dǎo)線r r= = 米處，磁場強(qiáng)度即米處，磁場強(qiáng)度即為為1A 1A / /m m。 21常見的幾種電流產(chǎn)生磁場的形式為：1、無限長載流直導(dǎo)線：方向是切于與導(dǎo)線垂直的且以導(dǎo)線為軸的圓周2、直流環(huán)形線圈圓心：r為環(huán)形圓圈半徑，方向

13、由右手螺旋法則確定。3、無限長直流螺線管：n：單位長度的線圈匝數(shù)，方向沿螺線管的軸線方向rIH2rIH2nIH （描述宏觀磁體磁性強(qiáng)弱程度） 單位體積的磁體內(nèi),所有磁偶極矩的 jm或磁矩m的矢量和 ，分別為： 磁極化強(qiáng)度：)(2mWbVmjJ磁 化 強(qiáng) 度：)m(A1VmMMJj0m0m二者物理意義：描述磁體被磁化的方向與強(qiáng)度比磁化強(qiáng)度（單位質(zhì)量磁體內(nèi)具有的磁矩矢量和）emu/g1kgmA1emu/g(CGS)(SI)kgmA/11-21-2dVdMmHMm)(0MHB 0為真空磁導(dǎo)率，它等于為真空磁導(dǎo)率，它等于410-7H m1 SI制中，JHBHBMJBMHMHB000000,)(ii則：

14、令單位：B：T或Wbm2； H：A/m； M：A/m； J： Wbm2 沒有磁介質(zhì)存在（M = 0）只有傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場時，表述磁場的兩個物理量之間才存在著簡單關(guān)系： 空間總磁場是傳導(dǎo)電流傳導(dǎo)電流和磁化電流磁化電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度之矢量和。0BH 自由真空中M=0，B與H平行， 磁體內(nèi)部，B與H不一定平行，JHB0HB0物質(zhì)的磁化總是在外加磁場的作用下發(fā)生物質(zhì)的磁化總是在外加磁場的作用下發(fā)生的。因此，磁化強(qiáng)度與外加磁場強(qiáng)度和物的。因此，磁化強(qiáng)度與外加磁場強(qiáng)度和物質(zhì)本身的磁化特性有關(guān)質(zhì)本身的磁化特性有關(guān) HMH為外加磁場強(qiáng)度；為外加磁場強(qiáng)度； 系數(shù)系數(shù)稱為磁化率，它表征物質(zhì)磁化的難易程度稱為磁

15、化率，它表征物質(zhì)磁化的難易程度該關(guān)系中，磁化強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度是同量綱該關(guān)系中，磁化強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度是同量綱的，所以這里的磁化率是無量綱的，是一的，所以這里的磁化率是無量綱的，是一個純粹的數(shù)字個純粹的數(shù)字 應(yīng)注意到由于磁化強(qiáng)度定義為單位體積的磁應(yīng)注意到由于磁化強(qiáng)度定義為單位體積的磁矩，所以公式中的磁化率矩，所以公式中的磁化率 暗含著單位體積暗含著單位體積磁化率的意義磁化率的意義 在理論推導(dǎo)和測量中，常常使用另外兩種定在理論推導(dǎo)和測量中，常常使用另外兩種定義：義： 質(zhì)量磁化率：質(zhì)量磁化率： d 是材料密度是材料密度kgm-3 克分子磁化率：克分子磁化率： n 為每為每mol 物質(zhì)的量物質(zhì)的量mdmol

16、mnndHHHBM)HB0001)(令：（1 )B/0H (相對磁導(dǎo)率，表征磁體磁性、導(dǎo)磁性及磁化難易程度） 單位：T m/A或H/mSI制中,絕對磁導(dǎo)率：絕對B/H 絕對/ 0HBMHs HMB的不同定義1、起始磁導(dǎo)率iHBHilim0012、最大磁導(dǎo)率maxmax0max1HB3、振幅磁導(dǎo)率aaaHB01 4、增量磁導(dǎo)率HB015、可逆磁導(dǎo)率revlim0Hrev6、復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率 i所有磁導(dǎo)率的值都是H的函數(shù)：退磁場與退磁能量 1、退磁場 有限幾何尺寸的磁體在外磁場中被磁化后，表面將產(chǎn)生磁極，從而使磁體內(nèi)部存在與磁化強(qiáng)度M方向相反的一種磁場，起減退磁化的作用，稱為退磁場Hd。如果磁體還同時受

17、到外磁場的作用，這時磁性體內(nèi)部的有效磁場為： effexdHHH 退磁場與退磁能量 1、退磁場 Hd 的大小與磁體形狀及磁極強(qiáng)度有關(guān)。若磁化均勻，則Hd 也均勻，且與M成正比：其中N為退磁因子，只依賴于樣品的幾何形狀及所選取的坐標(biāo)。簡單幾何形狀磁體的退磁因子簡單幾何形狀磁體的退磁因子N對于旋轉(zhuǎn)橢球體，旋轉(zhuǎn)橢球形狀樣品的磁化是均勻的，我們對于旋轉(zhuǎn)橢球體，旋轉(zhuǎn)橢球形狀樣品的磁化是均勻的，我們選取坐標(biāo)系與橢球的主軸重合，則退磁場的三個分量可以表選取坐標(biāo)系與橢球的主軸重合，則退磁場的三個分量可以表示為：示為：1cbaNNNabcXYZ如果磁性體不是橢球形狀，即使在均勻外場中，磁化也是不均勻的，這時退磁

18、場的大小和方向隨位置而變，很難用退磁因子來表示dxxxdyyydzzzHN MHN MHN M 三個主軸方向退磁因子之和：旋轉(zhuǎn)橢球的極限情況：旋轉(zhuǎn)橢球的極限情況：由此可求出： 球 體：a=b=c，N=1/3 細(xì)長圓柱體：a=bc，Na = Nb = 0, Nc = 1 顯然，磁性體在磁化過程中，也將受到自身退磁場的作用，產(chǎn)生退磁場能退磁場能，它是在磁化強(qiáng)度逐步增加的過程中外界做功逐步積累起來的，單位體積單位體積內(nèi)退磁場能量：指磁體在它自身的退磁場能量：指磁體在它自身的Hd 中所具有的能量中所具有的能量000ddJMdddFHJHM 退磁能的存在是自發(fā)磁化后的強(qiáng)磁體出現(xiàn)磁疇的主要原因退磁場與退磁

19、能量退磁場與退磁能量20000021NMMNMMHMMddddF20220202/14/16/1zdyxddMFMMFMF薄圓板片：細(xì)長圓柱體：球體： 適用條件：磁體內(nèi)部均勻一致，磁化均勻。適用條件：磁體內(nèi)部均勻一致，磁化均勻。 形狀不同或沿不同的方向磁化時，形狀不同或沿不同的方向磁化時，F(xiàn)d也不同，這種因形狀也不同，這種因形狀不同而引起的能量各向異性的特征不同而引起的能量各向異性的特征形狀各向異性形狀各向異性。對于均勻材料制成的橢球樣品，容易得出;N 是磁化方向的退磁因子退磁場對樣品磁性能的影響是明顯的：退磁場對樣品磁性能的影響是明顯的：有退磁場是曲線傾斜 所有材料性能表給出的磁導(dǎo)率等數(shù)值都

20、是針對所有材料性能表給出的磁導(dǎo)率等數(shù)值都是針對有效磁有效磁場場的數(shù)值的數(shù)值，材料性能的實際測量中必須盡量克服退磁場的影響。磁學(xué)量磁學(xué)量國際單位制國際單位制高斯單位制高斯單位制換算關(guān)系換算關(guān)系磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度H安安/米（米（A/m）奧斯特（奧斯特（Oe）1A/m=410-3Oe磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度M安安/米（米（A/m）高斯高斯 (Gs)1A/m=10-3Gs磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B特斯拉（特斯拉（T）高斯高斯 (Gs)1T=104Gs磁化率磁化率 無量綱無量綱無量綱無量綱 國際國際4高斯高斯磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率 亨亨禮禮/米（米（H/m）無量綱無量綱1H/m=107(4 )-1 高斯高斯磁學(xué)量的單位制：使用

21、Gauss單位制時，此時，B的單位為G，H的單位為Oe，0=1G / Oe 式中M為磁極密度，單位為G，4M為磁通線的密度。SI制與Gauss制間的轉(zhuǎn)換 B：1G=10-4T H：103A m-1的H有4 Oe的值， 103/4 A m-1=79.577A m-1=1 Oe MHB4iBHB0和磁矩： 在Gauss單位制中0=1G / Oe ，則磁偶極矩與磁矩?zé)o差別，通稱為磁矩，單位為電磁單位（e.m.u） 1e.m.u(磁偶極矩) 4 1010 Wbm 1e.m.u(磁矩) 103A m2磁化強(qiáng)度： Gauss單位制中，磁極化強(qiáng)度（J）與磁化強(qiáng)度（M）相同，單位：G134A10G1T104G

22、1m：MJ來源于物質(zhì)原子中的電子來源于物質(zhì)原子中的電子，電子的軌道磁矩和自旋，電子的軌道磁矩和自旋磁矩磁矩電子軌道運(yùn)動產(chǎn)生電子軌道磁矩電子自旋產(chǎn)生電子自旋磁矩構(gòu)成原子的總磁矩物質(zhì)磁性的起源電子圍繞原子核的軌道運(yùn)動，產(chǎn)生一個非常小的磁場，形成電子圍繞原子核的軌道運(yùn)動，產(chǎn)生一個非常小的磁場，形成一個沿旋轉(zhuǎn)軸方向的磁矩，即軌道磁矩。一個沿旋轉(zhuǎn)軸方向的磁矩，即軌道磁矩。lzlBm Orbital Spin軌道磁矩軌道磁矩自旋磁矩自旋磁矩每個電子本身有自旋運(yùn)動產(chǎn)生一個沿自旋軸方向的磁矩，即每個電子本身有自旋運(yùn)動產(chǎn)生一個沿自旋軸方向的磁矩，即自旋磁矩。自旋磁矩。2szsBBm 原子中每個電子都可以看作是一

23、個小磁體，具有永久的軌原子中每個電子都可以看作是一個小磁體，具有永久的軌道磁矩和自旋磁矩。道磁矩和自旋磁矩。 一個原子的凈磁矩是所有電子磁矩的相互作用的矢量和，一個原子的凈磁矩是所有電子磁矩的相互作用的矢量和，又稱為本征磁矩或固有磁矩。又稱為本征磁矩或固有磁矩。 電子對的軌道磁矩相互對消，自旋磁矩也可能相互對消，電子對的軌道磁矩相互對消，自旋磁矩也可能相互對消，所以當(dāng)所以當(dāng)原子原子電子層電子層或次或次層層完全填滿：磁矩完全填滿：磁矩為為零零。如。如He, Ne, He, Ne, ArAr以及某些以及某些離子離子材料材料。l大多數(shù)自轉(zhuǎn)方向不同的電子，雖然電子的磁矩不能抵消，導(dǎo)大多數(shù)自轉(zhuǎn)方向不同的

24、電子，雖然電子的磁矩不能抵消，導(dǎo)致整個原子具有一定的總磁矩。但原子磁矩之間沒有相互作致整個原子具有一定的總磁矩。但原子磁矩之間沒有相互作用，它們是混亂排列的，所以整個物體沒有磁性。用，它們是混亂排列的，所以整個物體沒有磁性。l少數(shù)物質(zhì)少數(shù)物質(zhì)(如如Fe、Co、Ni），原子內(nèi)部電子的磁矩沒有抵消，），原子內(nèi)部電子的磁矩沒有抵消，整個原子具有總的磁矩。同時，由于整個原子具有總的磁矩。同時，由于“交換作用交換作用”的機(jī)理，的機(jī)理，原子磁矩整齊地排列起來，整個物體具有磁性。原子磁矩整齊地排列起來，整個物體具有磁性。無交換相互作用交換相互作用間接直接 超量子力學(xué)效應(yīng)全同粒子介質(zhì)方程：給出磁化狀態(tài)和磁場的

25、關(guān)系物質(zhì)的磁化率可以是溫度或/和磁場的函數(shù)磁化率的正負(fù)和大小反映出物質(zhì)磁性的特征。HM根據(jù)物質(zhì)的磁化率，根據(jù)物質(zhì)的磁化率，可以把物質(zhì)的磁性傳可以把物質(zhì)的磁性傳統(tǒng)大致分為五類。按統(tǒng)大致分為五類。按各類磁體磁化強(qiáng)度各類磁體磁化強(qiáng)度M與磁場強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度H的關(guān)系，的關(guān)系，可做出其磁化曲線可做出其磁化曲線 MH-物質(zhì)的磁化率HM五類磁介質(zhì)的磁化曲線五類磁介質(zhì)的磁化曲線抗磁抗磁反鐵磁反鐵磁順磁順磁亞鐵磁亞鐵磁鐵磁鐵磁 分類是否科學(xué)取決于是否反映了內(nèi)在磁性機(jī)理上的不同。隨著研究的深入，分類也在不斷完善和細(xì)化，到上個世紀(jì) 70 年代為止，在晶狀固體里，共發(fā)現(xiàn)了五種主要類在晶狀固體里，共發(fā)現(xiàn)了五種主要類型的磁

26、結(jié)構(gòu)物質(zhì)型的磁結(jié)構(gòu)物質(zhì)，它們的形成機(jī)理和宏觀特征各不相同，對它們的成功解釋形成了今天的磁性物理學(xué)核心內(nèi)容。對它們的成功解釋形成了今天的磁性物理學(xué)核心內(nèi)容。 上世紀(jì) 70 年代以后，隨著非晶材料非晶材料和納米材料納米材料的興起，又發(fā)現(xiàn)了一些新的磁性類型，對它們的研究尚在深化之中，課程只做初步介紹。固體磁性原子、離子的磁矩（順、抗磁）晶體結(jié)構(gòu)和晶場類型（自旋、軌道貢獻(xiàn)）相鄰原子、電子間的相互作用（磁有序）使磁場減弱的物質(zhì)，成為抗使磁場減弱的物質(zhì)，成為抗磁磁性物質(zhì)性物質(zhì)出現(xiàn)在沒有原子磁出現(xiàn)在沒有原子磁矩的材料中，其抗磁磁化率是矩的材料中，其抗磁磁化率是負(fù)的，而且很小負(fù)的，而且很小。 -10-5 ,

27、與與H、T無關(guān)（無關(guān)（例外：反?？勾朋w例外：反?？勾朋w）對于電子殼層被填滿的物質(zhì)，對于電子殼層被填滿的物質(zhì)，其磁矩為零。在外磁場作用下，其磁矩為零。在外磁場作用下，電子運(yùn)動將產(chǎn)生一個附加的運(yùn)電子運(yùn)動將產(chǎn)生一個附加的運(yùn)動（由電磁感應(yīng)定律而定），動（由電磁感應(yīng)定律而定），出現(xiàn)附加角動量，感生出與出現(xiàn)附加角動量，感生出與H反向的磁矩。反向的磁矩。實例：惰性氣體、許多有機(jī)化合物、實例：惰性氣體、許多有機(jī)化合物、某些金屬（某些金屬（Bi、Zn、Ag、Mg）、）、非金屬（如：非金屬（如：Si、P、S）d1TO由于電子的循軌運(yùn)動在外磁由于電子的循軌運(yùn)動在外磁場的作用下產(chǎn)生了抗磁磁距場的作用下產(chǎn)生了抗磁磁距所

28、造成的，而不是電子的所造成的，而不是電子的軌道磁距和自旋磁距產(chǎn)生的。軌道磁距和自旋磁距產(chǎn)生的。 在外加磁場作用下，電子的在外加磁場作用下，電子的循規(guī)運(yùn)動產(chǎn)生一個附加磁距循規(guī)運(yùn)動產(chǎn)生一個附加磁距，其方向總是和外加磁場，其方向總是和外加磁場的方向相反，因而產(chǎn)生了抗的方向相反，因而產(chǎn)生了抗磁性磁性 在與外磁場相反的方向誘導(dǎo)出磁化強(qiáng)度的現(xiàn)在與外磁場相反的方向誘導(dǎo)出磁化強(qiáng)度的現(xiàn)象稱為抗磁性。象稱為抗磁性。 它出現(xiàn)在沒有原子磁矩的材料中，其抗它出現(xiàn)在沒有原子磁矩的材料中，其抗磁磁化率是負(fù)的，而且很小，磁磁化率是負(fù)的，而且很小， -10-5。e iM取兩個電子，設(shè)其循軌運(yùn)動的平面是和磁場取兩個電子，設(shè)其循軌

29、運(yùn)動的平面是和磁場H的方的方向垂直，而與循軌運(yùn)動的方向相反，如圖所示向垂直，而與循軌運(yùn)動的方向相反，如圖所示 在無外加磁場時，電子的循軌運(yùn)動相當(dāng)一個閉合在無外加磁場時，電子的循軌運(yùn)動相當(dāng)一個閉合電流，由此而產(chǎn)生的磁距電流，由此而產(chǎn)生的磁距 22re電子在作循軌運(yùn)動時，必然要受到一個向心力電子在作循軌運(yùn)動時，必然要受到一個向心力k，見，見圖圖a。當(dāng)加上一個磁場之后，電子在磁場的作用下將。當(dāng)加上一個磁場之后，電子在磁場的作用下將產(chǎn)生一個附加力產(chǎn)生一個附加力 k， k又稱為洛侖茲力，其方向和又稱為洛侖茲力，其方向和k的方向是一致的。這種情況無疑地等于使向心力得的方向是一致的。這種情況無疑地等于使向心

30、力得到增加，總的向心力為到增加，總的向心力為k k。 2mrk 可以認(rèn)為可以認(rèn)為m和和r是不變的，這樣只能設(shè)是不變的，這樣只能設(shè)想，當(dāng)向心力增加時，必然導(dǎo)致電子循想，當(dāng)向心力增加時，必然導(dǎo)致電子循軌運(yùn)動的角速度軌運(yùn)動的角速度 發(fā)生變化發(fā)生變化 增加一個增加一個， l增加一個增加一個，與軌道磁距與軌道磁距 l的的方向相同，但與外磁場的方向相反方向相同，但與外磁場的方向相反 22re既然抗磁性是由電子在軌道運(yùn)動中產(chǎn)生的，既然抗磁性是由電子在軌道運(yùn)動中產(chǎn)生的，而任何物質(zhì)都存在電子的軌道運(yùn)動，故可以而任何物質(zhì)都存在電子的軌道運(yùn)動，故可以說任何物質(zhì)在外加磁場的作用下都要產(chǎn)生抗說任何物質(zhì)在外加磁場的作用下

31、都要產(chǎn)生抗磁性。但應(yīng)注意，并不能說任何物質(zhì)都是抗磁性。但應(yīng)注意，并不能說任何物質(zhì)都是抗磁性物質(zhì)。磁性物質(zhì)。因為原子在外磁場作用下除了產(chǎn)生抗磁磁距因為原子在外磁場作用下除了產(chǎn)生抗磁磁距之外，還有軌道和自旋磁距產(chǎn)生順磁磁距。之外，還有軌道和自旋磁距產(chǎn)生順磁磁距。在這種情況下只有那些抗磁性大于順磁性的在這種情況下只有那些抗磁性大于順磁性的物質(zhì)才成為抗磁性的物質(zhì)物質(zhì)才成為抗磁性的物質(zhì) 是一種很弱的、非永久性的磁性，只有在外磁是一種很弱的、非永久性的磁性，只有在外磁場存在時才能維持場存在時才能維持 許多金屬具有抗磁性，而且一般其抗磁磁化率不隨溫度變化 金屬抗磁性來源于導(dǎo)電電子。根據(jù)經(jīng)典理論，外加磁場不會

32、改變電子系統(tǒng)的自由能及其分布函數(shù)，因此磁化率為零。 經(jīng)典的圖象： 在外磁場作用下形成的環(huán)形電流在金屬的邊界上反射, 因而使金屬體內(nèi)的 抗磁性磁矩為表面“破折軌道”的反向磁矩抵消。 1、超導(dǎo)材料：在超導(dǎo)態(tài)，磁通密度、超導(dǎo)材料：在超導(dǎo)態(tài)，磁通密度B總是總是0，即使存在，即使存在外磁場外磁場H，也是如此，也是如此(邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng))。 2、一些有機(jī)化合物，例如苯環(huán)中的、一些有機(jī)化合物，例如苯環(huán)中的p電子像軌道電子電子像軌道電子那樣做園周運(yùn)動，苯環(huán)相當(dāng)于閉合殼層。當(dāng)磁場垂直于環(huán)作那樣做園周運(yùn)動，苯環(huán)相當(dāng)于閉合殼層。當(dāng)磁場垂直于環(huán)作用時，呈現(xiàn)很強(qiáng)的抗磁性，磁場平行于環(huán)面時沒有抗磁性。用時，呈現(xiàn)很強(qiáng)的

33、抗磁性，磁場平行于環(huán)面時沒有抗磁性。 3、在生物體內(nèi)的血紅蛋白中，同氧的結(jié)合情況與鐵、在生物體內(nèi)的血紅蛋白中，同氧的結(jié)合情況與鐵的電子狀態(tài)有關(guān)。無氧結(jié)合的狀態(tài)下，鐵離子顯示順磁性；的電子狀態(tài)有關(guān)。無氧結(jié)合的狀態(tài)下，鐵離子顯示順磁性；而在如動脈血那樣與氧相結(jié)合的狀態(tài)卻顯示抗磁性。而在如動脈血那樣與氧相結(jié)合的狀態(tài)卻顯示抗磁性。 例如血紅蛋白中的例如血紅蛋白中的Fe2+無氧配位無氧配位(靜脈血靜脈血)是高自旋態(tài)，是高自旋態(tài)，顯現(xiàn)順磁性；有氧配位顯現(xiàn)順磁性；有氧配位(動脈血動脈血)是低自旋態(tài)，顯現(xiàn)抗磁性。是低自旋態(tài)，顯現(xiàn)抗磁性。 幾種特殊材料的抗磁性如：稀土金屬和鐵族元素的鹽T順磁性0，居里外斯定律，

34、居里定律PPPTTCTCTd/ 1OTd/ 1O順磁性順磁性 順磁性物質(zhì)的原子或離子具有一定的磁矩順磁性物質(zhì)的原子或離子具有一定的磁矩，這些原子磁矩耒源于未滿的電子殼層(例如過渡族元素的3d殼層)。在順磁性物質(zhì)中，磁性原子或離子分開的很遠(yuǎn)，以致它們之間沒有明顯的相互作用，因而在沒有外磁場時，由于熱運(yùn)動的作在沒有外磁場時，由于熱運(yùn)動的作用，原子磁矩是無規(guī)混亂取向用，原子磁矩是無規(guī)混亂取向。當(dāng)有外磁場作用時，原子磁矩有沿磁場方向取向的趨勢，從而呈現(xiàn)出正的磁化率，其數(shù)量級為=10-510-2。順磁性順磁性順磁物質(zhì)的磁化率隨溫度的變化(T)有兩種類型:第一類遵從居里定律： =C/T C 稱為居里常數(shù)

35、第二類遵從居里-外斯定律： =C/(T-p) p稱為順磁居里溫度T ( K )1/1/p使磁場急劇增加的物質(zhì)，使磁場急劇增加的物質(zhì)，稱為稱為鐵磁性物質(zhì)鐵磁性物質(zhì)。物質(zhì)中原子有磁矩；原子物質(zhì)中原子有磁矩；原子磁矩之間有相互作磁矩之間有相互作 用。用。原子磁矩方向平行排列，原子磁矩方向平行排列，導(dǎo)致自發(fā)磁化。外磁場作導(dǎo)致自發(fā)磁化。外磁場作用下，快速趨向磁場方向，用下，快速趨向磁場方向，在磁場方向有很大的磁化在磁場方向有很大的磁化強(qiáng)度。磁化率強(qiáng)度。磁化率 是很大的是很大的正數(shù)，且于外磁場呈非線正數(shù)，且于外磁場呈非線性關(guān)系變化。性關(guān)系變化。 實例：實例：3d金屬金屬Fe，Co，Ni，4f金屬鋱、鉺、銩

36、、鈥、等金屬鋱、鉺、銩、鈥、等以及很多合金與化合物以及很多合金與化合物MT1/Tc鐵磁性P0Tc居里點P順磁居里點鐵磁性材料的原子磁矩在磁疇內(nèi)平行排列圖4-17 鐵磁性材料內(nèi)原子磁矩排列（a）溫度T大于居里溫度Tc；（b）溫度T小于居里溫度Tc亞鐵磁體有些象鐵磁亞鐵磁體有些象鐵磁體，但體，但 值沒有鐵磁體值沒有鐵磁體那樣大那樣大-鐵氧體鐵氧體內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)卻與反鐵內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)卻與反鐵磁性相同，但相反排磁性相同，但相反排列的磁矩大小不等量。列的磁矩大小不等量。故亞鐵磁性具有宏觀故亞鐵磁性具有宏觀磁性（未抵消的反鐵磁性（未抵消的反鐵磁性結(jié)構(gòu)的鐵磁性）。磁性結(jié)構(gòu)的鐵磁性）。 MTTc1/c亜鐵磁性0c補(bǔ)償

37、點Tc居里點m1TcTpTO亞鐵磁性材料中的A,B次晶格1948年法國物理學(xué)家奈耳（Neel）發(fā)現(xiàn)亞鐵磁和反鐵磁物質(zhì)，才明確了人類知道最早的Fe3O4是亞鐵磁物質(zhì)在亞鐵磁性材料中磁性離子A,B構(gòu)成兩個相互貫穿的次晶格A,B（簡稱A,B位）A次晶格上的原子磁矩如圖中箭頭方向所示相互平行排列，B次晶格上的原子磁矩也相互平行排列，但是他們的磁矩方向和A次晶格上的原子磁矩方向相反，大小不同這使得它們的磁矩在克服熱運(yùn)動的影響后，處于部分抵消的有序排列狀態(tài)，導(dǎo)致有自發(fā)磁化。亞鐵磁性物質(zhì)由磁矩大小不同的兩種離子（或原子）組成，屬絕緣體常見的亞鐵磁性物質(zhì)大部分是金屬的氧化物，是非金屬磁性材料。目前發(fā)現(xiàn)的亞鐵磁

38、體一般有磁鐵礦（Fe3O4）、鐵氧體（ferrite）等。鐵氧體指的是Fe2O3與2價金屬氧化物所組成的復(fù)雜氧化物，其分子式為MeOFe2O3，這里Me為鐵、鎳、鋅、鈷、鎂等2價金屬離子定值。不增反降，并逐漸趨于，但，服從afNppafNTTTTTCTT,0即在即在TTN（奈爾溫度）時，（奈爾溫度）時， af 最大。最大。反鐵磁體的反鐵磁體的 是小的正數(shù)，是小的正數(shù)，在溫度低于某一溫度時，在溫度低于某一溫度時，他的磁化率同磁場的取他的磁化率同磁場的取向有關(guān)；高于這個溫度，向有關(guān)；高于這個溫度，行為象順磁體行為象順磁體 NT0反鐵磁性N耐耳點只有在很強(qiáng)的外磁場作用下才能顯示只有在很強(qiáng)的外磁場作用

39、下才能顯示出微弱的磁性。出微弱的磁性。實例：過渡族元素的鹽類及化合物，實例：過渡族元素的鹽類及化合物，如如MnO，CrO, CoO等等反鐵磁晶體可以看做是兩個亞點陣組反鐵磁晶體可以看做是兩個亞點陣組成，每個亞點陣中相鄰電子因為受到成，每個亞點陣中相鄰電子因為受到負(fù)的交換作用而自旋呈反平行排列，負(fù)的交換作用而自旋呈反平行排列，此時磁矩雖處于有序狀態(tài)，這樣在反此時磁矩雖處于有序狀態(tài)，這樣在反鐵磁體中兩個亞點陣磁矩的方向相反鐵磁體中兩個亞點陣磁矩的方向相反而大小相等，因此反鐵磁體總的凈磁而大小相等，因此反鐵磁體總的凈磁矩在不受外場作用時仍為零矩在不受外場作用時仍為零值得注意的是，抗磁、順磁性、反鐵磁

40、物質(zhì)的磁值得注意的是，抗磁、順磁性、反鐵磁物質(zhì)的磁化率均可以近似的認(rèn)為是一個常數(shù)?；示梢越频恼J(rèn)為是一個常數(shù)。 鐵磁體和亞鐵磁體的磁化率則是磁場鐵磁體和亞鐵磁體的磁化率則是磁場H的函數(shù)的函數(shù)鐵磁體磁化率曲線表明，在不強(qiáng)的磁場鐵磁體磁化率曲線表明，在不強(qiáng)的磁場H下，鐵下，鐵磁體就會被激烈的磁化，并易于達(dá)到飽和。磁體就會被激烈的磁化，并易于達(dá)到飽和?？勾拧㈨槾?、反鐵磁屬于弱磁性；鐵磁與亞鐵磁抗磁、順磁、反鐵磁屬于弱磁性；鐵磁與亞鐵磁屬于強(qiáng)磁性屬于強(qiáng)磁性鐵磁性材料、亞鐵磁性材料和反鐵磁性材料的原子磁矩的特點是在磁疇內(nèi)平行或反平行排列，因此又統(tǒng)稱它們?yōu)榇庞行虿牧辖饘俚蔫F磁性金屬的鐵磁性物質(zhì)具有鐵磁

41、性的基本條件：物質(zhì)具有鐵磁性的基本條件： (1)物質(zhì)中的原子有磁矩；物質(zhì)中的原子有磁矩； (2)原子磁矩之間有相互作用。原子磁矩之間有相互作用。實驗事實：鐵磁性物質(zhì)在居里溫度以上是實驗事實：鐵磁性物質(zhì)在居里溫度以上是順磁性；順磁性；居里溫度以下原子磁矩間的相互居里溫度以下原子磁矩間的相互作用能大于熱振動能，顯現(xiàn)鐵磁性作用能大于熱振動能，顯現(xiàn)鐵磁性相互總用是什么？外斯分子場理論，1907年有效磁場導(dǎo)致近鄰自選平行排列-自發(fā)磁化 低溫M-H偏離嚴(yán)重？布洛赫自旋波理論：自旋波又稱為磁激子(magnon),它是固體中一種重要的元激發(fā)，是由局域自旋之間存在交換作用而引起的自旋玻璃態(tài)磁特性自旋玻璃態(tài)磁特性

42、 自旋玻璃態(tài)出現(xiàn)在磁稀釋的合金中，在那里磁性原子的自旋被振蕩的自旋玻璃態(tài)出現(xiàn)在磁稀釋的合金中，在那里磁性原子的自旋被振蕩的RKKY交換相互作用無規(guī)地凍結(jié)。從實驗上，覌察到交換相互作用無規(guī)地凍結(jié)。從實驗上，覌察到在弱磁場下，磁化率在弱磁場下，磁化率的溫度依賴性曲線上出現(xiàn)一個尖銳的最大值。而且在磁場冷卻情況下，磁的溫度依賴性曲線上出現(xiàn)一個尖銳的最大值。而且在磁場冷卻情況下，磁化率的尖銳極大值不再出現(xiàn)。在凍結(jié)溫度化率的尖銳極大值不再出現(xiàn)。在凍結(jié)溫度Tf以下，零場冷卻時自旋被無規(guī)以下，零場冷卻時自旋被無規(guī)凍結(jié)，加場冷卻時自旋在磁場方向被凍結(jié)凍結(jié)，加場冷卻時自旋在磁場方向被凍結(jié)。TM0混磁性零場冷卻磁場

43、冷卻0TTfH=0H0自旋玻璃Tf凍結(jié)溫度 自旋玻璃態(tài)出現(xiàn)在磁稀釋的合金中，在自旋玻璃態(tài)出現(xiàn)在磁稀釋的合金中，在弱磁場下，弱磁場下，磁化率的溫度依賴性曲線上出現(xiàn)磁化率的溫度依賴性曲線上出現(xiàn)一個尖銳的最大值。而且在磁場冷卻情況下，一個尖銳的最大值。而且在磁場冷卻情況下，磁化率的尖銳極大值不再出現(xiàn)磁化率的尖銳極大值不再出現(xiàn)。在凍結(jié)溫度。在凍結(jié)溫度Tf以下，零場冷卻時自旋被無規(guī)凍結(jié)，加場以下，零場冷卻時自旋被無規(guī)凍結(jié)，加場冷卻時自旋在磁場方向被凍結(jié)。冷卻時自旋在磁場方向被凍結(jié)。當(dāng)材料在沒有磁場作用下冷卻時，磁當(dāng)材料在沒有磁場作用下冷卻時，磁化強(qiáng)度在低溫急劇的下降；如果在磁化強(qiáng)度在低溫急劇的下降；如果

44、在磁場下冷卻，磁化強(qiáng)度在低溫處的下降場下冷卻，磁化強(qiáng)度在低溫處的下降消失消失自旋玻璃態(tài)磁特性自旋玻璃態(tài)磁特性 ( 1 ) (T)在在Tf 處表現(xiàn)出尖銳的極大值的峯，并且與磁場強(qiáng)度和交流處表現(xiàn)出尖銳的極大值的峯，并且與磁場強(qiáng)度和交流 磁磁 化率的測試頻率有關(guān)。化率的測試頻率有關(guān)。H0變得更尖銳。變得更尖銳。 ( 2 ) Tf 以上的溫度加磁場慢慢冷卻以上的溫度加磁場慢慢冷卻(磁場冷卻磁場冷卻)測定的測定的 ( T )與零場升與零場升 溫測定的溫測定的 ( T )顯著不同，尖峯消失。顯著不同，尖峯消失。 ( 3 ) Tf 隨磁性原子濃度增加而升高。隨磁性原子濃度增加而升高。 ( 4 ) 隨磁性原子

45、濃度繼續(xù)增加，體系變?yōu)榛齑判裕蜏乇憩F(xiàn)出自旋隨磁性原子濃度繼續(xù)增加，體系變?yōu)榛齑判?，低溫表現(xiàn)出自旋 玻玻 璃態(tài)，隨溫度升高到璃態(tài)，隨溫度升高到Tf 以上，不再是順磁性，而表現(xiàn)出鐵磁以上，不再是順磁性，而表現(xiàn)出鐵磁 性性(反鐵磁性反鐵磁性)。 ( 5 ) 磁性比熱磁性比熱CM( T )和電阻在和電阻在Tf 處沒有看見異常。處沒有看見異常。 ( 6 ) 中子衍射實驗在中子衍射實驗在Tf 以下沒有看到磁性的布拉格反射。但是可以以下沒有看到磁性的布拉格反射。但是可以 覌測到磁性散射。覌測到磁性散射。 ( 7 ) 穆斯堡爾譜的譜寬隨溫度變化明顯。穆斯堡爾譜的譜寬隨溫度變化明顯?；旎?磁磁 性性 在非磁性

46、基體中，慘雜磁性原子的濃度大于自旋玻璃的濃度，各種交在非磁性基體中，慘雜磁性原子的濃度大于自旋玻璃的濃度，各種交換相互作用混合的自旋系統(tǒng)。換相互作用混合的自旋系統(tǒng)。其典型的特征是，當(dāng)材料在沒有磁場作用下其典型的特征是，當(dāng)材料在沒有磁場作用下冷卻時，磁化強(qiáng)度在低溫急劇的下降；如果在磁場下冷卻，磁化強(qiáng)度在低冷卻時，磁化強(qiáng)度在低溫急劇的下降；如果在磁場下冷卻，磁化強(qiáng)度在低溫處的下降消失。其原因是由反鐵磁相互作用引起的磁化強(qiáng)度團(tuán)簇的反轉(zhuǎn)溫處的下降消失。其原因是由反鐵磁相互作用引起的磁化強(qiáng)度團(tuán)簇的反轉(zhuǎn)ABCDSASBSCSD在面心立方反鐵磁體中四個次晶格上的自旋矢量自旋玻璃自旋玻璃 在磁場下冷卻在磁場下

47、冷卻,磁化強(qiáng)度低溫下的下降消失，但是磁化強(qiáng)度低溫下的下降消失，但是磁滯回線沿磁滯回線沿H軸的軸的負(fù)方向有一個位移。這個現(xiàn)象是由鐵磁性自旋與相對于晶格為固定的負(fù)方向有一個位移。這個現(xiàn)象是由鐵磁性自旋與相對于晶格為固定的反鐵磁自旋間相互作用引起的反鐵磁自旋間相互作用引起的。例如：在面心立方晶格內(nèi)反鐵磁自旋。例如：在面心立方晶格內(nèi)反鐵磁自旋排列不是很固定，可以自由改變其自旋方向而不改變其交換能，也就排列不是很固定，可以自由改變其自旋方向而不改變其交換能，也就是說局域自旋排列容易被擾動，導(dǎo)致混磁性。是說局域自旋排列容易被擾動，導(dǎo)致混磁性。50PPm不均勻鐵磁性或反鐵磁性自旋玻璃態(tài)近藤效應(yīng)混磁性標(biāo)度區(qū)域

48、自旋玻璃、鐵磁性和反鐵磁性共存0.5at%10at%RKKY相互作用xce傳導(dǎo)電子隨著磁性雜質(zhì)含量的增加自旋狀態(tài)的變化以自旋玻璃為中心在非磁性基體中摻入磁性原子，隨濃度的逐漸增加，在非磁性基體中摻入磁性原子，隨濃度的逐漸增加，出現(xiàn)各種磁性現(xiàn)象。出現(xiàn)各種磁性現(xiàn)象。超順磁性超順磁性鐵磁性顆粒比單疇臨界尺寸更小時，熱運(yùn)動對粒子影鐵磁性顆粒比單疇臨界尺寸更小時，熱運(yùn)動對粒子影響很大，在一定溫度下，粒子的行為類似于順磁性，響很大，在一定溫度下，粒子的行為類似于順磁性，如果不加外磁場，它們將很快的失去剩磁狀態(tài)，這個如果不加外磁場，它們將很快的失去剩磁狀態(tài)，這個現(xiàn)象稱為超順磁性?，F(xiàn)象稱為超順磁性。超順磁性粒

49、子的磁化曲線必須無磁滯現(xiàn)象超順磁性粒子的磁化曲線必須無磁滯現(xiàn)象THCI其中其中C C為居里常數(shù)，因此不為居里常數(shù)，因此不同溫度下的磁化曲線如果以同溫度下的磁化曲線如果以H/TH/T為橫坐標(biāo)，則各曲線應(yīng)為橫坐標(biāo)，則各曲線應(yīng)相重合。相重合。 表示磁場強(qiáng)度表示磁場強(qiáng)度H與所感生的與所感生的B或或M之之 間的關(guān)系間的關(guān)系O點：H0、B0、M0 磁中性或原始退磁狀態(tài)OA段：近似線性，起始磁化階段AB段：較陡峭，表明急劇磁化HHm后，M逐漸趨于一定值MS（飽和磁化強(qiáng)度），而B則仍不斷增大(原因?)由BH（MH）曲線可求出或 從飽和磁化狀態(tài)開始，再使磁化場減小，從飽和磁化狀態(tài)開始，再使磁化場減小，B或或M不

50、再沿原不再沿原始曲線返回。當(dāng)始曲線返回。當(dāng)H0時，仍有一定的剩磁時，仍有一定的剩磁Br或或Mr。Ms稱為飽和磁化強(qiáng)度稱為飽和磁化強(qiáng)度磁化曲線上任何點磁化曲線上任何點B和相和相應(yīng)的應(yīng)的H的比值稱為磁導(dǎo)率的比值稱為磁導(dǎo)率 在磁化曲線起始部分的的在磁化曲線起始部分的的斜率，稱為起始磁導(dǎo)率，斜率，稱為起始磁導(dǎo)率，用用 i或或 a表示。技術(shù)上規(guī)表示。技術(shù)上規(guī)定在定在0.10.001Oe磁場磁場的磁導(dǎo)率為起始磁導(dǎo)率的磁導(dǎo)率為起始磁導(dǎo)率最大磁導(dǎo)率：是磁化最大磁導(dǎo)率：是磁化曲線拐點曲線拐點K處的斜率處的斜率 將一個鐵磁體試樣磁化至將一個鐵磁體試樣磁化至飽和，然后慢慢地減少飽和，然后慢慢地減少H，則則M也將減小

51、，這個過程也將減小，這個過程叫做退磁。但叫做退磁。但M并不按照并不按照磁化曲線反方向進(jìn)行，而磁化曲線反方向進(jìn)行，而是按照另一條曲線改變，是按照另一條曲線改變，見上圖中的見上圖中的BC段。當(dāng)段。當(dāng)H減減小導(dǎo)零時，小導(dǎo)零時，M=Mr（Mr為為剩余磁化強(qiáng)度）。如果要剩余磁化強(qiáng)度）。如果要使使M=0，則必須加上一個，則必須加上一個反向磁場反向磁場Hc，稱為，稱為矯頑力矯頑力。從磁滯回線上可以看到，從磁滯回線上可以看到，退磁過程中退磁過程中M的變化落后的變化落后與與H的變化，這種現(xiàn)象稱的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象為磁滯現(xiàn)象 BHC：使B0的Hc。MHC： M0時的Hc（內(nèi)稟矯頑力）一般| BHC | |

52、 MHC |當(dāng)反向磁場當(dāng)反向磁場H繼續(xù)增加時，最后又可以打到反向飽繼續(xù)增加時，最后又可以打到反向飽和，如再沿著正方向增加和，如再沿著正方向增加H，則又得到另一半曲線。，則又得到另一半曲線。從圖中可以看出，當(dāng)從圖中可以看出，當(dāng)H從從+Hm變到變到-Hm再變到再變到+Hm，試樣的磁化曲線形成一個封閉曲線，稱為，試樣的磁化曲線形成一個封閉曲線，稱為磁滯回線磁滯回線磁滯回線所包圍的面磁滯回線所包圍的面積表征磁化一周時所積表征磁化一周時所消耗的功，稱為磁滯消耗的功，稱為磁滯損耗損耗Q HdBQHc是表征材料在磁化后保持磁化狀態(tài)的能力。通常以Hc劃分軟磁、永磁、半永磁材料：之間介于mAmAmABB/101

53、0/108108/10810853532CCHH磁滯回線的第二象限為退磁滯回線的第二象限為退磁曲線（依據(jù)此考察硬磁磁曲線（依據(jù)此考察硬磁材料性能）材料性能）,(BH)為磁能積，為磁能積，表征永磁材料中能量大小表征永磁材料中能量大小。 (BH)max 是永磁的重要特是永磁的重要特性參數(shù)之一。性參數(shù)之一。u在磁性物質(zhì)中，自發(fā)磁化主要來源于自旋間的在磁性物質(zhì)中，自發(fā)磁化主要來源于自旋間的交換作用，這種交換作用本質(zhì)上是各向同性的，交換作用，這種交換作用本質(zhì)上是各向同性的，如果沒有附加的相互作用存在，在晶體中，自如果沒有附加的相互作用存在，在晶體中，自發(fā)磁化強(qiáng)度可以指向任意方向而不改變體系的發(fā)磁化強(qiáng)度可

54、以指向任意方向而不改變體系的內(nèi)能。內(nèi)能。u實際上在實際上在磁性材料中，自發(fā)磁化強(qiáng)度總是處于磁性材料中，自發(fā)磁化強(qiáng)度總是處于一個或幾個特定方向，該方向稱為易軸一個或幾個特定方向，該方向稱為易軸。當(dāng)施當(dāng)施加外場時，磁化強(qiáng)度才能從易軸方向轉(zhuǎn)出，此加外場時，磁化強(qiáng)度才能從易軸方向轉(zhuǎn)出，此現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為磁晶各向異性。磁晶各向異性。磁晶各向異性能磁晶各向異性能磁晶各向異性能磁晶各向異性能晶體的磁性是和晶體的取向有關(guān)的晶體的磁性是和晶體的取向有關(guān)的 ，沿晶體的某，沿晶體的某些方向磁化時所需要的磁場，比沿另外一些方向磁些方向磁化時所需要的磁場，比沿另外一些方向磁化所需要的磁場要小的多，這些晶體學(xué)方向稱為易化

55、所需要的磁場要小的多，這些晶體學(xué)方向稱為易磁化方向磁化方向 鐵、鎳、鈷單晶沿不同晶向鐵、鎳、鈷單晶沿不同晶向的磁化曲線的磁化曲線 對于任何方向磁化的鐵磁體都具有一項能量，對于任何方向磁化的鐵磁體都具有一項能量，它使磁化強(qiáng)度指向該特定的晶體學(xué)方向它使磁化強(qiáng)度指向該特定的晶體學(xué)方向晶體磁化時所增加的自由能晶體磁化時所增加的自由能 F等于磁場所做等于磁場所做的功（磁化功），可表示為的功（磁化功），可表示為 MHdMF0增加的能量即為磁化曲線與增加的能量即為磁化曲線與M坐標(biāo)軸間所包坐標(biāo)軸間所包圍的面積，由于晶體的這一部分自由能是與圍的面積，由于晶體的這一部分自由能是與磁化方向有關(guān)的，我們稱為磁化方向有

56、關(guān)的，我們稱為磁各向異性能磁各向異性能或或磁晶能磁晶能 鐵磁體在磁場中磁化，其形狀和尺寸都會鐵磁體在磁場中磁化，其形狀和尺寸都會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮 設(shè)鐵磁體原來的尺寸為設(shè)鐵磁體原來的尺寸為l0，放在磁場中磁化，放在磁場中磁化時，其尺寸變?yōu)闀r，其尺寸變?yōu)閘，長度的相對變化為：，長度的相對變化為：lll0 稱為線磁致伸縮系數(shù)稱為線磁致伸縮系數(shù) ，一般在一般在10-610-3之間之間 u磁致伸縮引起的形變比較小，但磁致伸縮引起的形變比較小，但它在控制磁疇結(jié)構(gòu)和技術(shù)磁化過它在控制磁疇結(jié)構(gòu)和技術(shù)磁化過程中，仍是一個很重要的因素。程中，仍是一個很重要的因素。u應(yīng)變

57、應(yīng)變 l /l 隨外磁場增加而變化，隨外磁場增加而變化，最終達(dá)到飽和最終達(dá)到飽和 。產(chǎn)生這種行為。產(chǎn)生這種行為的原因是材料中磁疇在外場作用的原因是材料中磁疇在外場作用下的變化過程。每個磁疇內(nèi)的晶下的變化過程。每個磁疇內(nèi)的晶格沿磁疇的磁化強(qiáng)度方向自發(fā)的格沿磁疇的磁化強(qiáng)度方向自發(fā)的形變形變e 。且應(yīng)變軸隨著磁疇磁化。且應(yīng)變軸隨著磁疇磁化強(qiáng)度的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，從而導(dǎo)致樣強(qiáng)度的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，從而導(dǎo)致樣品整體上的形變。品整體上的形變。2coselle 為磁化飽和時的形變， 覌察方向(測試方向)與磁化強(qiáng)度方向之間的夾角磁彈性能磁彈性能物體在磁化時要伸長（或收縮），如果受物體在磁化時要伸長（或收縮），如果受到限制

58、，不能伸長（或縮短），則在物體到限制，不能伸長（或縮短），則在物體內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力（或拉應(yīng)力）。這樣，物內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力（或拉應(yīng)力）。這樣，物體內(nèi)部將產(chǎn)生彈性能，稱為磁彈性能。體內(nèi)部將產(chǎn)生彈性能，稱為磁彈性能。 作業(yè)： 比較比較jm與與m、J 與與M的區(qū)別與聯(lián)系。的區(qū)別與聯(lián)系。 何謂退出場（何謂退出場（Hd）？退磁因子）？退磁因子N與哪些因與哪些因素有關(guān)？素有關(guān)？鐵磁體技術(shù)磁化曲線的分析鐵磁體技術(shù)磁化曲線的分析技術(shù)磁化，是指在外磁場作用下，鐵磁體技術(shù)磁化，是指在外磁場作用下，鐵磁體從完全退磁狀態(tài)發(fā)生變化的內(nèi)部過程和宏從完全退磁狀態(tài)發(fā)生變化的內(nèi)部過程和宏觀效果觀效果說明鐵磁材料性能的一些規(guī)律，了解材

59、料說明鐵磁材料性能的一些規(guī)律，了解材料生產(chǎn)過程采取某些措施的原因，并有利于生產(chǎn)過程采取某些措施的原因，并有利于進(jìn)一步探索提高材料性能的途徑進(jìn)一步探索提高材料性能的途徑 q 技術(shù)磁化理論 技術(shù)磁化過程，就是外加磁場對磁疇的作用過程，也就是外加磁場把各個磁疇的磁矩方向轉(zhuǎn)到外磁場方向(或近似外磁場方向)的過程。它與自發(fā)磁化有本質(zhì)的不同。 技術(shù)磁化是通過兩種形式進(jìn)行的：一是磁疇壁的遷移，一是磁疇的旋轉(zhuǎn)。磁化過程中有時只有其中一種方式起作用，有時是兩種方式同時作用。 磁化曲線和磁滯回線是技術(shù)磁化的結(jié)果。q 磁疇 外斯假說認(rèn)為自發(fā)磁化是以小區(qū)域磁疇存在的。各個磁疇的磁化方向是不同的，所以大塊磁鐵對外不顯示

60、磁性。磁疇已為實驗觀察所證實。 從對磁疇組織的觀察中，可以看到有的磁疇大而長，稱為主疇，其自發(fā)磁化方向必定沿晶體的易磁化方向；小而短的磁疇叫副疇，其磁化方向就不一定是晶體的易磁化方向， 相鄰磁疇的界限稱為磁疇壁，可分為兩種：一種為180o磁疇壁，另一種稱為90o磁疇壁。 磁疇壁是一個過渡區(qū)，有一定厚度。磁疇的磁化方向在疇壁處不能突然轉(zhuǎn)一個很大角度，而是經(jīng)過疇壁的一定厚度逐步轉(zhuǎn)過去的，即在這過渡區(qū)中原子磁矩是逐步改變方向的。 磁疇壁具有交換能、磁晶各向異性能及磁彈性能。 磁疇的形狀、尺寸、疇壁的類型與厚度總稱為磁疇結(jié)構(gòu)。同一磁性材料，如果磁疇結(jié)構(gòu)不同，則其磁化行為也不同。因此說磁疇結(jié)構(gòu)類型的不同