材料物理性能第七章熱學(xué)性能ppt課件

1、概述物質(zhì)磁性的普遍性無處不在1物質(zhì)的各種形狀，無論是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離物質(zhì)的各種形狀，無論是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離子態(tài)、超高密度態(tài)和反物質(zhì)態(tài)都會(huì)具有磁性；子態(tài)、超高密度態(tài)和反物質(zhì)態(tài)都會(huì)具有磁性；2物質(zhì)的各個(gè)層次，無論是原子、原子核、根本粒子物質(zhì)的各個(gè)層次，無論是原子、原子核、根本粒子等都會(huì)具有磁性。等都會(huì)具有磁性。3無限廣袤的宇宙，無論是各個(gè)天體，還是星際空間無限廣袤的宇宙，無論是各個(gè)天體，還是星際空間都存在著或強(qiáng)或弱的磁場。例如：地球磁場強(qiáng)度約為都存在著或強(qiáng)或弱的磁場。例如：地球磁場強(qiáng)度約為240A/m，太陽的普遍磁場強(qiáng)度約為，太陽的普遍磁場強(qiáng)度約為80A/m.磁性是物質(zhì)的一種重要的屬性

2、。從微觀粒子到宏觀物體磁性是物質(zhì)的一種重要的屬性。從微觀粒子到宏觀物體，到宇宙天體，無不具有某種程度的磁性。，到宇宙天體，無不具有某種程度的磁性。磁性不僅是宏觀物理量，而且與物質(zhì)的微觀構(gòu)造親密相磁性不僅是宏觀物理量，而且與物質(zhì)的微觀構(gòu)造親密相關(guān)。關(guān)。磁性 magnetismn弱磁性和強(qiáng)磁性兩類。弱磁性和強(qiáng)磁性兩類。n普通提到資料具有磁性是指強(qiáng)磁性普通提到資料具有磁性是指強(qiáng)磁性鐵磁性鐵磁性 ferromagnetismn鐵磁性實(shí)際的系統(tǒng)研討任務(wù)開場于上世紀(jì)初，鐵磁性實(shí)際的系統(tǒng)研討任務(wù)開場于上世紀(jì)初，1907年，法國物理學(xué)家外斯年，法國物理學(xué)家外斯(Weiss)在郎之在郎之萬順磁性實(shí)際根底上，第一

3、次勝利地建立起鐵萬順磁性實(shí)際根底上，第一次勝利地建立起鐵磁性景象的物理模型，奠定了現(xiàn)代鐵磁性實(shí)際磁性景象的物理模型，奠定了現(xiàn)代鐵磁性實(shí)際的根底。的根底。物質(zhì)的磁性的普遍性還表如今磁性與物質(zhì)的其他物質(zhì)的磁性的普遍性還表如今磁性與物質(zhì)的其他屬性之間存在著廣泛的聯(lián)絡(luò)，并構(gòu)成多種多樣的耦屬性之間存在著廣泛的聯(lián)絡(luò)，并構(gòu)成多種多樣的耦合效應(yīng)和雙重多重效應(yīng)磁電效應(yīng)、磁光效應(yīng)、合效應(yīng)和雙重多重效應(yīng)磁電效應(yīng)、磁光效應(yīng)、磁聲效應(yīng)和磁熱效應(yīng)等。這些效應(yīng)既是了解物質(zhì)磁聲效應(yīng)和磁熱效應(yīng)等。這些效應(yīng)既是了解物質(zhì)構(gòu)造和性能關(guān)系的重要途徑，又是開展各種功能器構(gòu)造和性能關(guān)系的重要途徑，又是開展各種功能器件磁光存儲(chǔ)技術(shù)、磁記錄技

4、術(shù)和霍爾器件等的件磁光存儲(chǔ)技術(shù)、磁記錄技術(shù)和霍爾器件等的根底。根底。運(yùn)用n磁性資料廣泛地運(yùn)用于電子工業(yè)、電氣工業(yè)以磁性資料廣泛地運(yùn)用于電子工業(yè)、電氣工業(yè)以及通訊、丈量、印刷、計(jì)算機(jī)等方面。及通訊、丈量、印刷、計(jì)算機(jī)等方面。n近年來已深化研討了磁光、磁電、壓磁和磁致近年來已深化研討了磁光、磁電、壓磁和磁致伸縮、功能轉(zhuǎn)換資料，不斷開發(fā)出各種磁轉(zhuǎn)換伸縮、功能轉(zhuǎn)換資料，不斷開發(fā)出各種磁轉(zhuǎn)換器件器件5.1磁學(xué)根本量及分類磁學(xué)根本量及分類 n一、磁學(xué)根本量n1.磁場強(qiáng)度H n2.磁感應(yīng)強(qiáng)度Bn3.磁化率與磁導(dǎo)率n4 .磁矩m和磁化強(qiáng)度M n5.磁通量 1.磁場強(qiáng)度H n磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度H是由導(dǎo)體中的電流或

5、由永磁體產(chǎn)生。是由導(dǎo)體中的電流或由永磁體產(chǎn)生。n矢量，有大小，有方向矢量，有大小，有方向 n磁場強(qiáng)度：用穩(wěn)定電流在空間產(chǎn)生的磁場的強(qiáng)度來規(guī)磁場強(qiáng)度：用穩(wěn)定電流在空間產(chǎn)生的磁場的強(qiáng)度來規(guī)定。在國際單位制中，一根載有定。在國際單位制中，一根載有I安培電流的長直導(dǎo)線，安培電流的長直導(dǎo)線，在離導(dǎo)線為在離導(dǎo)線為r米的地方所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度米的地方所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度n 取取I=1安培，那么在離導(dǎo)線間隔為安培，那么在離導(dǎo)線間隔為r米處所得的磁場米處所得的磁場強(qiáng)度就是單位磁場強(qiáng)度，強(qiáng)度就是單位磁場強(qiáng)度，1安安/米米A/m。rIH2電流產(chǎn)生磁場最常見的幾種方式電流產(chǎn)生磁場最常見的幾種方式 1無限長載流直導(dǎo)線的磁場強(qiáng)

6、度無限長載流直導(dǎo)線的磁場強(qiáng)度 HI/2r (5-1) I為經(jīng)過直導(dǎo)線的電流，為經(jīng)過直導(dǎo)線的電流，r為計(jì)算點(diǎn)至導(dǎo)線的間隔，為計(jì)算點(diǎn)至導(dǎo)線的間隔，H的方向是切于與導(dǎo)線垂直且以導(dǎo)線為軸的圓周。的方向是切于與導(dǎo)線垂直且以導(dǎo)線為軸的圓周。 2載流環(huán)形線圈圓心上的磁場強(qiáng)度載流環(huán)形線圈圓心上的磁場強(qiáng)度 HI/2r (5-2)I為流經(jīng)環(huán)形線圈的電流，為流經(jīng)環(huán)形線圈的電流，r為環(huán)形線圈的半徑。為環(huán)形線圈的半徑。H方向按右手螺旋法那么確定。方向按右手螺旋法那么確定。3無限長載流螺線管的磁場強(qiáng)度無限長載流螺線管的磁場強(qiáng)度 Hn I (5-3)I為流經(jīng)環(huán)形線圈的電流：為流經(jīng)環(huán)形線圈的電流：n為螺線管上單位長度的線圈為

7、螺線管上單位長度的線圈匝數(shù)。匝數(shù)。H的方向?yàn)檠芈菥€管的軸線方向的方向?yàn)檠芈菥€管的軸線方向 。磁場強(qiáng)度的來源 靜磁學(xué)定義磁場強(qiáng)度H等于單位點(diǎn)磁荷在該處所受的磁場力的大小，其方向與正磁荷在該處所受磁場力的方向一致。設(shè)試探磁極的點(diǎn)磁荷為m，它在磁場中某處受力為F，那么該處的磁場強(qiáng)度矢量H為 HFm (515) F由磁的庫侖定律決議，即兩個(gè)點(diǎn)磁荷之間的相互作用力F，沿著它們之間的連線方向，與它們之間的間隔r的平方成反比，與每個(gè)磁荷的數(shù)量磁極強(qiáng)度M)M 1 和M 2成正比，123mmFkrr磁導(dǎo)率 比例系數(shù)比例系數(shù)k與磁荷周圍的介質(zhì)和各量的單位有關(guān)與磁荷周圍的介質(zhì)和各量的單位有關(guān) 點(diǎn)磁荷處于真空中，在國

8、際點(diǎn)磁荷處于真空中，在國際(SI)單位制中，單位制中，F(xiàn)的單位為牛的單位為牛頓頓N，k為為0是真空磁導(dǎo)率是真空磁導(dǎo)率04107 A.m-1 041k2、磁感應(yīng)強(qiáng)度B 確定磁場效應(yīng)的量是磁感應(yīng)強(qiáng)度B，而不是磁場強(qiáng)度H。在SI單位制中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義公式 B=0( H十M) (5-4) 磁感應(yīng)強(qiáng)度B分為兩部分：資料對(duì)自在空間磁場的反響資料對(duì)磁化引起的附加磁場的反響M磁化強(qiáng)度 描畫物質(zhì)在外磁場中被磁化的程度。 B的單位是T或Wb.m-2 當(dāng)磁場強(qiáng)度為1074A.m-1時(shí)，相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1特斯拉。 H0M0H和和B都是描畫空間任一點(diǎn)的磁場參量。它們都是矢量，都是描畫空間任一點(diǎn)的磁場參量。它們都是

9、矢量，有大小和方向。有大小和方向。資料在磁場強(qiáng)度為資料在磁場強(qiáng)度為H的外加磁場作用下，會(huì)在資料內(nèi)部的外加磁場作用下，會(huì)在資料內(nèi)部產(chǎn)生一定的磁通量密度，稱其為磁感應(yīng)強(qiáng)度。產(chǎn)生一定的磁通量密度，稱其為磁感應(yīng)強(qiáng)度。 B=0H + J (5-6) J磁極化強(qiáng)度磁極化強(qiáng)度J= 0 M )1、在真空中，、在真空中，B0H (5-7) 在自在空間里，在自在空間里，B和和H一直是平行的數(shù)值上成比例，一直是平行的數(shù)值上成比例，兩者的關(guān)兩者的關(guān) 系只由真空磁導(dǎo)率系只由真空磁導(dǎo)率0來聯(lián)絡(luò)。來聯(lián)絡(luò)。2、 在磁性體內(nèi)部，兩者的關(guān)系就復(fù)雜得多，在磁性體內(nèi)部，兩者的關(guān)系就復(fù)雜得多， 由由B=0H+J 描畫，方向上也不一定平

10、行。描畫，方向上也不一定平行。 與磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度B磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度3、 磁化率和磁導(dǎo)率磁化率和磁導(dǎo)率 磁性體被置于外磁場中，它的磁化強(qiáng)度將發(fā)生變化，磁化強(qiáng)度M和磁場H的關(guān)系 M= H 或 MH (5-8)磁化率是單位磁場強(qiáng)度在磁體中所感生的磁化強(qiáng)度， 是表征磁體磁化難易程度的一個(gè)參量。同樣大小的磁場中， 大的資料呈現(xiàn)的磁化強(qiáng)度就大。 B=0 (H十M)(1十 )0HsI單位制中，將B與H的比值稱為絕對(duì)磁導(dǎo)率 磁導(dǎo) 率是磁體特性和技術(shù)上的重要磁性參量。表示外磁場添加時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度添加的速度。表征磁體磁化難易程度的參量和u只需當(dāng)B、H、M三個(gè)矢量相互平行時(shí)才為標(biāo)量，否那么它們?yōu)閺埩俊?HB

11、相對(duì)磁導(dǎo)率n在大多數(shù)情況下運(yùn)用較多的是相對(duì)磁導(dǎo)率在大多數(shù)情況下運(yùn)用較多的是相對(duì)磁導(dǎo)率n r =/0 (5-8)n n B=0( +1)H=0(H+ H) n nM= H 根據(jù)根據(jù)M與與H的方向，的方向， 可取正、負(fù)可取正、負(fù)n+ M與與H同方向同方向nM與與H反方向反方向n三個(gè)磁性參數(shù)三個(gè)磁性參數(shù) r 、 知其中一個(gè)，可以知其中一個(gè)，可以確定其他兩個(gè)確定其他兩個(gè) 0BB 1r4、磁矩m與磁化強(qiáng)度 將永磁體接近鐵釘、鐵片等，到達(dá)一定間隔時(shí)被吸起，而普通情況下銅片等那么不能。而且，被用磁體吸引過的鐵片，在接近其他鐵片時(shí)也會(huì)產(chǎn)生吸引作用，或產(chǎn)生排斥作用。被永磁體吸引過的鐵片的磁性發(fā)生了變化。 磁化時(shí)

12、物質(zhì)中構(gòu)成了成對(duì)的N、S磁極。這種成對(duì)的N-S極所構(gòu)成的磁學(xué)量稱為磁矩。 物質(zhì)在磁場中由于受磁場的作用而表現(xiàn)出一定的磁性，這種景象稱為磁化。 物質(zhì)中出現(xiàn)磁矩是一切磁景象的根源，是磁相互作用的根本條件。磁矩定義磁矩定義n物理學(xué)：物理學(xué)： 一環(huán)形電流周圍的磁場，猶如一條一環(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(dòng)中心處產(chǎn)生形磁鐵的磁場。環(huán)形電流在其運(yùn)動(dòng)中心處產(chǎn)生一個(gè)磁矩一個(gè)磁矩m或稱磁偶極矩或稱磁偶極矩n一個(gè)環(huán)形電流的磁矩定義為一個(gè)環(huán)形電流的磁矩定義為n m=ISnI為環(huán)形電流的強(qiáng)度；為環(huán)形電流的強(qiáng)度；S為環(huán)形流所包圍的面積；為環(huán)形流所包圍的面積；m的方向可用右手定那么來確定。的方

13、向可用右手定那么來確定。n單位為韋單位為韋米米Wbm 物質(zhì)磁化實(shí)際物質(zhì)磁化實(shí)際 n物質(zhì)磁化實(shí)際有兩種觀念：物質(zhì)磁化實(shí)際有兩種觀念：n1 分子電流觀念分子電流觀念n2等效磁荷觀念等效磁荷觀念n1安培的分子環(huán)流觀念：物質(zhì)中的每個(gè)磁分安培的分子環(huán)流觀念：物質(zhì)中的每個(gè)磁分子相當(dāng)于一個(gè)環(huán)形電流。子相當(dāng)于一個(gè)環(huán)形電流。n無外磁場時(shí)，各分子環(huán)流取向雜亂無章，作用無外磁場時(shí)，各分子環(huán)流取向雜亂無章，作用相互抵消，不顯磁性。相互抵消，不顯磁性。n施加外磁場時(shí)，分子電流的磁矩沿磁化場陳列，施加外磁場時(shí)，分子電流的磁矩沿磁化場陳列，呈現(xiàn)宏觀磁性。呈現(xiàn)宏觀磁性。磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度 磁化強(qiáng)度M是描畫宏觀磁性體磁性強(qiáng)弱程度

14、的物理量。磁化強(qiáng)度M的定義：單位體積磁體內(nèi)具有的磁矩矢量和用M表示 為體積元內(nèi)環(huán)電流的矢量和。未磁化時(shí)， =0，那么 M=0當(dāng)資料被磁化時(shí)，環(huán)電流磁矩沿外電場陳列，環(huán)電流磁矩定向陳列程度越高，磁化強(qiáng)度M矢量就越大。磁化強(qiáng)度M 反響物質(zhì)磁化的形狀強(qiáng)度、方向的物理量。mMVmmm00M2 磁荷的觀念資料的磁分子是磁偶極子，未磁化時(shí)，磁偶極子呈無序形資料的磁分子是磁偶極子，未磁化時(shí)，磁偶極子呈無序形狀，其偶極矩矢量和狀，其偶極矩矢量和 ，不顯磁性。，不顯磁性。施加外磁場，偶極子受外磁場作用轉(zhuǎn)向陳列。資料兩端呈施加外磁場，偶極子受外磁場作用轉(zhuǎn)向陳列。資料兩端呈現(xiàn)出磁極的性質(zhì)。現(xiàn)出磁極的性質(zhì)。磁荷的觀念

15、定義磁極化強(qiáng)度：單位體積的磁偶極矩矢量和。磁荷的觀念定義磁極化強(qiáng)度：單位體積的磁偶極矩矢量和。 在磁性體內(nèi)取一個(gè)宏觀體積元在磁性體內(nèi)取一個(gè)宏觀體積元dV，在這個(gè)體積元內(nèi)，在這個(gè)體積元內(nèi)包含了大量的磁偶極矩包含了大量的磁偶極矩jm 。 單位體積磁體內(nèi)具有的磁偶極矩矢量和稱為磁極化強(qiáng)度，單位體積磁體內(nèi)具有的磁偶極矩矢量和稱為磁極化強(qiáng)度，用用J表示；表示； VJJm0mJ5 .磁通量 磁通量就是磁感應(yīng)通量。經(jīng)過磁場中某一微小面積S的磁通量，等于該處磁感應(yīng)強(qiáng)度B在垂直面積S的方向上的分量Bn和面積S的乘積，即 =BnS=BcosS,是磁感應(yīng)強(qiáng)度方向與面積S的垂直方向的夾角。 普通情況下，要求經(jīng)過磁場中

16、某一面積為S的曲面的磁通量，必需用積分表達(dá)式 只需在均勻磁場中當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直與截面S時(shí)，經(jīng)過該界面S的磁通量才干簡單地表示成 =BS磁通量的單位:韋WbSdsBcos二、磁矩的產(chǎn)生 根據(jù)物質(zhì)構(gòu)造實(shí)際，任何物質(zhì)都是由分子或原子組成。 原子核自旋運(yùn)動(dòng) 電子自旋 電子繞原子核的軌道運(yùn)動(dòng) 這些運(yùn)動(dòng)都會(huì)構(gòu)成微小的環(huán)電流，都能產(chǎn)生磁效應(yīng)環(huán)流在其運(yùn)動(dòng)中心處產(chǎn)生磁矩。磁矩是反映粒子本身磁性特征的物理量，每種運(yùn)動(dòng)所對(duì)應(yīng)的磁矩分別稱為自旋磁矩和軌道磁矩 分子的固有磁矩一切電子軌道磁矩和自旋磁矩以及核的自旋磁矩的矢量和，簡稱為分子磁矩， 用pm表示 磁矩的大小磁矩的大小n磁性的來源于原子磁矩：磁性的來源于原

17、子磁矩：n1、電子軌道磁矩、電子軌道磁矩pLnL電子運(yùn)動(dòng)軌道角動(dòng)量，電子運(yùn)動(dòng)軌道角動(dòng)量， 電子繞核運(yùn)電子繞核運(yùn)動(dòng)角速度，動(dòng)角速度，n s-自旋角動(dòng)量自旋角動(dòng)量n2、電子自旋磁矩、電子自旋磁矩pszn 波爾磁子波爾磁子 ，表示原子磁，表示原子磁矩的大小矩的大小n3、原子核磁矩、原子核磁矩mn 1/2000 me忽略忽略22()222LBeepisermrLlmmszBp 0B2meT/J100.92723B原子的磁性如何確定？原子的磁性如何確定？原子的磁矩原子的磁矩電子磁矩組成電子磁矩組成電子磁矩電子磁矩軌道磁矩軌道磁矩+自旋磁矩矢量和自旋磁矩矢量和 原子中的電子按照不同的殼層陳列，電子原子中的

18、電子按照不同的殼層陳列，電子磁矩與電子的角動(dòng)量成正比磁矩與電子的角動(dòng)量成正比當(dāng)原子中某一電子殼層排滿時(shí)，各個(gè)電子軌道運(yùn)當(dāng)原子中某一電子殼層排滿時(shí)，各個(gè)電子軌道運(yùn)動(dòng)與自旋運(yùn)動(dòng)的取向動(dòng)與自旋運(yùn)動(dòng)的取向 占據(jù)了一切能夠的方向，占據(jù)了一切能夠的方向，這些方向呈對(duì)稱分布，因此，電子的總角動(dòng)量這些方向呈對(duì)稱分布，因此，電子的總角動(dòng)量為零，該殼層得總角動(dòng)量為零。為零，該殼層得總角動(dòng)量為零。只需當(dāng)某一電子殼層未被填滿時(shí)，這個(gè)殼層的電只需當(dāng)某一電子殼層未被填滿時(shí)，這個(gè)殼層的電子總磁矩才不為零，原子對(duì)外顯示磁性。子總磁矩才不為零，原子對(duì)外顯示磁性。 不同原子具有不同電子殼層構(gòu)造，原子組不同原子具有不同電子殼層構(gòu)造

19、，原子組成不同物質(zhì)時(shí)，表現(xiàn)出不同的磁性。成不同物質(zhì)時(shí)，表現(xiàn)出不同的磁性?？勾判?、順磁性確實(shí)定 為了確定資料的抗磁性順磁性放入磁場察看。原子的固有磁矩本征磁矩：軌道磁矩+自旋磁矩抗磁性：抗磁性來源于電子軌道磁矩。任何物質(zhì)均有抗磁性。但只需電子殼層排滿時(shí)抗磁性表現(xiàn)出來。惰性氣體、離子型固體等。 抗磁體每個(gè)分子磁矩為零(pm0)，在沒有外磁場作用時(shí)，一切分子磁矩的矢量和也為零pmo)，宏觀上不顯磁性。這類磁介質(zhì)在外磁場的作用下，能產(chǎn)生抗磁性。順磁性 順磁性來源于原子的固有磁矩.在沒有外磁場作用時(shí)，順磁質(zhì)中的每個(gè)分子磁矩不為零(pm0)，但由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，分子磁矩陳列的方向是雜亂無章的，一切分子磁矩

20、的矢量和為零( pm0)，所以對(duì)外不顯磁性 有外磁場作用時(shí)，順磁質(zhì)的分子磁矩陳列的方向?qū)⑴c外磁場方向趨于一致，從而磁介質(zhì)對(duì)外能顯示出磁性(pm0)，5.2 資料磁性分類資料磁性分類 n根據(jù)磁化率的大小、方向不同，把物質(zhì)磁性分為五類根據(jù)磁化率的大小、方向不同，把物質(zhì)磁性分為五類n(1)抗磁性抗磁性 diamagnetismn(2)順磁性順磁性 paramagnetismn(3)反鐵磁性反鐵磁性opposite ferromagnetismn(4)鐵磁性鐵磁性 ferromagnetismn(5)亞鐵磁性亞鐵磁性 sub-ferromagnetism1、抗磁性n 當(dāng)遭到外磁場H作用后，被感生出磁化

21、強(qiáng)度。n1磁化強(qiáng)度M與H方向相反；n2磁化率 T N ) ， 磁化率與溫度的關(guān)系與正常順磁性物體的類似，服從居里-外斯定律 2) 當(dāng)TT N時(shí)，磁化率不是繼續(xù)增大，而是降低并逐漸趨于定位。 磁化率在溫度等于TN存在極大值。TN是個(gè)臨界溫度，命名為奈耳溫度。反鐵磁性物體有過渡族元素的鹽類及化合物，如： Cr、 NiO MnO2、Cr2O3、CoO等。Mn弱磁性n以上三種磁性為弱磁性以上三種磁性為弱磁性n在通常溫度和磁場下具有：在通常溫度和磁場下具有：n磁化曲線為直線磁化曲線為直線n磁化率磁化率 為常數(shù)為常數(shù)n磁化可逆磁化可逆n可以用可以用 來表征磁性。來表征磁性。4、鐵磁性 在很小的磁場作用下就

22、能被磁化到飽和。1磁化率 ，數(shù)值很大l01一106數(shù)量級(jí)；2其磁化強(qiáng)度M與磁場強(qiáng)度H非線性關(guān)系；3反復(fù)磁化時(shí)出現(xiàn)磁滯景象；4自發(fā)磁化物質(zhì)內(nèi)部的原子磁矩自發(fā)平行陳列。 5當(dāng)鐵磁性物體的溫度高于臨界溫度(TTc時(shí))，鐵磁性將轉(zhuǎn)變成順磁性，并服從居里外斯定律， xC/T-Tp (519)c是居里常數(shù)；TP是鐵磁性物體的順磁性居里溫度 0n磁性資料在外磁場作用下產(chǎn)生很磁性資料在外磁場作用下產(chǎn)生很強(qiáng)的磁化強(qiáng)度。強(qiáng)的磁化強(qiáng)度。n外磁場除去后仍堅(jiān)持相當(dāng)大的永外磁場除去后仍堅(jiān)持相當(dāng)大的永久磁性，這種磁性稱為鐵磁性。久磁性，這種磁性稱為鐵磁性。n具有鐵磁性的元素不多，具有鐵具有鐵磁性的元素不多，具有鐵磁性的合金

23、和化合物卻各種各樣。磁性的合金和化合物卻各種各樣。到目前為止，發(fā)現(xiàn)九個(gè)純?cè)鼐У侥壳盀橹?，發(fā)現(xiàn)九個(gè)純?cè)鼐w具有鐵磁性體具有鐵磁性: : n過渡金屬：鐵、鈷、鎳過渡金屬：鐵、鈷、鎳n稀土金屬：釓、稀土金屬：釓、鋱鋱、鏑、鈥、鏑、鈥n 鉺、鉺、銩銩資料能否具有鐵磁性資料能否具有鐵磁性取決于兩個(gè)要素：取決于兩個(gè)要素：(1)(1)原子能否具有由未原子能否具有由未成對(duì)電子，即自旋磁成對(duì)電子，即自旋磁矩奉獻(xiàn)的凈磁矩矩奉獻(xiàn)的凈磁矩( (本征本征磁矩磁矩) )(2)(2)原子在晶格中的排原子在晶格中的排列方式列方式 物質(zhì)的各類磁性物質(zhì)的各類磁性鐵磁性鐵磁性物質(zhì)物質(zhì)FeCoNiGdTbDyHoErTmTc10

24、43139663129321989202032鐵磁體的居里溫度鐵磁體的居里溫度 - 運(yùn)用實(shí)例運(yùn)用實(shí)例n利用這個(gè)特點(diǎn)，人們開發(fā)出了很多控制元件。n例如，電飯鍋就利用了磁性資料的居里點(diǎn)的特性。n在電飯鍋的底部中央裝了一塊磁鐵和一塊居里點(diǎn)為105度的磁性資料。當(dāng)鍋里的水分干了以后，食品的溫度將從100度上升。當(dāng)溫度到達(dá)大約105度時(shí)，由于被磁鐵吸住的磁性資料的磁性消逝，磁鐵就對(duì)它失去了吸力，這時(shí)磁鐵和磁性資料之間的彈簧就會(huì)把它們分開，同時(shí)帶動(dòng)電源開關(guān)被斷開，停頓加熱。5、亞鐵磁性的特征1宏觀磁性與鐵磁性一樣，宏觀磁性與鐵磁性一樣，2磁化率的數(shù)量級(jí)稍低，大約為磁化率的數(shù)量級(jí)稍低，大約為101一一103

25、。 亞鐵磁性內(nèi)部磁構(gòu)造與反鐵磁性的一樣，亞鐵磁性內(nèi)部磁構(gòu)造與反鐵磁性的一樣，但相反陳列的磁矩不等量。但相反陳列的磁矩不等量。亞鐵磁性是未抵消的亞鐵磁性是未抵消的反鐵磁性構(gòu)造的鐵磁性。反鐵磁性構(gòu)造的鐵磁性。鐵氧體是典型的亞鐵磁性物體。鐵氧體是典型的亞鐵磁性物體。亞鐵磁性在宏觀性能上與鐵亞鐵磁性在宏觀性能上與鐵磁性類似，區(qū)別在于亞鐵磁磁性類似，區(qū)別在于亞鐵磁性資料的飽和磁化強(qiáng)度比鐵性資料的飽和磁化強(qiáng)度比鐵磁性的低。成因是由于資料磁性的低。成因是由于資料構(gòu)造中原子磁矩不象鐵磁體構(gòu)造中原子磁矩不象鐵磁體中那樣向一個(gè)方向陳列，而中那樣向一個(gè)方向陳列，而是呈反方向陳列，相互抵消是呈反方向陳列，相互抵消了一

26、部分。了一部分。物質(zhì)的各類磁性物質(zhì)的各類磁性5 5、 亞鐵磁性亞鐵磁性小結(jié) n物質(zhì)磁性可分為抗磁性、順磁性、反鐵磁性、n 鐵磁性、亞鐵磁性n前三種是弱磁性，后兩種為強(qiáng)磁性。n具有這兩種磁性的資料通常叫做磁性資料。n磁化曲線、特征n用途：軟磁、硬磁、旋磁、短磁、壓磁n功能：恒導(dǎo)磁率資料、磁性半導(dǎo)體資料、磁泡資料、磁 光資料等等。5.3 物質(zhì)鐵磁性的微觀本質(zhì)物質(zhì)鐵磁性的微觀本質(zhì) 組成物質(zhì)的最小單元是原子，原子又由電子和原子核組成。原子中的電子同時(shí)具有兩種運(yùn)動(dòng)方式，處于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形狀下的電子，相當(dāng)于一個(gè)電流閉合回路，必然伴隨有磁矩發(fā)生。電于軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電子軌道磁矩；電子自旋產(chǎn)生電子自旋磁矩。核磁矩非常

27、小，幾乎對(duì)原子磁性不起作用原子的總磁矩= 電子軌道磁矩+電子自旋磁矩 物質(zhì)磁性來源于原子磁矩。核外多個(gè)電子原子的磁矩 電子的分布規(guī)律 原子中電子的角動(dòng)量是如何耦合電子形狀電子形狀n具有多電子的原子中，決議電子所處的形狀的準(zhǔn)那么有兩具有多電子的原子中，決議電子所處的形狀的準(zhǔn)那么有兩條：一泡利條：一泡利(wPauli)不相容原理不相容原理n原子中每一個(gè)形狀只能包容一個(gè)自旋一樣的電子。原子中每一個(gè)形狀只能包容一個(gè)自旋一樣的電子。n 二能量最低原理二能量最低原理n 自旋相反電子具有最低能量最低，體系最穩(wěn)定。自旋相反電子具有最低能量最低，體系最穩(wěn)定。 n電子的形狀：電子的形狀： n、l、m l、ms四個(gè)

28、量子數(shù)確定四個(gè)量子數(shù)確定一、電子殼層與磁性一、電子殼層與磁性 多多電電子子原原子子中中電電子子分分布布規(guī)規(guī)律律 n、 l、 ml ms主、角、磁、自旋主、角、磁、自旋 四個(gè)量子數(shù)確定以后，電子所處的位置隨之而定。四個(gè)量子數(shù)確定以后，電子所處的位置隨之而定。2、 n、l和和ml三個(gè)量子數(shù)都一樣的電子三個(gè)量子數(shù)都一樣的電子兩個(gè)。兩個(gè)。第四個(gè)量子數(shù)第四個(gè)量子數(shù)ms不能一樣，只能分別為不能一樣，只能分別為1/2和和-1/2。 3、n、l兩個(gè)量子數(shù)一樣的電子最多22l+1個(gè)。對(duì)于同一個(gè)lml可以取(2l+1)個(gè)不同的值。對(duì)于每一個(gè)ml、Ms可以取l2兩個(gè)不同的值。 4、主量子數(shù)、主量子數(shù) n 一樣的電子

29、最多只需一樣的電子最多只需2n2個(gè)。個(gè)。2)1(02)12(2nlnl1、 n、 l、 ml ms四個(gè)量子數(shù)都一樣的電子四個(gè)量子數(shù)都一樣的電子一個(gè)一個(gè)表51電子殼層的劃分及各殼層中能夠存在的電子數(shù)目磁性電子殼層磁性電子殼層n當(dāng)電子填滿電子殼層時(shí)，各電子的軌道運(yùn)動(dòng)及自旋取當(dāng)電子填滿電子殼層時(shí)，各電子的軌道運(yùn)動(dòng)及自旋取向就占據(jù)了一切能夠方向，構(gòu)成一個(gè)球形對(duì)稱集合向就占據(jù)了一切能夠方向，構(gòu)成一個(gè)球形對(duì)稱集合.n 動(dòng)量矩動(dòng)量矩n 電子本身具有的電子本身具有的 相互抵消相互抵消n 磁矩磁矩n# 凡是滿電子殼層的總動(dòng)量矩和總磁矩都為零。凡是滿電子殼層的總動(dòng)量矩和總磁矩都為零。M總總=0n 只需未填滿電子的

30、殼層上才有未成對(duì)的電子磁矩對(duì)只需未填滿電子的殼層上才有未成對(duì)的電子磁矩對(duì)原子的總磁矩作出奉獻(xiàn)。原子的總磁矩作出奉獻(xiàn)。n這種未滿殼層，我們稱它為磁性電子殼層。這種未滿殼層，我們稱它為磁性電子殼層。n 軌道自旋耦合 L-S) 耦合角量子數(shù)-角量子數(shù)耦合 j- j耦合 1 1、 L-S L-S耦合耦合1 1首先合成原子軌道角動(dòng)量首先合成原子軌道角動(dòng)量 和自旋角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量 2 2然后由然后由PLPL和和PSPS再合成原子的總角動(dòng)量再合成原子的總角動(dòng)量PJPJ。發(fā)生在原于序數(shù)較小的原子中，在元素周期表中發(fā)生在原于序數(shù)較小的原子中，在元素周期表中原子序數(shù)原子序數(shù)z z3232的原子，都為的原子，都為

31、LSLS耦合。耦合。 鐵磁物質(zhì)的角動(dòng)量大都屬于鐵磁物質(zhì)的角動(dòng)量大都屬于LSLS耦合耦合二、角動(dòng)量耦合和原子總磁矩二、角動(dòng)量耦合和原子總磁矩1LLPL1SSPS原子中的角動(dòng)量耦合方式有兩種途徑原子中的角動(dòng)量耦合方式有兩種途徑2、jj耦合1首先由各處電子的首先由各處電子的s和和l合成合成j；2然后再由各電子的然后再由各電子的j合成原于的總角量子數(shù)合成原于的總角量子數(shù)J。從從Z：3282的原子，的原子，LS耦合逐漸減弱，最后完全過渡耦合逐漸減弱，最后完全過渡到另一種耦合。到另一種耦合。原于序數(shù)原于序數(shù)z82的元素，電子本身的的元素，電子本身的sl耦合較強(qiáng)，這類原耦合較強(qiáng)，這類原子的子的J都以都以jj

32、方式進(jìn)展耦合。方式進(jìn)展耦合。鐵磁物質(zhì)的角動(dòng)量大都屬于鐵磁物質(zhì)的角動(dòng)量大都屬于LS耦合，耦合，耦合方式圖解耦合方式圖解JSssssLllllSLsiliii磁性）電性）電性）(321(321,總軌道角量子數(shù)總軌道角量子數(shù)L和總自旋角量子數(shù)和總自旋角量子數(shù)S原子的總動(dòng)量原子的總動(dòng)量PJ：軌道角動(dòng)量：軌道角動(dòng)量PL和自旋角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量PS的矢量和的矢量和 PJ = PL + PS (5-21) PJ的絕對(duì)值為的絕對(duì)值為) 1( JJPJ522 L-S耦合耦合 J = L+S J可以?。嚎梢匀。?J=L十十S，L十十S-1， ， L-S 個(gè)的能夠值。個(gè)的能夠值。 1當(dāng)當(dāng)LS時(shí)，時(shí)，J可取從可取從(

33、L十十S)到到(L-S)共共(2S十十1)個(gè)能夠值個(gè)能夠值; 2當(dāng)當(dāng)LS時(shí)，時(shí)，J可取從可取從(S十十L)到到(S一一L)共共(2L十十1)個(gè)能夠值。個(gè)能夠值。角量子數(shù)分別為原子的總軌道角量子數(shù)角量子數(shù)分別為原子的總軌道角量子數(shù)L和總自旋角量子數(shù)和總自旋角量子數(shù)S的的矢量和矢量和總角動(dòng)量及總磁矩的矢量模型nPJ = PL + PS，n用矢量模型原子的總角動(dòng)量及總磁矩。n分別作矢量PL和PS，它們的大小nPL和PS的反方向再分別作相對(duì)應(yīng)的L和S，它們的大小由圖5-3原子的PJ和J) 1(SSPS1LLPLBLLL) 1(BSSS) 1(2決議由于電子的由于電子的S比比L大一倍。大一倍。S和和L的

34、合成矢量的合成矢量L-S不不在在PJ的軸線方向上。為了得到原子磁矩的軸線方向上。為了得到原子磁矩J的值，將的值，將L-S投影到投影到PJ的軸線方向上的軸線方向上)cos()cos(JSSJLLJPPPP524 J的大小的大小 BJJJJJLLSSJJ) 1() 1(2) 1() 1() 1(1 令令) 1(2) 1() 1() 1(1JJLLSSJJgBJJJJg) 1(527 gJ稱為蘭德Lande因子，簡稱為g因子 原子磁矩大小的表達(dá)式原子磁矩大小的表達(dá)式(5-26)討論兩種特殊情況：討論兩種特殊情況： (1)當(dāng)L0時(shí)，JS， g2，Bsss)1(2闡明原子總磁矩都是由自旋磁矩奉獻(xiàn)的。闡明

35、原子總磁矩都是由自旋磁矩奉獻(xiàn)的。 (2)當(dāng)S0時(shí)JL， g1， 代入式(5-27)式Blll) 1( 闡明原子總磁矩都是由軌道磁矩奉獻(xiàn)的。闡明原子總磁矩都是由軌道磁矩奉獻(xiàn)的。 g在在1-2之間，原子磁矩的總磁矩之間，原子磁矩的總磁矩=軌道磁矩軌道磁矩+自旋磁矩奉獻(xiàn)自旋磁矩奉獻(xiàn)結(jié)論：原子磁矩的大小取決于原子的總角量子數(shù)J。只需確定了S和L以及J，即可計(jì)算出原子的磁矩J。原子基態(tài)的S、L和J由洪德(FHund)規(guī)那么確定。 BJJJJg) 1() 1(2) 1() 1() 1(1JJLLSSJJg三、洪德規(guī)那么三、洪德規(guī)那么 1.總自旋量子數(shù)總自旋量子數(shù)S取泡利不相容原理所允許的取泡利不相容原理所

36、允許的最大值；最大值； 第一條洪德規(guī)那么第一條洪德規(guī)那么反映了泡利不相容反映了泡利不相容原理和電子間的庫侖排斥作用的要求。原理和電子間的庫侖排斥作用的要求。1泡利不相容原理要求自旋同向的電子分開，泡利不相容原理要求自旋同向的電子分開，它它們的間隔遠(yuǎn)于自旋相反的電子；們的間隔遠(yuǎn)于自旋相反的電子；2但庫侖相互作用，自旋同方向的電子能量但庫侖相互作用，自旋同方向的電子能量較低。較低。 未滿次殼層上的電子自旋在同一方向陳列，未滿次殼層上的電子自旋在同一方向陳列，直至到達(dá)最大多重性為止，然后，再在相反直至到達(dá)最大多重性為止，然后，再在相反方向陳列。方向陳列。 泡利不相容原理要求泡利不相容原理要求n按泡利

37、不相容原理要求，每個(gè)軌道只能包容兩按泡利不相容原理要求，每個(gè)軌道只能包容兩個(gè)自旋相反的電子，假設(shè)電子處于同一軌道，個(gè)自旋相反的電子，假設(shè)電子處于同一軌道，由于波函數(shù)交疊特別厲害，將產(chǎn)生大的庫倫排由于波函數(shù)交疊特別厲害，將產(chǎn)生大的庫倫排斥勢(shì)使體系能量增大，因此電子傾向于占據(jù)不斥勢(shì)使體系能量增大，因此電子傾向于占據(jù)不同的軌道，由于庫侖相互作用自旋同方向的同的軌道，由于庫侖相互作用自旋同方向的電子能量較低。這意味著未滿次殼層上的電子電子能量較低。這意味著未滿次殼層上的電子自旋在同一方向陳列，直至到達(dá)最大多重性為自旋在同一方向陳列，直至到達(dá)最大多重性為止，然后，再在相反方向陳列。止，然后，再在相反方向

38、陳列。洪德規(guī)那么洪德研討了光譜項(xiàng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并根據(jù)泡利原理，總結(jié)出的一條法那么 2.在滿足在滿足(1)的條件下，總軌道量子數(shù)的條件下，總軌道量子數(shù)L取最大值；取最大值； 第二條洪德規(guī)那么闡明當(dāng)?shù)诙l洪德規(guī)那么闡明當(dāng)S一樣時(shí)，只需一樣時(shí)，只需L選擇最大值，能選擇最大值，能級(jí)量低。級(jí)量低。 3.總角量子數(shù)總角量子數(shù)J 的值由下面兩種情況來決議：的值由下面兩種情況來決議： (1)次殼層上的電子數(shù)不夠半滿時(shí)，次殼層上的電子數(shù)不夠半滿時(shí)，J L一一S ， (2)次殼層上的電子數(shù)正好半滿或超越半滿時(shí)，次殼層上的電子數(shù)正好半滿或超越半滿時(shí)， JL+S。 第三條洪德規(guī)那么是自旋第三條洪德規(guī)那么是自旋軌道互作用

39、的符號(hào)所導(dǎo)致的結(jié)果。軌道互作用的符號(hào)所導(dǎo)致的結(jié)果。 例：計(jì)算例：計(jì)算Fe的原子磁矩的原子磁矩2 1 0 -1 -2解：Fe的磁性電子殼層為3d6, 電子排布如圖那么 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=6.7B) 1(2) 1() 1() 1(1JJLLSSJJgBJJJJg) 1(5.4 鐵磁性物質(zhì)的根本特征鐵磁性物質(zhì)的根本特征 鐵磁性物質(zhì)的特性：自發(fā)磁化鐵磁性物質(zhì)的特性：自發(fā)磁化 磁疇磁疇 居里溫度居里溫度 磁滯回線磁滯回線一、自發(fā)磁化一、自發(fā)磁化 鐵磁性物質(zhì)內(nèi)的原子磁矩，經(jīng)過某種作用，抑

40、制熱運(yùn)動(dòng)的無序效應(yīng)，都能有序地取向，按不同的小區(qū)域分布。經(jīng)過物質(zhì)內(nèi)本身某種作用將磁矩陳列為有序取向的景象，稱為自發(fā)磁化。n磁性資料內(nèi)部自發(fā)磁化的小區(qū)域。磁性資料內(nèi)部自發(fā)磁化的小區(qū)域。n每個(gè)區(qū)域內(nèi)包含大量原子，這些原子的磁矩都象一個(gè)個(gè)小磁每個(gè)區(qū)域內(nèi)包含大量原子，這些原子的磁矩都象一個(gè)個(gè)小磁鐵那樣整齊陳列，但相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩陳列的方鐵那樣整齊陳列，但相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩陳列的方向不同。向不同。n各個(gè)磁疇之間的交界面稱為磁疇壁。各個(gè)磁疇之間的交界面稱為磁疇壁。n宏觀物體普通總是具有很多磁疇，磁疇的磁矩方向各不一樣，宏觀物體普通總是具有很多磁疇，磁疇的磁矩方向各不一樣，結(jié)果相互抵消，矢

41、量和為零，整個(gè)物體的磁矩為零，不對(duì)外結(jié)果相互抵消，矢量和為零，整個(gè)物體的磁矩為零，不對(duì)外顯示出磁性。顯示出磁性。n磁性資料在正常情況下并不對(duì)外顯示磁性。只需當(dāng)磁性資料磁性資料在正常情況下并不對(duì)外顯示磁性。只需當(dāng)磁性資料被磁化以后，它才干對(duì)外顯示出磁性。被磁化以后，它才干對(duì)外顯示出磁性。 二、磁疇二、磁疇 在無外磁場時(shí)，各磁疇陳列雜亂無章，鐵磁質(zhì)不顯磁性在無外磁場時(shí)，各磁疇陳列雜亂無章，鐵磁質(zhì)不顯磁性 在外磁場中，各磁疇沿外場轉(zhuǎn)向，介質(zhì)內(nèi)部的磁場迅速添加，在鐵磁質(zhì)充在外磁場中，各磁疇沿外場轉(zhuǎn)向，介質(zhì)內(nèi)部的磁場迅速添加，在鐵磁質(zhì)充磁過程中伴隨著發(fā)聲、發(fā)熱。磁過程中伴隨著發(fā)聲、發(fā)熱。BoBo技術(shù)磁化

42、技術(shù)磁化：外加磁場把各個(gè)方向的磁疇的磁矩方向轉(zhuǎn)到技術(shù)磁化：外加磁場把各個(gè)方向的磁疇的磁矩方向轉(zhuǎn)到外磁場方向，即外加磁場對(duì)磁疇的作用過程。外磁場方向，即外加磁場對(duì)磁疇的作用過程。技術(shù)磁化兩種方式：技術(shù)磁化兩種方式：1磁疇壁的遷移；磁疇壁的遷移；2磁疇壁的旋轉(zhuǎn)。磁疇壁的旋轉(zhuǎn)。圖圖512 磁化過程中磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)并伴隨著自發(fā)形變軸的旋轉(zhuǎn)磁化過程中磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)并伴隨著自發(fā)形變軸的旋轉(zhuǎn) (a) H0,MN=0， (b) H0,MN0n對(duì)于一切的磁性資料來說，并不是在任何溫度下都具有磁性。n普通地，磁性資料具有一個(gè)臨界溫度Tc，在這個(gè)溫度以上，由于高溫下原子的猛烈熱運(yùn)動(dòng)，原子磁矩的陳列是混亂無序的。在臨界溫度Tc溫

43、度以下，原子磁矩陳列整齊，產(chǎn)生自發(fā)磁化，物體變成鐵磁性或亞鐵磁性。n所以，居里溫度是鐵磁體或亞鐵磁體的相變轉(zhuǎn)變點(diǎn)，n鐵磁態(tài)或亞鐵磁態(tài)順磁態(tài)Tc三、鐵磁性資料的居里溫度四、鐵磁性自發(fā)磁化的來源n鐵磁性自發(fā)磁化來源于電子間的靜電交換相互作用。靜電交鐵磁性自發(fā)磁化來源于電子間的靜電交換相互作用。靜電交換相互作用主要由電子自旋磁矩產(chǎn)生換相互作用主要由電子自旋磁矩產(chǎn)生 n1鐵磁性產(chǎn)生的必要條件：原子的電子殼層有未被電子填鐵磁性產(chǎn)生的必要條件：原子的電子殼層有未被電子填滿的形狀。滿的形狀。nFe 3d 4個(gè)未填滿的形狀個(gè)未填滿的形狀 4nNi 3d 2個(gè)未填滿的形狀個(gè)未填滿的形狀 2 產(chǎn)生較大磁矩產(chǎn)生較大

44、磁矩nCo 3d 3個(gè)未填滿的形狀個(gè)未填滿的形狀 3nMn 3d 5個(gè)未填滿的形狀個(gè)未填滿的形狀 5 不是鐵磁性不是鐵磁性n原子中存在未被電子填滿的形狀只是必要條件。不是充分條原子中存在未被電子填滿的形狀只是必要條件。不是充分條件件BBBB2 1 0 -1 -2n 鐵、鈷、鎳等過渡元素都具有未成對(duì)的3d電子。n 分別具有4、3和2的凈磁矩。n 鐵、鈷、鎳金屬在室溫下具有自發(fā)磁化的傾向交換作用。n 構(gòu)成相鄰原子的磁矩都向一個(gè)方向陳列的小區(qū)域，稱為磁疇。Transitional metal - Unfilled d-, f- Orbitals Lead to Large Magnetic Mome

45、nts!物質(zhì)的各類磁性物質(zhì)的各類磁性鐵磁性鐵磁性2鐵磁性產(chǎn)生的充分條件 根據(jù)鍵合實(shí)際，當(dāng)原子相互接近構(gòu)成分子時(shí)，電子云相互重疊，電子要相互交換位置。對(duì)于過渡金屬，3d 形狀與 s態(tài)能量相差不大，電子云相互重疊時(shí)，將引起s、d 形狀的電子云重新分配。交換相互作用鐵磁性產(chǎn)生的充分條件五、交換作用圖5-3 氫分子模型 交換相互作用的根本原理，經(jīng)過分析氫分子中兩個(gè)電子的相互作用來闡明。 氫分子體系，以記號(hào)氫分子體系，以記號(hào)A和和B分別分別表示兩個(gè)原子核，它們各有一表示兩個(gè)原子核，它們各有一個(gè)電子分別用個(gè)電子分別用a和和b代表。令代表。令A(yù)(a)和和B(b)分別表示電子分別表示電子a和電子和電子b處于孤

46、立原子形狀時(shí)處于孤立原子形狀時(shí)的波函數(shù)，整個(gè)氫分子系統(tǒng)的的波函數(shù)，整個(gè)氫分子系統(tǒng)的總波函數(shù)，可由兩個(gè)原子的電總波函數(shù)，可由兩個(gè)原子的電子波函數(shù)之積構(gòu)成：子波函數(shù)之積構(gòu)成： 0(xa,ya,za;xb,yb,zb)= A(a)B(b) (532) 在量子力學(xué)中，由于電子的全同性，哪個(gè)電子屬于哪在量子力學(xué)中，由于電子的全同性，哪個(gè)電子屬于哪一原子系統(tǒng)是沒有區(qū)別的。電子一原子系統(tǒng)是沒有區(qū)別的。電子a和和b相互交換位置相互交換位置后，仍不改動(dòng)系統(tǒng)的形狀。后，仍不改動(dòng)系統(tǒng)的形狀。系統(tǒng)總的波函數(shù)系統(tǒng)總的波函數(shù)0(xb, yb, zb ;x a ,y a , z a )= A(b)B(a) (533) 對(duì)稱

47、性和反對(duì)稱要求的波函數(shù)具有下面的方式 s=A(a)B(b)+ A(b)B(a) 1 A=A(a)B(b)A(b)B(a) 21是對(duì)稱函數(shù)，與兩個(gè)電子的反平行(S0)自旋態(tài)相對(duì)應(yīng)；2是反對(duì)稱函數(shù)，與兩個(gè)電子的平行(S1)自旋態(tài)相對(duì)應(yīng)。 =)11(4)(202222babaerrem )1111(402BaAbrrrRe (534) ra為電子為電子a至原于核至原于核A的間隔；的間隔；rb為電子為電子b至原于核至原于核B的間隔；的間隔；R為為A原子核與原子核與B原于核間距；原于核間距；r為為a電子與電子與b電子間距；電子間距；rAb為為b電子至原子核電子至原子核A的間隔；的間隔；rBa為為a電子至

48、原子核電子至原子核B的間隔，的間隔，a、b分別為電子分別為電子a和和b的坐標(biāo)的拉普拉斯的坐標(biāo)的拉普拉斯,0為真空介電常數(shù)。為真空介電常數(shù)。 前兩項(xiàng)為二電子前兩項(xiàng)為二電子a和和b的動(dòng)能算符；的動(dòng)能算符；后六項(xiàng)為電子與電子之間，原子核與原子核之間以及后六項(xiàng)為電子與電子之間，原子核與原子核之間以及核與電子之間的靜電相互作用的勢(shì)能。核與電子之間的靜電相互作用的勢(shì)能。對(duì)稱和反對(duì)稱態(tài)的能量本征值 經(jīng)微擾計(jì)算，得到相應(yīng)于對(duì)稱和反對(duì)稱態(tài)的能量本征值靜電交換作用，A原子波函數(shù)與B原子波函數(shù)交疊產(chǎn)生的交換能 ES=2E0+e2/R+K+A EA=2E0+e2/R+KA d1d2 庫侖靜電能量 d1d2 電子交換位

49、置產(chǎn)生的能量積分式A稱為交換積分。代表電子電子、電子原子核的靜電交換作用。)()(22222AbBaBArererebaK)()()()(222*baABBArererebbaaA 靜電的交換相互作用影響到自旋的陳列靜電的交換相互作用影響到自旋的陳列 氫分子計(jì)算證明：氫分子計(jì)算證明：氫分子的氫分子的A A0 0。有。有ESESEAEA，它的兩個(gè)電子自旋反平行陳列使，它的兩個(gè)電子自旋反平行陳列使系統(tǒng)的能量較低。系統(tǒng)的能量較低。 1 1當(dāng)相鄰原子的電子交換積分當(dāng)相鄰原子的電子交換積分A A0 0時(shí)，相鄰原子磁矩同時(shí)，相鄰原子磁矩同相陳列能量相陳列能量 最低。鐵磁性陳列能量低，產(chǎn)生自發(fā)磁化。最低。鐵

50、磁性陳列能量低，產(chǎn)生自發(fā)磁化。2 2當(dāng)當(dāng)A A0 0時(shí)，反鐵磁性陳列能量低。時(shí)，反鐵磁性陳列能量低。 交換積分交換積分AA電子運(yùn)動(dòng)形狀的波函數(shù)有關(guān)；電子運(yùn)動(dòng)形狀的波函數(shù)有關(guān)； 劇烈依賴于原子核劇烈依賴于原子核之間的間隔之間的間隔 時(shí)，時(shí)，A0 A0 3rRab磁性的本質(zhì)磁性的本質(zhì)1電子的磁矩電子的磁矩 (Magnetic moments) 電子的自旋磁矩電子的自旋磁矩spin) 軌道磁矩軌道磁矩(orbital) 磁性磁性 有未被填滿的電子殼層有未被填滿的電子殼層 不具磁性不具磁性 原子各層都充溢電子原子各層都充溢電子 2“交換作用交換作用不同原子間的、不同原子間的、未被填滿殼層上未被填滿殼層

51、上的電子發(fā)生的特的電子發(fā)生的特殊相互作用殊相互作用 鐵磁性鐵磁性 物質(zhì)物質(zhì)晶體構(gòu)造晶體構(gòu)造 原子間距原子間距 a/D 3時(shí)時(shí) 交換能為正值交換能為正值,自發(fā)磁化自發(fā)磁化a/D 3時(shí)時(shí) 交換能為負(fù)值，為反鐵磁性交換能為負(fù)值，為反鐵磁性 鐵磁性產(chǎn)生的條件鐵磁性產(chǎn)生的條件1、 原子內(nèi)部要有未填滿的電子殼層原子內(nèi)部要有未填滿的電子殼層必要條件必要條件 原子固有磁矩原子固有磁矩 不為零不為零2、 電子交換積分電子交換積分A0 充分條件充分條件 具有一定晶體構(gòu)造具有一定晶體構(gòu)造為什么溫度升高鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?？為什么溫度升高鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判裕?溫度升高，原子間距最大，交互作用降低；溫度升高，原子間距最大

52、，交互作用降低；2溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)破壞了磁矩的同相陳列自溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)破壞了磁矩的同相陳列自發(fā)磁化；發(fā)磁化；3當(dāng)溫度升高到當(dāng)溫度升高到TTc ，自發(fā)磁化不存在，鐵磁，自發(fā)磁化不存在，鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?。性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判浴?rRab六、 超交換作用不講 n對(duì)于一些含磁性離子的化合物磁性離子之間的交換作對(duì)于一些含磁性離子的化合物磁性離子之間的交換作用是經(jīng)過隔在中間的非磁性離子為媒介來實(shí)現(xiàn)的，稱用是經(jīng)過隔在中間的非磁性離子為媒介來實(shí)現(xiàn)的，稱為超交換作用。為超交換作用。 以MnO為例來討論。由于MnO具有面心立方構(gòu)造，Mn2+離子的最近鄰為6個(gè)氧離子O2-，而氧離子的最近鄰為6個(gè)錳離子Mn2+，這樣，

53、Mn2+-O2-Mn2+的耦合，可以存在兩種鍵角，即180o和90o的鍵角。圖54 MnO的Mn-O-Mn耦合鍵角 基態(tài)時(shí)，Mn2+離子的未滿電子殼層組態(tài)為3d5，5個(gè)自旋彼此平行取向；O2-的最外層電子組態(tài)為2P5，其自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量都是彼此抵消的，無凈自旋磁矩，它們的陳列情愿如圖5-5(a)所示。這種情況下，Mn2與O2-的電子波函數(shù)在成180o鍵角方向時(shí)能夠有較大的迭交，只是O2-離子無磁性，不能導(dǎo)致自發(fā)磁化。但是，由于有迭交，提供了2P電子遷移到Mn2的3d軌道內(nèi)的時(shí)機(jī)，使體系完全有能夠變成含有Mn2+和O1-的激發(fā)態(tài)。如圖55(b)所示。當(dāng)MnO系統(tǒng)處于激發(fā)態(tài)時(shí)，由于O1-中具

54、有自旋磁矩，這個(gè)未配對(duì)的電子，當(dāng)然有能夠與近鄰的Mn 2+離子的3d電子發(fā)生交換作用。 圖55 超交換作用原理(a)基態(tài) (b)激發(fā)態(tài)超交換作用原理超交換作用的物理過程n 設(shè)氧離子的2p電子受激后，有一個(gè)電子跑到Mn2+離子3d軌道成為d電子，思索向左邊遷移。成為d電子，如dl與d1平行時(shí)，能量用 表示，反平行時(shí)，能量用 表示。對(duì)于Mn2+， ，故d1與d1就取反平行陳列。思索激發(fā)的哈密頓量無自旋相互作用，2P電子激發(fā)到3d軌道的那個(gè)電子，只改動(dòng)位置不改動(dòng)自旋方向。雖然兩個(gè)P電子有同等被激發(fā)的幾率，根據(jù) 的要求應(yīng)該是自旋朝下的P電子跑到3d電子軌道變成d1電子。此時(shí)，O離子就將和右邊的Mn2+

55、離子產(chǎn)生直接交換作用了。普通以為O-和右邊Mn2+的直接交換積分是負(fù)值，所以P和d的電子自旋取向必然為反平行陳列。結(jié)果，導(dǎo)致O2-兩側(cè)成180o鍵角耦合的兩個(gè)Mn2+的自旋必定為反平行陳列這就是超交換作用原理。 )3(E)1(E)1(E)3(E)3(E)1(E超交換作用的普通規(guī)律n(1)3d電子數(shù)n5，根據(jù)洪德規(guī)那么由2P激發(fā)到3d去的電子自旋與3d層原有自旋取方向相反。假設(shè)O與另一金屬磁性離子間的交換積分為負(fù)，導(dǎo)致反鐵磁性；假設(shè)交換積分為正，導(dǎo)致鐵磁性。n (2)3d電子數(shù)n5，由2p激發(fā)到3d去的電子自旋與3d原有電子自旋同方向假設(shè)O與另一金屬磁性離子間的交換作用為負(fù)，導(dǎo)致鐵磁性；假設(shè)O與

56、另一金屬磁性離子的交換作用為正，導(dǎo)致反鐵磁性。 上節(jié)課小結(jié)n1、磁性的分類、磁性的分類n2、鐵磁性的微觀本質(zhì)、鐵磁性的微觀本質(zhì)n 自發(fā)磁化、磁疇、自發(fā)磁化、磁疇、n 物質(zhì)磁性的來源物質(zhì)磁性的來源n 鐵磁性產(chǎn)生的充要條件鐵磁性產(chǎn)生的充要條件n3、鐵磁性資料的特性、鐵磁性資料的特性n 自發(fā)磁化、磁疇自發(fā)磁化、磁疇n 磁化曲線磁化曲線n 磁滯回線磁滯回線5.4 5.4 鐵磁性物質(zhì)的磁化曲線和磁滯回線鐵磁性物質(zhì)的磁化曲線和磁滯回線 圖5-6 鐵磁體的磁化曲線和磁滯回線AR12K接磁通接磁通計(jì)計(jì)把未磁化的均勻鐵磁質(zhì)充溢一螺繞環(huán)，如圖把未磁化的均勻鐵磁質(zhì)充溢一螺繞環(huán)，如圖線圈中通入電流線圈中通入電流( (

57、勵(lì)磁電流勵(lì)磁電流) )后，鐵磁質(zhì)就被磁化。后，鐵磁質(zhì)就被磁化。 根據(jù)有介質(zhì)時(shí)的安培環(huán)路定理，當(dāng)勵(lì)磁電流根據(jù)有介質(zhì)時(shí)的安培環(huán)路定理，當(dāng)勵(lì)磁電流為為I I時(shí)，環(huán)內(nèi)的磁場強(qiáng)度：時(shí)，環(huán)內(nèi)的磁場強(qiáng)度：nIH 鐵磁鐵磁Fe,Co,Ni及稀釷族元素的化合物及稀釷族元素的化合物HrOHrB,HB ACBS 使勵(lì)磁電流從零開場，此使勵(lì)磁電流從零開場，此時(shí)時(shí)B=H=0B=H=0，然后逐漸增大電流，然后逐漸增大電流，以增大以增大H H 。測(cè)得。測(cè)得B B與與H H的對(duì)應(yīng)關(guān)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下圖：系如下圖： 隨隨H H的增大，的增大，B B先緩慢增大先緩慢增大(OA(OA段段) )，然后迅速增大，然后迅速增大(AB(AB段

58、段) )，過，過B B點(diǎn)點(diǎn)過后，過后，B B又緩慢增大又緩慢增大(BC(BC段段) )。 從從S S開場，開場，B B幾乎不隨幾乎不隨H H的增大而增大，介質(zhì)的的增大而增大，介質(zhì)的磁化到達(dá)飽和。與磁化到達(dá)飽和。與S S對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的HSHS稱飽和磁場強(qiáng)度，相稱飽和磁場強(qiáng)度，相應(yīng)的應(yīng)的BSBS稱飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。稱飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。 根據(jù)根據(jù) ，可以求出不同，可以求出不同H H值對(duì)應(yīng)的值對(duì)應(yīng)的r r值，由此可見鐵磁質(zhì)值，由此可見鐵磁質(zhì)BHBH顯著的非線性特點(diǎn)。顯著的非線性特點(diǎn)。)/(0HBrOHOHBOHM曲線HM 曲線HB 曲線H 磁化曲線的三種方式磁化曲線的三種方式開場開場M的添加比較緩慢后來的添

59、加比較緩慢后來添加較快添加較快最后到達(dá)最后到達(dá)Ms(飽和磁化強(qiáng)度飽和磁化強(qiáng)度)縱坐標(biāo)改為磁感應(yīng)強(qiáng)度縱坐標(biāo)改為磁感應(yīng)強(qiáng)度B，對(duì)應(yīng)于平衡值對(duì)應(yīng)于平衡值Ms的磁感應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值稱為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度強(qiáng)度值稱為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度(Bs 磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率隨隨H的變化的變化磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率是是B-H曲線上的斜率曲線上的斜率在在B-H曲線上，當(dāng)曲線上，當(dāng)H0時(shí)的斜率時(shí)的斜率稱為初起始磁導(dǎo)率稱為初起始磁導(dǎo)率i初起始磁導(dǎo)率是磁性資料的初起始磁導(dǎo)率是磁性資料的重要性能目的之一重要性能目的之一M(B)與與H的變化關(guān)系的變化關(guān)系磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率隨隨H的變化的變化H H添加，磁疇界挪動(dòng)，磁疇逐漸添加，磁疇界挪動(dòng)，磁疇逐漸改動(dòng)，磁矩方向轉(zhuǎn)

60、向，漸與磁場改動(dòng)，磁矩方向轉(zhuǎn)向，漸與磁場平行，單一磁域飽和磁化平行，單一磁域飽和磁化 磁化曲線與磁疇的關(guān)系磁化曲線與磁疇的關(guān)系1.1.安裝：環(huán)形螺繞環(huán)安裝：環(huán)形螺繞環(huán); ; 鐵磁鐵磁Fe,Co,NiFe,Co,Ni及稀釷及稀釷族元素的化合物，能被劇烈地磁化。族元素的化合物，能被劇烈地磁化。RNIH2實(shí)驗(yàn)丈量實(shí)驗(yàn)丈量B,B,如用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)丈量或用如用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)丈量或用小線圈在縫口處丈量得出小線圈在縫口處丈量得出H-BH-B曲線曲線2.2.原理：勵(lì)磁電流原理：勵(lì)磁電流 I; I; 用安培定理得用安培定理得H H。RII當(dāng)外磁場變化一個(gè)周期時(shí)，鐵磁質(zhì)內(nèi)當(dāng)外磁場變化一個(gè)周期時(shí)，鐵磁質(zhì)內(nèi)部的磁場變化曲線