材料物理學(xué)課件

材料的磁學(xué)§1.材料的磁性概述1.1磁性材料發(fā)展簡歷磁性材料是一簇新興的基礎(chǔ)功能材料。雖然早在3000多年前我國就已發(fā)現(xiàn)磁石相互吸引和磁石吸鐵的現(xiàn)象,并在世界上最先發(fā)明用磁石作為指示方向和校正時間的應(yīng)用,在《韓非子》和東漢王充著的《論衡》兩書中所提到的“司南”就是指此,但畢竟只是單一地應(yīng)用了天然的磁性材料。人類注意于磁性材料的性能特點、制造、應(yīng)用等的研究、開發(fā)的發(fā)展歷史尚不到100年時間。經(jīng)過近百年的發(fā)展,磁性材料已經(jīng)形成了一個龐大的家族,按材料的磁特性來劃分,有軟磁、永磁、旋磁、記憶磁、壓磁等;按材料構(gòu)成來劃分,有合金磁性材料,鐵氧體磁性材料。公元前4世紀(jì)，中國發(fā)明了司南。后來，出現(xiàn)了指南車。公元前3世紀(jì)，戰(zhàn)國時期，<<韓非子>>中這樣記載：“先王立司南以端朝夕”。<<鬼谷子>>中記載：“鄭人取玉，必載司南，為其不惑也”。公元1世紀(jì)，東漢，王充在<<論衡>>中寫道：“司南之杓，投之于地，其柢指南”。公元11世紀(jì)，北宋，沈括在<<夢溪筆談>>中提到了指南針的制造方法：“方家以磁石磨針鋒，則能指南......水浮多蕩搖，指抓及碗唇上皆可為之，運轉(zhuǎn)尤速，但堅滑易墜，不若縷懸之最善。”同時，他還發(fā)現(xiàn)了磁偏角，即：地球的磁極和地理的南北極不完全重合。§1.材料的磁性概述1.1磁性材料發(fā)展簡歷公元17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<<論磁石>>。公元18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了大膽的描繪。公元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)等相繼被發(fā)現(xiàn)和研究，同時磁性材料的理論出現(xiàn)，涌現(xiàn)出了象法拉第、安培、韋伯、高斯、奧斯特、麥克絲韋、赫茲等大批現(xiàn)代電磁學(xué)大師。20世紀(jì)初，法國的外斯提出了著名的磁性物質(zhì)的分子場假說，奠定了現(xiàn)代磁學(xué)的基礎(chǔ)?！?.材料的磁性概述1.1磁性材料發(fā)展簡歷磁介質(zhì)的磁化磁介質(zhì)的分類順磁質(zhì)—,同向，抗磁質(zhì)—,反向，鐵磁質(zhì)：

，§1.材料的磁性概述1.2磁性的基本概念一、磁性的分類二、磁場強度H如果磁場是由長度為l，電流為I的圓柱狀線圈（N匝）產(chǎn)生的，則H的單位為A/m§1.材料的磁性概述1.2磁性的基本概念三、磁感應(yīng)強度B：表示材料在外磁場H的作用下在材料內(nèi)部的磁通量密度。B的單位:T或Wb/m2在真空中，磁感應(yīng)強度為式中μ0為真空磁導(dǎo)率，它是一個普適常數(shù)其值:4π×10-7

單位:H（亨利）/m?！?.材料的磁性概述1.2磁性的基本概念在磁介質(zhì)中，磁場強度和磁感應(yīng)強度的關(guān)系為式中的μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，是材料的特性常數(shù)。μ的單位為H/m?！?.材料的磁性概述1.2磁性的基本概念除了SI單位制以外，還有一種高斯（Gauss）單位制，當(dāng)使用高斯單位制時，磁感應(yīng)強度的表達式為這里，B的單位為高斯G，磁場強度H的單位為奧斯特Oe。磁性常數(shù)（真空磁導(dǎo)率）為1，單位是G/OeM是磁極密度，4πM是磁通線的密度?！?.材料的磁性概述1.2磁性的基本概念四、磁導(dǎo)率2.有四種表示方法：絕對磁導(dǎo)率μ相對磁導(dǎo)率μr=μ/μ0起始磁導(dǎo)率μi復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率μ在給定激磁條件下的磁導(dǎo)率復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的表示方法（串聯(lián)等效電路）§1.材料的磁性概述1.2磁性的基本概念3.在工程中磁導(dǎo)率分為：有效磁導(dǎo)率、永久磁導(dǎo)率、表觀磁導(dǎo)率、振幅磁導(dǎo)率、可逆磁導(dǎo)率、切變磁導(dǎo)率、脈沖磁導(dǎo)率、最大磁導(dǎo)率等磁導(dǎo)率的物理意義：表示材料在單位磁場強度的外磁場作用下，材料內(nèi)部的磁通量密度。是材料的特征常數(shù)。4.相對磁導(dǎo)率μr定義：材料的磁導(dǎo)率μ與真空磁導(dǎo)率μ0之比。μr為無量綱的參數(shù)磁化率χ與相對磁導(dǎo)率之間的關(guān)系§1.材料的磁性概述1.2磁性的基本概念五、磁化強度M定義：在外磁場H的作用下，材料中因磁矩沿外場方向排列而使磁場強化的量度，其值等于單位體積材料中感應(yīng)的磁矩大小。單位為A/m，與磁場強度H單位一致。§1.材料的磁性概述1.2磁性的基本概念§1.材料的磁性概述1.3磁性的起源一、磁矩磁源于電：環(huán)形電流周圍的磁場，符合右螺旋法則，其磁矩定義為：m–載流線圈的磁矩I-載流線圈通過的電流S-載流線圈的面積n-載流線圈平面的法線方向上的單位矢量§1.材料的磁性概述1.3磁性的起源OrbitalSpin軌道磁矩自旋磁矩二、產(chǎn)生磁矩的原因軌道磁矩電子圍繞原子核的軌道運動，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。自旋磁矩每個電子本身有自旋運動產(chǎn)生一個沿自旋軸方向的磁矩，即自旋磁矩。§1.材料的磁性概述1.3磁性的起源最基本磁矩：Bohr磁子（magneton）μB原子中每個電子的自旋磁矩為：

±μB（+為自旋向上，-為自旋向下）軌道磁矩大小則為：miμB（mi為磁量子數(shù)）三、最基本磁矩

-玻爾磁子§1.材料的磁性概述1.3磁性的起源四、原子磁矩：為原子中各電子磁矩總和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。

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。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)原子電子層或次層完全填滿：磁矩為零如He,Ne,Ar以及某些離子材料。本節(jié)小結(jié)：磁感應(yīng)強度B、磁場強度H、磁化強度M等幾個概念的關(guān)系磁導(dǎo)率的概念磁性的來源：軌道磁矩與自旋磁矩玻爾磁子、凈磁矩§1.材料的磁性概述

1.抗磁性：沒有固有原子磁矩

2.順磁性：有固有磁矩，沒有相互作用

3.鐵磁性：有固有磁矩，直接交換相互作用

4.反鐵磁性：有磁矩，直接交換相互作用

5.亞鐵磁性：有磁矩，間接交換相互作用

6.自旋玻璃和混磁性：有磁矩，RKKY相互作用

7.超順磁性：磁性顆粒的磁晶各向異性與熱激發(fā)的競爭每一種材料至少表現(xiàn)出其中一種磁性，這取決于材料的成分和結(jié)構(gòu)?！?.物質(zhì)的各類磁性由于外磁場使電子的軌道運動發(fā)生變化而引起的，方向與外磁場相反的一種磁性。它是一種很弱的、非永久性的磁性，只有在外磁場存在時才能維持。原子的本征磁矩為零，外磁場作用使電子的軌道運動發(fā)生變化而引起的。§2.物質(zhì)的各類磁性2.1抗磁性一、定義：§2.物質(zhì)的各類磁性2.1抗磁性二、特征：所感應(yīng)的磁矩很小，方向與外磁場相反，即磁化強度M為很小的負(fù)值。相對磁導(dǎo)率μr

＜1，磁化率χ＜0（為負(fù)值）。在抗磁體內(nèi)部的磁感應(yīng)強度B比真空中的小?？勾朋w的磁化率χ約為-10-5數(shù)量級。所有材料都有抗磁性。因為它很弱，只有當(dāng)其它類型的磁性完全消失時才能被觀察。如Bi,Cu,Ag,Au有些固體的原子具有本征磁矩；無外磁場作用時，材料中的原子磁矩?zé)o序排列，材料表現(xiàn)不出宏觀磁性；受外磁場作用時，原子磁矩能通過旋轉(zhuǎn)而沿外場方向擇優(yōu)取向，表現(xiàn)出宏觀磁性，這種磁性稱為順磁性。§2.物質(zhì)的各類磁性2.2順磁性一、定義：§2.物質(zhì)的各類磁性2.2順磁性在此材料中，原子磁矩沿外磁場方向排列，磁場強度獲得增強，磁化強度為正值，相對磁導(dǎo)率μr

＞1，磁化率為正值。磁化率χ＞0，也很小，只有10-5～10-2。抗磁體和順磁體對于磁性材料應(yīng)用來說都視為無磁性。它們只有在外磁場存在下才被磁化，且磁化率極小。二、特征：有些磁性材料在外磁場作用下產(chǎn)生很強的磁化強度。外磁場除去后仍保持相當(dāng)大的永久磁性，這種磁性稱為鐵磁性。過渡金屬鐵、鈷、鎳和某些稀土金屬如釓、釔、釤、銪等都具有鐵磁性。此材料的磁化率可高達103，M>>H材料是否具有鐵磁性取決于兩個因素：(1)原子是否具有由未成對電子，即自旋磁矩貢獻的凈磁矩(本征磁矩)(2)原子在晶格中的排列方式§2.物質(zhì)的各類磁性2.3鐵磁性鐵、鈷、鎳等過渡元素都具有未成對的3d電子。分別具有4、3和2的凈磁矩。鐵、鈷、鎳金屬在室溫下具有自發(fā)磁化的傾向（交換作用）。形成相鄰原子的磁矩都向一個方向排列的小區(qū)域，稱為磁疇。Transitionalmetal-Unfilledd-,f-OrbitalsLeadtoLargeMagneticMoments!§2.物質(zhì)的各類磁性2.3鐵磁性在有些材料中，相鄰原子或離子的磁矩呈反方向平行排列，結(jié)果總磁矩為零，叫反鐵磁性。反鐵磁性物質(zhì)有某些金屬如Mn，Cr等，某些陶瓷如MnO，NiO等以及某些鐵氧體如ZnFe2O4等。以氧化錳(MnO)為例，它是離子型陶瓷材料，由Mn2+和O2-離子組成

O2-離子沒有凈磁矩，因為其電子的自旋磁矩和軌道磁矩全都對消了；Mn2+離子有未成對3d電子貢獻的凈磁矩在MnO晶體結(jié)構(gòu)中，相鄰Mn2+離子的磁矩都成反向平行排列，結(jié)果磁矩相互對消，整個固體材料的總磁矩為零§2.物質(zhì)的各類磁性2.4反鐵磁性亞鐵磁性在宏觀性能上與鐵磁性類似，區(qū)別在于亞鐵磁性材料的飽和磁化強度比鐵磁性的低。成因是由于材料結(jié)構(gòu)中原子磁矩不象鐵磁體中那樣向一個方向排列，而是呈反方向排列，相互抵消了一部分。§2.物質(zhì)的各類磁性2.5亞鐵磁性以立方鐵氧體為例說明亞鐵磁性的本質(zhì)立方鐵氧體的用化學(xué)式MFe2O4，其中的M為某種金屬元素磁鐵礦Fe3O4就是一種亞鐵磁體Fe3O4可以寫成Fe2+O2--(Fe3+)2(O2-)3其中二價鐵離子和三價鐵離子的比例為1:2每個Fe2+和Fe3+都具有凈自旋磁矩，分別為4和5O2-是無磁矩的§2.物質(zhì)的各類磁性2.5亞鐵磁性§3.抗磁性與順磁性理論3.1抗磁性理論

1905年郎之萬在經(jīng)典統(tǒng)計理論基礎(chǔ)上,首先給出了第一個順磁性理論,其理論要點如下:設(shè)順磁物質(zhì)中每個原子(或磁離子)的固有磁矩為，而且原子之間沒有相互作用；當(dāng)外磁場H=0,各原子磁矩受熱擾動的影響,在平衡態(tài)時，其方向是無規(guī)分布的，所以體系的總磁矩M=0；外加磁場H時，原子磁矩趨近于磁場H方向，磁化強度正比與外磁場?！?.抗磁性與順磁性理論3.2順磁性理論設(shè)第i個原子的磁矩為，單位體積內(nèi)個N原子，外加磁場為H，則根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計理論可推導(dǎo)出磁化強度與磁場強度、溫度的關(guān)系式為上式即為順磁性朗之萬方程?！?.抗磁性與順磁性理論3.2順磁性理論（1）高溫情況：

在高溫下，kBT

?μJ·H，所以α

?1式中C為居里常數(shù)，順磁材料的居里定律：§3.抗磁性與順磁性理論3.2順磁性理論根據(jù)χ-T實驗曲線斜率的倒數(shù)，便可從實驗上測出居里常數(shù),再代入居里常數(shù)的定義式，就得到每個原子磁矩的大小。§3.抗磁性與順磁性理論3.2順磁性理論（2）

低溫情況下或在磁場非常強的條件下

這時，μH?kT，即α?1L（α）=0

因而得到：M=N·μJ=Ms（飽和磁化強度）郎之萬最早從理論上推導(dǎo)出居里定律，他開創(chuàng)了從微觀出發(fā)，用統(tǒng)計方法研究物質(zhì)磁性的道路。然而，他的理論沒有考慮到磁矩在空間的量子化，因而與實驗結(jié)果相比，在定量上有較大的差別?！?.抗磁性與順磁性理論3.2順磁性理論

不是常數(shù)，隨而變有剩磁現(xiàn)象有居里溫度（），鐵磁質(zhì)順磁質(zhì):，:材料是否具有鐵磁性取決于兩個因素：(1)原子是否具有由未成對電子，即自旋磁矩貢獻的凈磁矩(本征磁矩)(2)原子在晶格中的排列方式§4.鐵磁性理論4.1鐵磁性一、鐵磁性材料的決定因素材料是否具有自發(fā)磁化形成磁疇的傾向與晶格中原子間距與它的3d軌道直徑之比有關(guān)。比值在1.4～2.7之間的材料，如鐵、鈷、鎳等有形成磁疇的傾向，是鐵磁性材料。比值在1.4～2.7之外的材料，如錳、鉻等雖然也有未成對的3d電子貢獻的凈磁矩，但由于沒有自發(fā)磁化形成磁疇的傾向，故成為非鐵磁性材料。鐵磁性材所能達到的最大磁化強度叫做飽和磁化強度，用Ms表示?！?.鐵磁性理論4.1鐵磁性

對于所有的磁性材料來說，并不是在任何溫度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一個臨界溫度Tc，在這個溫度以上，由于高溫下原子的劇烈熱運動，原子磁矩的排列是混亂無序的。在此溫度以下，原子磁矩排列整齊，產(chǎn)生自發(fā)磁化，物體變成鐵磁性或亞鐵磁性。所以，居里溫度是鐵磁體或亞鐵磁體的相變轉(zhuǎn)變點，鐵磁態(tài)或亞鐵磁態(tài)順磁態(tài)Tc二、鐵磁性材料的居里溫度§4.鐵磁性理論4.1鐵磁性鐵磁體的居里溫度-應(yīng)用實例

利用這個特點，人們開發(fā)出了很多控制元件。例如，我們使用的電飯鍋就利用了磁性材料的居里點的特性。在電飯鍋的底部中央裝了一塊磁鐵和一塊居里點為105度的磁性材料。當(dāng)鍋里的水分干了以后，食品的溫度將從100度上升。當(dāng)溫度到達大約105度時，由于被磁鐵吸住的磁性材料的磁性消失，磁鐵就對它失去了吸力，這時磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會把它們分開，同時帶動電源開關(guān)被斷開，停止加熱。§4.鐵磁性理論4.1鐵磁性§4.鐵磁性理論4.1鐵磁性所謂磁疇，是指磁性材料內(nèi)部的一個個小區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)包含大量原子，這些原子的磁矩都象一個個小磁鐵那樣整齊排列，但相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩排列的方向不同。各個磁疇之間的交界面稱為磁疇壁。宏觀物體一般總是具有很多磁疇，這樣，磁疇的磁矩方向各不相同，結(jié)果相互抵消，矢量和為零，整個物體的磁矩為零，它也就不能吸引其它磁性材料。也就是說磁性材料在正常情況下并不對外顯示磁性。只有當(dāng)磁性材料被磁化以后，它才能對外顯示出磁性。三、磁疇任何鐵磁體和亞鐵磁體，在溫度低于居里溫度Tc時，都是由磁疇組成的。磁疇是自發(fā)磁化到飽和（即其中的磁矩均朝一個方向排列）的小區(qū)域。相鄰磁疇之間的界線叫磁疇壁磁疇壁是一個有一定厚度的過渡層，在過渡層中磁矩方向逐漸改變。§4.鐵磁性理論4.1鐵磁性既然磁疇內(nèi)部的磁矩排列是整齊的，那么在磁疇壁處原子磁矩又是怎樣排列的呢？在疇壁的一側(cè)，原子磁矩指向某個方向，假設(shè)在疇壁的另一側(cè)原子磁矩方向相反。那么，在疇壁內(nèi)部，原子磁矩必須成某種形式的過渡狀態(tài)。實際上，疇壁由很多層原子組成。為了實現(xiàn)磁矩的轉(zhuǎn)向，從一側(cè)開始，每一層原子的磁矩都相對于磁疇中的磁矩方向偏轉(zhuǎn)了一個角度，并且每一層的原子磁矩偏轉(zhuǎn)角度逐漸增大，到另一側(cè)時，磁矩已經(jīng)完全轉(zhuǎn)到和這一側(cè)磁疇的磁矩相同的方向。

§4.鐵磁性理論4.1鐵磁性磁疇的線尺寸：通常約為0.1～0.01cm對于多晶體可能其中的每一個晶粒都是由一個以上的磁疇組成的；因此一塊宏觀的樣品包含許許多多個磁疇；每一個磁疇都有特定的磁化方向；整塊樣品的磁化強度則是所有磁疇磁化強度的向量和。在一塊不經(jīng)外磁場磁化的樣品中、磁疇的取向是無序的，故磁疇的向量之和為零，因此，整塊磁體對外不顯示磁性。§4.鐵磁性理論4.1鐵磁性1.裝置：環(huán)形螺繞環(huán);鐵磁Fe,Co,Ni及稀釷族元素的化合物，能被強烈地磁化。實驗測量B,如用感應(yīng)電動勢測量或用小線圈在縫口處測量；由得出曲線。2.原理：勵磁電流I;

用安培定理得H。當(dāng)外磁場變化一個周期時，鐵磁質(zhì)內(nèi)部的磁場變化曲線如圖所示；§4.鐵磁性理論4.1鐵磁體的磁化曲線一、磁化曲線的實驗測定§4.鐵磁性理論4.1鐵磁體的磁化曲線3.磁化曲線的三種形式鐵磁與亞鐵磁B-H曲線（亞）鐵磁體磁化時，磁化強度M(B)與磁場強度H間不是簡單的線性比例關(guān)系；磁化強度M(B)隨H的變化如右圖所示(假設(shè)樣品在一開始已經(jīng)退磁化)。H增加，磁域界移動，磁域逐漸改變，磁矩方向轉(zhuǎn)向，漸與磁場平行，單一磁域（飽和磁化）

§4.鐵磁性理論4.1鐵磁體的磁化曲線二、磁化曲線與磁疇的關(guān)系M(B)與H的變化關(guān)系開始M的增加比較緩慢后來增加較快最后達到Ms(飽和磁化強度)縱坐標(biāo)改為磁感應(yīng)強度B，則對應(yīng)于平衡值Ms的磁感應(yīng)強度值稱為飽和磁感應(yīng)強度(Bs）磁導(dǎo)率μ隨H的變化磁導(dǎo)率μ是B-H曲線上的斜率在B-H曲線上，當(dāng)H→0時的斜率稱為初（起）始磁導(dǎo)率μi初（起）始磁導(dǎo)率是磁性材料的重要性能指標(biāo)之一§4.鐵磁性理論4.1鐵磁體的磁化曲線磁化狀態(tài)下的磁體中的靜磁能量§4.鐵磁性理論4.1鐵磁體的磁化曲線樣品磁化到飽和點之后，慢慢地減小H，則M也減小。這個過程叫退磁化過程。M(B)的變化并不是按磁化曲線的原路程退回，而是按另一條曲線變化。§4.鐵磁性理論4.1鐵磁體的磁化曲線三、磁滯回線§4.鐵磁性理論4.1鐵磁體的磁化曲線BHoc起始磁化曲線為oc,當(dāng)外磁場減小時，介質(zhì)中的磁場并不沿起始磁化曲線返回，而是滯后于外磁場變化，

——磁滯現(xiàn)象。HcBrHc當(dāng)外磁場為0時，介質(zhì)中的磁場并不為0，有一剩磁Br;矯頑力——加反向磁場Hc，使介質(zhì)內(nèi)部的磁場為0，繼續(xù)增加反向磁場，介質(zhì)達到反向磁飽和狀態(tài)；改變外磁場為正向磁場，不斷增加外場，介質(zhì)又達到正向磁飽和狀態(tài)。磁化曲線形成一條磁滯回線。結(jié)論鐵磁質(zhì)的不是一個常數(shù)，它是的函數(shù)。B的變化落后于H，從而具有剩磁，即磁滯效應(yīng)?！?.鐵磁性理論4.1鐵磁體的磁化曲線§4.鐵磁性理論4.1鐵磁體的磁化曲線四、磁滯回線與磁疇的關(guān)系

在無外磁場時，各磁疇排列雜亂無章，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)部的磁場迅速增加，在鐵磁質(zhì)充磁過程中伴隨著發(fā)聲、發(fā)熱。Bo磁疇：鐵磁質(zhì)中由于原子的強烈作用，在鐵磁質(zhì)中形成磁場很強的小區(qū)域——磁疇。磁疇的體積約為10-12m3

?！?.鐵磁性理論4.2鐵磁體的磁化機制一、磁疇的轉(zhuǎn)向隨著外磁場增加，能夠提供轉(zhuǎn)向的磁疇越來越少，鐵磁質(zhì)中的磁場增加的速度變慢，最后外磁場再增加，介質(zhì)內(nèi)的磁場也不會增加，鐵磁質(zhì)達到磁飽和狀態(tài)。HBoabcd起始磁化曲線飽和磁化強度MS等于每個磁疇中原來的磁化強度，該值很大，這就是鐵磁質(zhì)磁性

r大的原因。

磁滯現(xiàn)象是由于摻雜和內(nèi)應(yīng)力等的作用，當(dāng)撤掉外磁場時磁疇的疇壁很難恢復(fù)到原來的形狀，而表現(xiàn)出來?！?.鐵磁性理論4.2鐵磁體的磁化機制磁飽和狀態(tài)磁滯損耗磁滯回線所包圍的面積表征一個磁化周期內(nèi)，以熱的形式所消耗的功(J/m3)。最大的磁能積(BH)max它是磁滯回線在第二象限內(nèi)磁感應(yīng)強度和磁場強度乘積的最大值?！?.鐵磁性理論4.2鐵磁體的磁化機制二、磁滯損耗與最大磁能積磁化，未必一定要磁化到飽和后才改變外磁場方向。在右圖中，封閉曲線即是未達到飽和時的磁滯回線。也可以在將材料磁化到任何一點時開始改變外磁場的方向，產(chǎn)生其它形式的滋滯回線，如右圖中的封閉曲線LM。如果要將已磁化的鐵磁體或亞鐵磁體去磁，有效方法之一是使之經(jīng)受一個振幅逐漸減小的交變磁場的作用。三、磁化程度§4.鐵磁性理論4.2鐵磁體的磁化機制(1)加熱法當(dāng)鐵磁質(zhì)的溫度升高到某一溫度時，磁性消失，由鐵磁質(zhì)變?yōu)轫槾刨|(zhì)，該溫度為居里溫度tc。當(dāng)溫度低于tc時，又由順磁質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁質(zhì)。鐵的居里溫度Tc=770°C

30%的坡莫合金居里溫度Tc=70oC原因：由于加熱使磁介質(zhì)中的分子、原子的振動加劇，提供了磁疇轉(zhuǎn)向的能量，使鐵磁質(zhì)失去磁性。四、退磁方法(2)敲擊法：通過振動可提供磁疇轉(zhuǎn)向的能量，使介質(zhì)失去磁性。如敲擊永久磁鐵會使磁鐵磁性減小。(3)加反向磁場法：加反向磁場，提供一個矯頑力Hc,使鐵磁質(zhì)退磁。(4)加交變衰減的磁場：使介質(zhì)中的磁場逐漸衰減為0，應(yīng)用在錄音機中的交流抹音磁頭中?！?.鐵磁性理論4.2鐵磁體的磁化機制§4.鐵磁性理論4.2鐵磁性的物理本質(zhì)(1)軟磁材料具有較高的磁導(dǎo)率和較高的飽和磁感應(yīng)強度；較小的矯頑力（矯頑力很小，即磁場的方向和大小發(fā)生變化時磁疇壁很容易運動）和較低磁滯損耗，磁滯回線很窄；在磁場作用下非常容易磁化；取消磁場后很容易退磁化象軟鐵、坡莫合金、硒鋼片、鐵鋁合金、鐵鎳合金等。由于軟磁材料磁滯損耗小，適合用在交變磁場中，如變壓器鐵芯、繼電器、電動機轉(zhuǎn)子、定子都是用軟件磁性材料制成?！?.鐵磁性理論4.4鐵磁材料分類軟磁材料主要應(yīng)用制造磁導(dǎo)體，變壓器、繼電器的磁芯(鐵芯)、電動機轉(zhuǎn)子和定子、磁路中的連接元件、磁極頭、磁屏蔽材料、感應(yīng)圈鐵芯、電子計算機開關(guān)元件和存儲元件等。軟磁材料的應(yīng)用要求

要求軟磁材料的電阻率比較高因為使用中除上述磁滯能量損失之外，還可能因磁場變化在磁性材料中產(chǎn)生電流（渦流）而造成能量損失。為了盡量減少后一種能量損失，要求磁性材料的電阻率較高，因此常用固溶體合金（如鐵-硅、鐵-鎳合金）和陶瓷鐵氧體作軟磁材料?！?.鐵磁性理論4.4鐵磁材料分類§4.鐵磁性理論4.4鐵磁材料分類(2)硬磁材料硬磁材料又稱永磁材料，難于磁化又難于退磁。主要特點具有較大的矯頑力，典型值Hc＝104～106A/m；磁滯回線較粗，具有較高的最大磁能積(BH)max；剩磁很大；這種材料充磁后不易退磁，適合做永久磁鐵。硬磁性材料如碳鋼、鋁鎳鈷合金和鋁鋼等。§4.鐵磁性理論4.4鐵磁材料分類硬磁材料主要應(yīng)用用于制造各種永磁體，以便提供磁場空間；可用于各類電表和電話、錄音機、電視機中以及利用磁性牽引力的舉重器、分料器和選礦器中。鋁鎳鈷合金硬磁材料六方鐵氧體硬磁材料稀土永磁材料一類是釹鐵硼(Nd-Fe-B)系合金，是目前工業(yè)用硬磁材料最大磁能積最高者。其主要缺點是溫度穩(wěn)定性和抗腐蝕性稍差。一類是鈷基稀土永磁材料，主要代表是SmCo5燒結(jié)永磁體和Sm2Co17多相沉淀硬化永磁材料。它們的缺點是脆，加工性稍差。§4.鐵磁性理論4.4鐵磁材料分類§4.鐵磁性理論4.4鐵磁材料分類(3)非金屬氧化物----鐵氧體鐵氧體是含鐵酸鹽的陶瓷氧化物磁性材料，一般呈現(xiàn)出亞鐵磁性。磁滯回線呈矩形，又稱矩磁材料，剩磁接近于磁飽合磁感應(yīng)強度具有高磁導(dǎo)率、高電阻率由Fe2O3和其他二價的金屬氧化物（如NiO，ZnO等粉末混合燒結(jié)而成?？勺鞔判杂洃浽?.鐵磁性理論4.4鐵磁材料分類尖晶石鐵氧體：屬立方晶系，化學(xué)式為Fe3+(Fe2+M2+)O4磁鉛石鐵氧體：屬六方晶系，與反尖晶石類似，AB12O19表示。最普通的六方鐵氧體：PbFe12O19和BaFe12O19石榴石型鐵氧體的結(jié)構(gòu)屬立方晶系化學(xué)一般式可寫為M3Fe5O12，其中M代表稀土離子，如：衫、銪、釓或釔等?！?.鐵磁性理論4.4鐵磁材料分類§4.鐵磁性理論4.4鐵磁材料分類材料的電學(xué)1.電導(dǎo)的物理現(xiàn)象

1.1電導(dǎo)的宏觀參數(shù)Flowofelectronsinthemetaltothepositiveelectrode,astheeffectofapplyingavoltageSimplepictureofmetallicbonding:highnumberofelectronsinbetweentheionsEnergyscheme:PositiveendoftherodhasalowerenergythanthenegativeendWhynotalltheelectronsmovetothepositiveterminal?對一截均勻?qū)щ婓w，存在如下關(guān)系：歐姆定律歐姆定律微分形式1.電導(dǎo)的物理現(xiàn)象

1.1電導(dǎo)的宏觀參數(shù)AreaLengthi一、電阻率（電導(dǎo)率）二、表面電阻、體積電阻1.電導(dǎo)的物理現(xiàn)象

1.1電導(dǎo)的宏觀參數(shù)1.對板狀樣品1.電導(dǎo)的物理現(xiàn)象

1.1電導(dǎo)的宏觀參數(shù)2.對管狀樣品1.電導(dǎo)的物理現(xiàn)象

1.1電導(dǎo)的宏觀參數(shù)3.對圓片狀樣品1.電導(dǎo)的物理現(xiàn)象

1.1電導(dǎo)的宏觀參數(shù)1.二探針法（2-ProbeConductivityMeasurements）VLAR=Rsample+RcontactR=V/Ir

=(RA)/LICangiveerroneousvaluesifcontactresistance,Rcontact,isnotnegligiblewithrespecttoRsampleOhmeter特征：適用于高導(dǎo)電率材料響消除電極非歐姆接觸對測量的影響1.電導(dǎo)的物理現(xiàn)象

1.1電導(dǎo)的宏觀參數(shù)三、電阻測試方法I=V1/R1Rsample=V2/IRsample=(V2R1)/V1r

=Rsample(A/L)特征：樣品尺寸較大一般用來測量半導(dǎo)體材料的方阻。LAIV2V1R1CurrentSourceOhmeters1.電導(dǎo)的物理現(xiàn)象

1.1電導(dǎo)的宏觀參數(shù)2.四探針法（4-ProbeConductivityMeasurements）四、材料的電阻1.電導(dǎo)的物理現(xiàn)象

1.1電導(dǎo)的宏觀參數(shù)ResistivitiesofRealMaterials1.電導(dǎo)的物理現(xiàn)象

1.1電導(dǎo)的宏觀參數(shù)四、材料的電阻電流是電荷在空間的定向運動。任何一種物質(zhì)，只要存在帶電荷的自由粒子——載流子，就可以在電場下產(chǎn)生導(dǎo)電電流。金屬中：自由電子無機材料中：電子（負(fù)電子/空穴）——電子電導(dǎo)離子（正、負(fù)離子/空穴）——離子電導(dǎo)1.電導(dǎo)的物理現(xiàn)象

1.2電導(dǎo)的物理特性一、載流子二、遷移率1.電導(dǎo)的物理現(xiàn)象

1.2電導(dǎo)的物理特性電子電導(dǎo)的特征是具有霍爾效應(yīng)。置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢差，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。

霍爾系數(shù)（又稱霍爾常數(shù)）RH

在磁場不太強時，霍爾電勢差UH與激勵電流I和磁感應(yīng)強度B的乘積成正比，與霍爾片的厚度δ成反比，即式中的RH稱為霍爾系數(shù)，它表示霍爾效應(yīng)的強弱。1.電導(dǎo)的物理現(xiàn)象

1.2電導(dǎo)的物理特性三、霍爾效應(yīng)1.電導(dǎo)的物理現(xiàn)象

1.2電導(dǎo)的物理特性霍爾效應(yīng)的起源：源于磁場中運動電荷所產(chǎn)生的洛侖茲力，導(dǎo)致載流子在磁場中產(chǎn)生洛侖茲偏轉(zhuǎn)。該力所作用的方向即與電荷運動的方向垂直，也與磁場方向垂直。JxEyHz1.電導(dǎo)的物理現(xiàn)象

1.2電導(dǎo)的物理特性

霍爾系數(shù)RH=μ*ρ，即霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率ρ與電子遷移率μ的乘積?；魻栂禂?shù)RH有如下表達式：對于半導(dǎo)體材料：n型：p型：離子電導(dǎo)的特征是具有電解效應(yīng)。利用電解效應(yīng)可以檢驗材料是否存在離子導(dǎo)電可以半頂載流子是正離子還是負(fù)離子1.電導(dǎo)的物理現(xiàn)象

1.2電導(dǎo)的物理特性四、電解效應(yīng)1.電導(dǎo)的物理現(xiàn)象

1.2電導(dǎo)的物理特性

純金屬電阻率理論研究是認(rèn)識和理解電子與聲子相互作用的最典型的例子之一,也是超導(dǎo)的理論基礎(chǔ)。包括J.Bardeen在內(nèi)的不少人對純金屬電阻率與溫度奇異的依賴關(guān)系進行過深入的理論研究，但“處理方法、數(shù)學(xué)積分及至結(jié)果表達式都是相當(dāng)令人生畏的。”“Themanipulation,integrationandresultingexpressionsareratherformidable.”[R.J.ElliotandA.F.Gibson,AnIntroductiontoSolidStatePhysicsanditsApplications,311(1976)]，這些研究內(nèi)容難以以基礎(chǔ)課的內(nèi)容向?qū)W生們講授，高低溫電阻率溫度依賴性的奇異特性，其物理機理也不甚明了。問題：能否用更簡單明了的模型來揭示純金屬電阻率與溫度的依賴關(guān)系？一、電阻率研究的重要性及前人的工作2.金屬的導(dǎo)電性

2.1金屬導(dǎo)電機制基礎(chǔ)一第三章中晶格熱容是一個宏觀物理量，是晶格振動的統(tǒng)計平均效應(yīng)。愛因斯坦采取了一個平均頻率的簡單模型，取得了很成功的結(jié)果。電阻率也是一個宏觀物理量，是電子與聲子作用的統(tǒng)計平均效應(yīng)。是否可采取平均聲子的模型來處理純金屬電阻率問題呢？所謂平均聲子模型，是假定聲子系統(tǒng)由平均聲子來構(gòu)成，在這個系統(tǒng)中，每個聲子的動量等于原聲子系統(tǒng)中聲子的平均動量。我們知道，對電導(dǎo)有貢獻的只是費密面上的電子，因此純金屬電阻率可看成是費密面上的電子與平均聲子相互碰撞的結(jié)果。2.金屬的導(dǎo)電性

2.1金屬導(dǎo)電機制基礎(chǔ)二

已知，立方晶系金屬的電阻率

（1）

電子濃度，電子電荷e，而費密面上電子的有效質(zhì)量可看成與溫度無關(guān)?？梢婋娮杪逝c溫度的依賴關(guān)系，取決于弛豫時間的倒數(shù)與溫度的依賴關(guān)系。由固體物理知識可知.2.金屬的導(dǎo)電性

2.1金屬導(dǎo)電機制

采用平均聲子模型,上式簡化成

（2）其中是一常數(shù)，是除態(tài)外，費密面上其它電子態(tài)的總和，是電子與一個平均聲子碰撞所產(chǎn)生的散射角。因此，對的分析，就轉(zhuǎn)換成對因子和的分析。2.金屬的導(dǎo)電性

2.1金屬導(dǎo)電機制二、金屬自由電子論費密面附近電子的平均速度,是一常數(shù);按照德拜模型,聲子的速度為金屬的聲速,也是常數(shù)。所以。2.求考慮正常散射過程，由下圖可知2.金屬的導(dǎo)電性

2.1金屬導(dǎo)電機制于是（2）式變成

電阻率變成

(3)因為是聲子的平均動量，由此推出重要結(jié)論：純金屬的電阻率與聲子濃度和聲子平均動量的平方成正比。

2.金屬的導(dǎo)電性

2.1金屬導(dǎo)電機制

聲子的平均動量

(5)

取變量變換

,2.金屬的導(dǎo)電性

2.1金屬導(dǎo)電機制

將以上諸式代入(3)式得

,(6)其中常數(shù)

2.金屬的導(dǎo)電性

2.1金屬導(dǎo)電機制

高溫時,x=（

/T）0，

ex

1+x,得到

(7)

在甚低溫時,x=（

/T）

,

得到

=17.6A(8)

可見由平均聲子模型得到的理論結(jié)果與實驗規(guī)律是相符的.2.金屬的導(dǎo)電性

2.1金屬導(dǎo)電機制本節(jié)是認(rèn)識和理解電子與聲子相互作用的最典型的例子之一。費密面上的電子遭受聲子散射是純金屬具有電阻率的根源。純金屬的電阻率與聲子濃度和聲子平均動量的平方成正比。此結(jié)論把純金屬的電阻率與聲子的參數(shù)聯(lián)系了起來。小節(jié)2.金屬的導(dǎo)電性

2.1金屬導(dǎo)電機制三、馬基申定則（Matthissen’sLaw）2.金屬的導(dǎo)電性

2.1金屬導(dǎo)電機制2.金屬的導(dǎo)電性

2.2溫度對電阻率的影響2.金屬的導(dǎo)電性

2.3壓力對電阻率的影響2.金屬的導(dǎo)電性

2.4固溶體的導(dǎo)電性2.金屬的導(dǎo)電性

2.4固溶體的導(dǎo)電性2.金屬的導(dǎo)電性

2.4固溶體的導(dǎo)電性2.金屬的導(dǎo)電性

2.4固溶體的導(dǎo)電性3.半導(dǎo)體的導(dǎo)電性

3.1半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)3.半導(dǎo)體的導(dǎo)電性

3.1半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)3.半導(dǎo)體的導(dǎo)電性

3.2本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體3.半導(dǎo)體的導(dǎo)電性

3.2本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體3.半導(dǎo)體的導(dǎo)電性

3.3p-n結(jié)的整流特性一、p-n結(jié)的定義3.半導(dǎo)體的導(dǎo)電性

3.3p-n結(jié)的整流特性二、p-n結(jié)的結(jié)構(gòu)3.半導(dǎo)體的導(dǎo)電性

3.3p-n結(jié)的整流特性三、p-n結(jié)的物理本質(zhì)3.半導(dǎo)體的導(dǎo)電性

3.4晶體管的放大效應(yīng)一、晶體管的類型3.半導(dǎo)體的導(dǎo)電性

3.4晶體管的放大效應(yīng)二、晶體管的結(jié)構(gòu)3.半導(dǎo)體的導(dǎo)電性

3.4晶體管的放大效應(yīng)三、晶體管的工作原理4.材料的介電性

4.1電介質(zhì)概述一、電介質(zhì)的定義電介質(zhì)的本質(zhì)特征是以極化的方式傳遞、存儲或記錄電場的作用和影響，介電常數(shù)是表征電介質(zhì)的最基本的參量。陶瓷的介電性能決定于感應(yīng)極化的產(chǎn)生及其隨時間的建立過程，而介電常數(shù)隨頻率和溫度的變化是決定電介質(zhì)應(yīng)用的重要因素。在討論電介質(zhì)的極化時，通常針對各向同性線性均勻電介質(zhì)在電場中的行為。所說的均勻是指電介質(zhì)的性質(zhì)不隨空間坐標(biāo)發(fā)生變化，所說的各向同性是指電介質(zhì)的參數(shù)不隨場量的方向發(fā)生變化，線性是指電介質(zhì)的參數(shù)不隨場量的數(shù)值發(fā)生變化。4.材料的介電性

4.1電介質(zhì)概述4.材料的介電性

4.1電介質(zhì)概述二、電介質(zhì)材料高頻電容器陶瓷（即I類介質(zhì)陶瓷）和微波介質(zhì)陶瓷，通常都是線性電介質(zhì)。而鐵電體（鐵電陶瓷）則表現(xiàn)出電學(xué)非線性，通常稱為非線性電介質(zhì)。單晶材料為各向異性電介質(zhì)，陶瓷材料通常被視為各向同性電介質(zhì)，但經(jīng)極化處理后的壓電陶瓷則表現(xiàn)出各向異性。各向異性電介質(zhì)通常用張量來描述其物理性質(zhì)。4.材料的介電性

4.2電介質(zhì)的極化一、電介質(zhì)的極化定義導(dǎo)體中的自由電荷在電場作用下定向運動，形成傳導(dǎo)電流。但在電介質(zhì)中，原子、分子或離子中的正負(fù)電荷則以共價鍵或離子鍵的形式被相互強烈地束縛著，通常稱為束縛電荷。注意：鐵電體中自發(fā)極化的產(chǎn)生是不需要外加電場誘導(dǎo)的，完全是由特殊晶體結(jié)構(gòu)誘發(fā)的。

在電場作用下，正、負(fù)束縛電荷只能在微觀尺度上作相對位移，不能作定向運動。正負(fù)束縛電荷間的相對偏移，產(chǎn)生感應(yīng)偶極矩。在外電場作用下,電介質(zhì)內(nèi)部感生偶極矩的現(xiàn)象，稱為電介質(zhì)的極化。電介質(zhì)在電場作用下的極化程度用極化強度矢量P表示，極化強度P是電介質(zhì)單位體積內(nèi)的感生偶極矩，可表示為：極化強度的單位為庫侖/米2(C/m2)宏觀上無限小微觀上無限大的體積元每個分子的電偶極矩4.材料的介電性

4.2電介質(zhì)的極化說明：1.真空中P

=0

，真空中無電介質(zhì)。2.導(dǎo)體內(nèi)P

=0，導(dǎo)體內(nèi)不存在電偶極子。注意:介質(zhì)極化也有均勻極化與非均勻極化之分。3.電偶極子排列的有序程度反映了介質(zhì)被極化的程度，排列愈有序說明極化愈烈4.材料的介電性

4.2電介質(zhì)的極化4.材料的介電性

4.2電介質(zhì)的極化二、極化類型彈性位移極化（瞬時極化）取向極化（弛豫極化）電子位移極化（ElectronicPolarizability）

Responseisfast,Responseisfast,τissmall離子位移極化（IonicPolarizability）

Responseisslower偶極子取向極化（DipolarPolarizability）

Responseisstillslower空間電荷極化(SpaceChargePolarizability)

Responseisquiteslow,τislarge4.材料的介電性

4.2電介質(zhì)的極化4.材料的介電性

4.2電介質(zhì)的極化4.材料的介電性

4.2電介質(zhì)的極化4.材料的介電性

4.2電介質(zhì)的極化原子和離子的電子位移極化率與溫度無關(guān)。注意：離子位移極化率與正負(fù)離子半徑和的立方成正比，與電子位移極化率有大體相同的數(shù)量級，隨溫度升高，離子間距離增大，相互作用減弱，力常數(shù)K減小，因此離子位移極化率隨溫度升高而增大，但增加甚微。偶極子取向極化率與溫度成反比，隨溫度升高而下降。偶極子取向極化率比電子位移極化率大得多，約為10－38F.m2.。介電性能的溫度特性對于介電材料的實際應(yīng)用至關(guān)重要，如介電常數(shù)溫度系數(shù)是衡量電介質(zhì)陶瓷性能的重要指標(biāo)之一。4.材料的介電性

4.2電介質(zhì)的極化不同電介質(zhì)因極化機制不同,通常表現(xiàn)出不同介電常數(shù).

氣體:單原子,電子位移極化,

r=1+n0

/

0

極性分子氣體:

=

e+

=e+

02/3KT

非極性液體和固體電介質(zhì),

r=2

2.5

極性液體電介質(zhì),

=

e+

=

e+

02/3KT,

r>2.5

離子晶體一、基本介電關(guān)系在各向同性的線性電介質(zhì)中,極化強度P與電場強度E成正比，且方向相同，即P=

0E

---電介質(zhì)的極化率，對于均勻電介質(zhì)

是常數(shù)，對于非均勻電介質(zhì)則是空間坐標(biāo)的函數(shù)。

定量表示電介質(zhì)被電場極化的能力，是電介質(zhì)宏觀極化參數(shù)之一。4.材料的介電性

4.3電介質(zhì)的物理參數(shù)基本介電關(guān)系：電位移矢量與電場強度和極化強度之間的關(guān)系為:D=

0E+P,適用于各類電介質(zhì)。D=

0E+P＝

0E＋

0E＝（1＋

）

0E,令（1＋

）

0

＝

0

r=

，則有D=

E,僅適用于各向同性線性電介質(zhì)

和

r分別為電介質(zhì)的介電常數(shù)和相對介電常數(shù)。一、基本介電關(guān)系4.材料的介電性

4.3電介質(zhì)的物理參數(shù)一、基本介電關(guān)系4.材料的介電性

4.3電介質(zhì)的物理參數(shù)從微觀上,極化強度是電介質(zhì)單位體積中所有極化粒子偶極矩的向量和,P=n0.

,對線性極化,

=

Ee,

---原子分子離子的極化率,Ee---有效電場上式表示了電介質(zhì)中與極化有關(guān)的宏觀參數(shù)(

、

r、E）與微觀參數(shù)(

、n0、Ee)之間地關(guān)系。

電介質(zhì)極化的宏觀參數(shù)與微觀參數(shù)的關(guān)系

4.材料的介電性

4.3電介質(zhì)的物理參數(shù)二、介電常數(shù)在交變電場下，由于介質(zhì)的極化建立需要一定時間，在實際電介質(zhì)中會產(chǎn)生損耗，因此介電響應(yīng)需用復(fù)介電常數(shù)描述其中，表示損耗，稱為損耗因子，是表示電介質(zhì)損耗的特征參數(shù)，其中

為電導(dǎo)率。在實際應(yīng)用中，通常用損耗角正切表示電介質(zhì)在交變電場下的損耗，4.材料的介電性

4.3電介質(zhì)的物理參數(shù)三、介電弛豫弛豫過程：一個宏觀系統(tǒng)由于周圍環(huán)境的變化或受到外界的作用而變?yōu)榉菬崞胶鉅顟B(tài)，這個系統(tǒng)再從非平衡狀態(tài)過渡到新的熱平衡態(tài)的整個過程就稱為弛豫過程。弛豫過程實質(zhì)上是系統(tǒng)中微觀粒子由于相互作用而交換能量，最后達到穩(wěn)定分布的過程。弛豫過程的宏觀規(guī)律決定于系統(tǒng)中微觀粒子相互作用的性質(zhì)。因此，研究弛豫現(xiàn)象是獲得這些相互作用的信息的最有效途徑之一。4.材料的介電性

4.3電介質(zhì)的物理參數(shù)四、介電損耗電介質(zhì)在電場作用下的往往會發(fā)生電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪埽ㄈ鐭崮埽┑那闆r，即發(fā)生電能的損耗。常將電介質(zhì)在電場作用下，單位時間消耗的電能叫介質(zhì)損耗。

電介質(zhì)在電場作用下的往往會發(fā)生電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪埽ㄈ鐭崮埽┑那闆r，即發(fā)生電能的損耗。常將電介質(zhì)在電場作用下，單位時間消耗的電能叫介質(zhì)損耗。

4.材料的介電性

4.3電介質(zhì)的物理參數(shù)4.材料的介電性

4.4電介質(zhì)的擊穿擊穿場強——電介質(zhì)所能承受的不被擊穿的最大場強。擊穿電壓——電介質(zhì)（或電容器）擊穿時兩極板的電壓。電介質(zhì)的擊穿一般外電場不太強時，電介質(zhì)只被極化，不影響其絕緣性能。當(dāng)其處在很強的外電場中時，電介質(zhì)分子的正負(fù)電荷中心被拉開，甚至脫離約束而成為自由電荷，電介質(zhì)變?yōu)閷?dǎo)電材料。當(dāng)施加在電介質(zhì)上的電壓增大到一定值時，使電介質(zhì)失去絕緣性的現(xiàn)象稱為擊穿(breakdown)。5.材料的超導(dǎo)性

5.1超導(dǎo)特性什么是超導(dǎo)體？1.零電阻將超導(dǎo)體冷卻到某一臨界溫度（TC）以下時電阻突然降為零的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象。不同超導(dǎo)體的臨界溫度各不相同。例如，汞的臨界溫度為4.15K（K為絕對溫度，0K相當(dāng)于零下273℃），而高溫超導(dǎo)體YBCO的臨界溫度為94K。5.材料的超導(dǎo)性

5.1超導(dǎo)特性2.完全抗磁性當(dāng)超導(dǎo)體冷卻到臨界溫度以下而轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后，只要周圍的外加磁場沒有強到破壞超導(dǎo)性的程度，超導(dǎo)體就會把穿透到體內(nèi)的磁力線完全排斥出體外，在超導(dǎo)體內(nèi)永遠保持磁感應(yīng)強度為零。超導(dǎo)體的這種特殊性質(zhì)被稱為“邁斯納效應(yīng)”。邁斯納效應(yīng)與零電阻現(xiàn)象是超導(dǎo)體的兩個基本特性，它們既互相獨立，又密切聯(lián)系。

5.材料的超導(dǎo)性

5.1超導(dǎo)特性3.超導(dǎo)態(tài)的臨界參數(shù)溫度（TC）——超導(dǎo)體必須冷卻至某一臨界溫度以下才能保持其超導(dǎo)性。臨界電流密度（JC）——通過超導(dǎo)體的電流密度必須小于某一臨界電流密度才能保持超導(dǎo)體的超導(dǎo)性。臨界磁場（HC）——施加給超導(dǎo)體的磁場必須小于某一臨界磁場才能保持超導(dǎo)體的超導(dǎo)性。以上三個參數(shù)彼此關(guān)聯(lián)，其相互關(guān)系如右圖所示。

5.材料的超導(dǎo)性

5.2超導(dǎo)體分類目前已查明在常壓下具有超導(dǎo)電性的元素金屬有32種（如右圖元素周期表中青色方框所示），而在高壓下或制成薄膜狀時具有超導(dǎo)電性的元素金屬有14種（如右圖元素周期表中綠色方框所示）。

第I類超導(dǎo)體第I類超導(dǎo)體主要包括一些在常溫下具有良好導(dǎo)電性的純金屬，如鋁、鋅、鎵、鎘、錫、銦等，該類超導(dǎo)體的溶點較低、質(zhì)地較軟，亦被稱作“軟超導(dǎo)體”。其特征是由正常態(tài)過渡到超導(dǎo)態(tài)時沒有中間態(tài)，并且具有完全抗磁性。第I類超導(dǎo)體由于其臨界電流密度和臨界磁場較低，因而沒有很好的實用價值。5.材料的超導(dǎo)性

5.2超導(dǎo)體分類5.材料的超導(dǎo)性

5.2超導(dǎo)體分類第II類超導(dǎo)體除金屬元素釩、锝和鈮外，第II類超導(dǎo)體主要包括金屬化合物及其合金。第II類超導(dǎo)體和第I類超導(dǎo)體的區(qū)別主要在于：第II類超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時有一個中間態(tài)（混合態(tài)）第II類超導(dǎo)體的混合態(tài)中有磁通線存在，而第I類超導(dǎo)體沒有；第II類超導(dǎo)體比第I類超導(dǎo)體有更5.材料的超導(dǎo)性

5.2超導(dǎo)體分類第II類超導(dǎo)體根據(jù)其是否具有磁通釘扎中心而分為理想第II類超導(dǎo)體和非理想第II類超導(dǎo)體。理想第II類超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)比較完整，不存在磁通釘扎中心，并且當(dāng)磁通線均勻排列時，在磁通線周圍的渦旋電流將彼此抵消，其體內(nèi)無電流通過，從而不具有高臨界電流密度。非理想第II類超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)存在缺陷，并且存在磁通釘扎中心，其體內(nèi)的磁通線排列不均勻，體內(nèi)各處的渦旋電流不能完全抵消，出現(xiàn)體內(nèi)電流，從而具有高臨界電流密度。在實際上，真正適合于實際應(yīng)用的超導(dǎo)材料是非理想第II類超導(dǎo)體。5.材料的超導(dǎo)性

5.2超導(dǎo)體分類材料的光學(xué)1光是電磁波2光的折射與反射3光的吸收與散射4光的偏振應(yīng)用電磁場理論說明光的基本現(xiàn)象和規(guī)律光波與物質(zhì)在界面處的相互作用光波在介質(zhì)中與物質(zhì)原子的相互作用光矢量和光的各種偏振態(tài)?幾何光學(xué)(geometricaloptics)?波動光學(xué)(waveoptics)?量子光學(xué)(quantumoptics)回顧與總結(jié)光的現(xiàn)象光的微粒說光的波動說光的電磁說光的波粒二象性光的直線傳播光的傳播速度光的反射光的折射光的干涉光的衍射電磁波譜光譜?§1.光的基本性質(zhì)

引言：（1）微粒學(xué)說(corpusculartheory)（2）波動學(xué)說(undulatorytheory)（3）光——具有波粒二象性的物質(zhì)粒子性：光子(Photon)

：E=hν=hc/λ一電磁波是矢量波電磁波＝交變電磁狀態(tài)的傳播設(shè)一平面電磁波由麥克斯韋理論可得：真空中的電磁波§1.光的基本性質(zhì)1.1電磁輻射

同理：當(dāng)電場振動沿軸正向傳播時，有反映該振動的平面簡諧波用麥?zhǔn)想姶艌龇匠探M可推出§1.光的基本性質(zhì)1.1電磁輻射

在真空中：

在介質(zhì)中：§1.光的基本性質(zhì)1.1電磁輻射

折射率(refractiveindex)二電磁波的性質(zhì)(1)電磁波是橫波振動量與波速構(gòu)成相互垂直的右手螺旋關(guān)系。(2)電磁波的偏振性分別在各自的平面上振動。旋光現(xiàn)象?！?.光的基本性質(zhì)1.1電磁輻射

(3)電場與磁場同相變化振幅之間滿足電、磁場分量與電磁波傳播方向互相垂直§1.光的基本性質(zhì)1.1電磁輻射

(4)電磁波的能量§1.光的基本性質(zhì)1.1電磁輻射

?電磁波的能流密度?坡印廷矢量?電磁波的強度§1.光的基本性質(zhì)1.1電磁輻射

電磁波具有各種頻率：無線電，微波，紅外線，可見光，紫外線，射線和射線等。?可見光(visiblelight)——能夠引起人的視覺的電磁波。§1.光的基本性質(zhì)1.2電磁波譜

光色波長(nm)

頻率(Hz)中心波長(nm)

紅760~622660

橙622~597610

黃597~577570

綠577~492540

青492~470480

蘭470~455460

紫455~400430可見光七彩顏色的波長和頻率范圍人眼最為敏感的光是黃綠光，即附近。§1.光的基本性質(zhì)1.2電磁波譜

電磁波光譜§1.光的基本性質(zhì)1.2電磁波譜

無線電波－波長比可見光長得多，不能引起人的視覺，可以引起電子的振蕩。由于波長很長，一個金屬網(wǎng)籠，甚至橋梁上的鋼架就可以將其阻止。微波－波長范圍分布從毫米到幾十厘米，他們在食物里很容易被水分子吸收，可是食物迅速被加熱。紅外線（IR）－分布在微波和可見光之間，且僅能夠在它聚集熱的地方探測到。蛇和其他一些生物對紅外線很敏感；紅外線不能透過玻璃，這一特性可以解釋溫室效應(yīng)：晴天時，經(jīng)過溫室玻璃的可見光被植物吸收，而紅外線被再次輻射，被玻璃捕獲的紅外線引起溫室內(nèi)部的溫度升高，整個宇宙充滿了宇宙大爆炸時殘留的冷卻物質(zhì)發(fā)出的紅外輻射?！?.光的基本性質(zhì)1.2電磁波譜

紫外線（UV）：頻率高于可見光的，不能引起視覺，對生命有危害，來自太陽的紫外線幾乎被大氣中的臭氧完全吸收，臭氧保護著地球的生命，少量透過大氣的紫外線會曬黑皮膚或使進行日光浴的人體產(chǎn)生曬斑。X射線：波長比紫外線還短的電磁波，它們很易穿過大多數(shù)物質(zhì)。致密的物質(zhì)、固體材料比稀疏物質(zhì)容易吸收更多的X射線，這就是為什么在X射線照片上顯現(xiàn)的是骨骼而不是骨骼周圍的組織。其波長可與原子尺寸相比擬?！?.光的基本性質(zhì)1.2電磁波譜

γ射線和宇宙射線：波長最短，波長尺寸約為原子核大小量級γ射線產(chǎn)生于核反應(yīng)及其他特殊的激發(fā)過程宇宙射線來自地球之外的空間?！?.光的基本性質(zhì)1.2電磁波譜

在固體材料中出現(xiàn)的光學(xué)現(xiàn)象的電磁輻射與固體材料中的原子、離子或電子相互作用的結(jié)果。從宏觀上講，當(dāng)光從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時，回發(fā)生光的透過、吸收和反射。設(shè)入射到固體表面的光輻射能流率為φ0，透過、吸收和反射光的光輻射能流率為φT，φA和φR，則有§1.光的基本性質(zhì)1.3光與固體的相互作用

光輻射能流率：表示單位時間內(nèi)通過單位面積（與光線傳播方向垂直）的能量。光與固體相互作用的本質(zhì)有兩種方式：電子極化電子能態(tài)轉(zhuǎn)變§1.光的基本性質(zhì)1.3光與固體的相互作用

電子極化電磁波的分量之一是迅速變化的電場分量；在可見光范圍內(nèi)，電場分量與傳播過程中遇到的每一個原子都發(fā)生相互作用引起電子極化，即造成電子云與原子核的電荷中心發(fā)生相對位移；所以，當(dāng)光通過介質(zhì)時，一部分能量被吸收，同時光速減小，后者導(dǎo)致折射?！?.光的基本性質(zhì)1.3光與固體的相互作用

§1.光的基本性質(zhì)1.3光與固體的相互作用

電子能態(tài)轉(zhuǎn)變電磁波的吸收和發(fā)射包含電子從一種能態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種能態(tài)的過程；材料的原子吸收了光子的能量之后可將較低能級上的電子激發(fā)到較高能級上去，電子發(fā)生的能級變化?E與電磁波頻率有關(guān)：?E=hν受激電子不可能無限長時間地保持.在激發(fā)狀態(tài)，經(jīng)過一個短時期后，它又會衰變回基態(tài)，同時發(fā)射出電磁波，即自發(fā)輻射?！?.光的反射與折射

2.1反射定律與折射定律光的反射和折射反射定律三線共面；反射角等于入射角折射定律三線共面；兩媒質(zhì)界面上光的折射和反射光速：,真空:折射率:折射定律:①三線共面；②反射率R:§2.光的反射與折射

2.1反射定律與折射定律一、惠更斯原理：為了說明光的傳播定律，惠更斯提出了一個普遍原理媒質(zhì)中波動傳到的各點，都可以看作是發(fā)射子波的波源，而在其后的任意時刻，這些子波的包絡(luò)面就是新的波面。也就是說，光波波前（最前沿的波面）上的每一點都可看作球面次波源，每一次波源發(fā)射的球面波以光波的速度v傳播，經(jīng)過時間?t之后形成球面半徑為v?t的球面次波。如此產(chǎn)生的無數(shù)個次波的包絡(luò)就是?t時間后的新波前。該原理適用于機械波和電磁波§2.光的反射與折射

2.2折射率與傳播速度的關(guān)系§2.光的反射與折射

2.2折射率與傳播速度的關(guān)系二、折射定律：材料的折射率反映了光在該材料中傳播速度的快慢。光密介質(zhì)：在折射率大的介質(zhì)中，光的傳播速度慢；光疏介質(zhì)：在折射率小的介質(zhì)中，光的傳播速度快。材料的折射率從本質(zhì)上講，反映了材料的電磁結(jié)構(gòu)（對非鐵磁介質(zhì)主要是電結(jié)構(gòu)）在光波作用下的極化性質(zhì)或介電特性。二、折射定律：正是因為介質(zhì)的極化，“拖住”了電磁波的步伐，才使得其傳播速度變得比真空中慢。鐵磁性材料非鐵磁性材料§2.光的反射與折射

2.2折射率與傳播速度的關(guān)系光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)全反射：當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，且入射角大于臨界角時，光線被100%反射的現(xiàn)象。此時不再有折射光線，入射光的能量全部回到第一介質(zhì)中。臨界角：光纖導(dǎo)光原理：全反射§2.光的反射與折射

2.3光的全反射光纖結(jié)構(gòu)示意圖：纖芯：5

75μm摻雜了的SiO2，n一定或隨半徑增加而減小。包層:

總直徑為100

200μm,折射率稍小于纖芯的摻雜了的SiO2。涂敷層：硅銅或丙烯酸鹽，隔離雜光。護套：尼龍或有機材料，增加強度，保護光纖。纖芯包層涂敷層護套§2.光的反射與折射

2.3光的全反射多普勒效應(yīng)：波源或觀察者相對于媒質(zhì)運動而使觀察者接受到的波的頻率有所變化的現(xiàn)象。頻率計算：波源不動，觀察者運動，即：，觀察者認(rèn)為接受到的波數(shù)變了。觀察者不動，波源運動，即：，觀察者認(rèn)為接受到的波長變了?！?.光的反射與折射

2.4多普勒效應(yīng)波源與觀察者同時運動，即：，四種情況：波源和觀察者不在一直線上運動光源與觀察者的相對速度為接近：遠離§2.光的反射與折射

2.4多普勒效應(yīng)§３介質(zhì)對光的吸收在光束通過物質(zhì)時，它的傳播情況將要發(fā)生變化。首先光束越深入物質(zhì)，它的光強將越減弱，這是由于一部分光的能量被物質(zhì)所吸收，而另一部分光向各個方向散射所造成的，這就是光的吸收和散射現(xiàn)象。其次，光在物質(zhì)中的速度將小于光在真空中的速度，并將隨頻率而改變，這就是光的色散現(xiàn)象，光的吸收、散射和色散這三種現(xiàn)象，都有是由于光與物質(zhì)的相互作用引起的，實質(zhì)上是由光與原子中的電子相互作用引起的。這些現(xiàn)象是不同物質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的主要表現(xiàn)，對它們的討論可以為我們提供關(guān)于原子、分子和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息。本章側(cè)重于對現(xiàn)象及其唯象規(guī)律的描述，并用經(jīng)典電子論對這些現(xiàn)象作進一步的解釋。定義由于光是一種能量流，在光通過材料傳播時，會引起材料的電子躍遷或使原子振動，從而使光能的一部分變成熱能，導(dǎo)致光能的衰減，這種現(xiàn)象稱為介質(zhì)對光的吸收。吸收系數(shù)§３介質(zhì)對光的吸收

3.1基本性質(zhì)光通過物質(zhì)時，光波中的振動著的電矢量，將使物質(zhì)中的帶電粒子作受迫振動，光的部分能量將用來提供這種受迫振動所需要的能量。這些帶電粒子如果與其它原子或分子發(fā)生碰撞，振動能量就會轉(zhuǎn)變?yōu)槠絼觿幽?，從而使分子熱運動能量增加，物體發(fā)熱。光的部分能量被組成物質(zhì)的微觀粒子吸取后轉(zhuǎn)化為熱能，從而使光的強度隨著穿進物質(zhì)的深度而減小的現(xiàn)象，稱為光的吸收（absorption）?！欤辰橘|(zhì)對光的吸收

3.2

吸收定律一吸收定律-布格定律如圖所示，光強為I0的單色平行光束沿x軸方向通過均勻物質(zhì)，在經(jīng)過一段距離x后光強已減弱到I，再通過一無限薄層dx后光強變?yōu)镮+dI(dI0)。實驗表明，在相當(dāng)寬的光強度范圍內(nèi)，-dI相當(dāng)精確地正比于I和dx，即

-dI=αaIdxx+dxldxxII+dI光的吸收規(guī)律式中αa是與光強無關(guān)的比例系數(shù)，稱為該物質(zhì)的吸收系數(shù)（absorptioncoefficient）。于是，上式是光強的線性微分方程，表征了光的吸收的線性規(guī)律?！欤辰橘|(zhì)對光的吸收

3.2

吸收定律

為了求出光束穿過厚度為l的物質(zhì)后光強的改變，可將上式改寫為然后對x積分，即可得換言之，若入射光強為I0，則通過l的物質(zhì)后的光強為稱為布格定律（Bouguerlaw）或朗伯定律。該定律是布格（P.Bouguer，1698—1758）在1729年發(fā)現(xiàn)的，后來朗伯（J.H.Lambert，1728—1777）在1760年又重新作了表述。6-2§３介質(zhì)對光的吸收

3.2

吸收定律實驗表明，當(dāng)光被透明溶劑中溶解的物質(zhì)吸收時，吸收系數(shù)αa與溶液的濃度C成正比，即αa=AC，其中A是一個與濃度無關(guān)的常量。這時可以寫成

稱為比爾定律（Beerlaw）。根據(jù)比爾定律，可以測定溶液的濃度，這就是吸收光譜分析的原理。比爾定律表明，被吸收的光能是與光路中吸收光的分子數(shù)成正比的，這只有每個分子的吸收本領(lǐng)不受周圍分子影響時才成立。事實也正是這樣，當(dāng)溶液濃度大到足以使分子間的相互作用影響到它們的吸收本領(lǐng)時就會發(fā)生對比爾定律的偏離?！欤辰橘|(zhì)對光的吸收

3.2

吸收定律二吸收定律–比爾定律材料對光的吸收機理：電子極化：只有當(dāng)光的頻率與電子極化時間的倒數(shù)處在同一個數(shù)量級時，由此引起的吸收才變得比較重要；電子受激吸收光子而越過禁帶；電子受激進入位于禁帶中的雜質(zhì)或缺陷能級上而吸收光；所以，只有當(dāng)入射光子的能量與材料的某兩個能態(tài)之間的能量差值相等時，光量子才可能被吸收。同時，材料中的電子從較低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。光的吸收是材料中的微觀粒子與光相互作用的過程中表現(xiàn)出的能量交換過程?！欤辰橘|(zhì)對光的吸收

3.3

吸收的物理機制可見光中波長最短的是紫光，波長最長的是紅光：所以，Eg<1.8eV的半導(dǎo)體材料，是不透明的，因為所有可見光都可以通過激發(fā)價帶電子向?qū)мD(zhuǎn)移而被吸收。Eg=1.8

3.1的非金屬材料，是帶色透明的，因為只有部分可見光通過激發(fā)價帶電子向?qū)мD(zhuǎn)移而被材料吸收?！欤辰橘|(zhì)對光的吸收

3.3

吸收的物理機制禁帶較寬的介電固體材料也可以吸收光波，但吸收機理不是激發(fā)電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，而是因其雜質(zhì)在禁帶中引進了附加能級，使電子能夠吸收光子后實現(xiàn)從價帶到受主能級或從施主能級到導(dǎo)帶的躍遷?！欤辰橘|(zhì)對光的吸收

3.3

吸收的物理機制除了真空，沒有一種物質(zhì)對所有波長的電磁波都是絕對透明的。任何一種物質(zhì)，它對某些波長范圍內(nèi)的光可以是透明的，而對另一些波長范圍內(nèi)的光卻可以是不透明的。例如，在光學(xué)材料中，石英對所有可見光幾乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系數(shù)不變，這種現(xiàn)象為一般吸收；但是對于波長范圍為3.5—5.0μm的紅外光卻是不透明的，且吸收系數(shù)隨波長劇烈變化，這種現(xiàn)象為選擇吸收。換言之，石英對可見光和紫外線的吸收甚微，而對上述紅外光有強烈的吸收。§３介質(zhì)對光的吸收

3.4一般吸收和選擇吸收

又例如，普通玻璃對可見光是透明的，但是對紅外線主紫外線都有強烈的吸收，是不透明的。因此在紅外光譜儀中，棱鏡常用對紅外線透明的氯化鈉晶體和氟化鈣晶體制作；而紫外光譜儀中，棱鏡常用對紫外線透明的石英制作。實際上，任何光學(xué)材料，在紫外和紅外端都有一定的透光極限。

任何物質(zhì)都有這兩種形式的吸收只是出現(xiàn)的波長范圍不同而已。

6-3§３介質(zhì)對光的吸收

3.4一般吸收和選擇吸收用具有連續(xù)譜的光（例如白光）通過具有選擇吸收的物質(zhì)，然后利用攝譜儀或分光光度計，可以觀測到在連續(xù)光譜的背景上呈現(xiàn)有一條條暗線或暗帶，這表明某些波長或波段的光被吸收了，因而形成了吸收光譜（absorptionspectrum）?！欤辰橘|(zhì)對光的吸收

3.5吸收光譜物質(zhì)的發(fā)射譜（emissionspectrum）有：線狀譜（linespectrum），帶狀譜（bandspectrum）和連續(xù)譜等。大致說來，原子氣體的光譜是線狀譜，而分子氣體、液體和固體的光譜是帶狀譜，吸收光譜的情況也是如此。值得注意的是，同一物質(zhì)的發(fā)射光譜和吸收光譜之間有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，即物質(zhì)自身發(fā)射哪些波長的光，它就強烈吸收這些波長的光?！欤辰橘|(zhì)對光的吸收

3.5吸收光譜按照經(jīng)典的電