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《无机材料物理性能》第24讲


无机材料物理性能
第二十四讲

2008年2月5日 年 月 日

第七章

无机材料的磁学性能
物质的磁性 磁畴与磁滞回线 铁氧体的磁性与结构 磁性材料

物质的磁性
磁性
磁矩 磁矩是表示磁体本质的一个物理量。 磁矩是表示磁体本质的一个物理量。 任何一

个封闭的电流都具有磁矩m。 任何一个封闭的电流都具有磁矩m。 其方向与环形电流法线的方向一致, 其方向与环形电流法线的方向一致, 其大小为电流与封闭环形的面积的乘 积IΔS。

物质的磁性

物质的磁性
磁矩在磁场中所受到的作用力在均匀磁场 中,磁矩受到磁场作用的力矩

J

= m × B

为了求得磁矩在磁场中所受的力,对一维情 为了求得磁矩在磁场中所受的力, 况可以写出: 况可以写出 dB Fx = m × dx 磁矩是表征磁性体磁性大小的物理量。 磁矩是表征磁性体磁性大小的物理量。

物质的磁性
磁化强度 磁化强度也是描述磁质被磁化后其磁性 强弱的一个物理量。 强弱的一个物理量。

M = χH
χ 称为磁化率或磁化系数

物质的磁性
磁化强度的测定 可由实验测定。 可由实验测定。一小块磁体在外磁场中受力

?B Fx = VM × ?X
V为样品的体积 若外磁场已知, 为样品的体积,若外磁场已知 为样品的体积 若外磁场已知, 可由力的测定计算出。 则M可由力的测定计算出。 可由力的测定计算出

物质磁性的本质
电子的磁矩
电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成 物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起, 物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起,而 是主要由自旋磁矩引起 孤立原子的磁矩决定于原子的结构 某些元素具有各层都充满电子的原子结构, 某些元素具有各层都充满电子的原子结构, 其电子磁矩相互抵消, 其电子磁矩相互抵消,因而不显磁性

物质磁性的本质
“交换”作用 交换” 处于不同原子间的未被填满壳层上的电子 交换” 发生的特殊的相互作用称为 “交换”作用 在晶体内,参与这种相互作用的电子已不 在晶体内, 再局限于原来的原子, 公有化” 再局限于原来的原子,而是 “公有化”了 交换能” “交换能”与晶格的原子间距有密切关系

物质磁性的本质

交换能与铁磁能的关系

磁性的分类
抗磁性
当磁化强度为负时, 当磁化强度为负时,固体表现为抗 磁性 Bi,Cu,Ag,Au 等金属具有这种性质 抗磁性物质的抗磁性一般很微弱, 抗磁性物质的抗磁性一般很微弱, 磁化率一般约为-10 磁化率一般约为 -5,为负值

磁性的分类
顺磁性
顺磁性物质的主要特征是不论外加磁场是 否存在, 否存在,原子内部存在永久磁矩 顺磁性物质的磁性除了与H有关外 有关外, 顺磁性物质的磁性除了与 有关外,还依 赖于温度, 赖于温度,其磁化率与绝对温度成反比

C χ= T
顺磁性物质的磁化率一般也很小, 顺磁性物质的磁化率一般也很小,室温下 约为10 约为 -5 过渡元素、稀土元素、锕系元素, 过渡元素、稀土元素、锕系元素,还有铝 铂等金属, 铂等金属,都属于顺磁物质

磁性的分类
铁磁性
有一类物质如Fe,Co,Ni,室温下磁化率可达103 ,室温下磁化率可达 有一类物质如 数量级, 数量级,这类物质的磁性称为铁磁性 铁磁性物质即使在较弱的磁场内, 铁磁性物质即使在较弱的磁场内,也可得到极 高的磁化强度,而且当外磁场移去后, 高的磁化强度,而且当外磁场移去后,仍可保 留极强的磁性。各类磁性物质的-曲线示于下图 留极强的磁性。各类磁性物质的 曲线示于下图

磁性的分类
铁磁性
铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出 超过这一温度,铁磁性消失。 来,超过这一温度,铁磁性消失。这一温度 称为居里点其磁化率与温度的关系服从居里 称为居里点其磁化率与温度的关系服从居里 居里点 一外斯定律

C χ= T ? TC

磁性的分类
反铁磁性
反铁磁性物质大 都是非金属化合物, 都是非金属化合物, 如MnO。 。 不论在什么温度 下,都不能观察到 反铁磁性物质的任 何自发磁化现象, 何自发磁化现象, 因此其宏观特性是 顺磁性的

反铁磁性

O-的自旋与左方 +自旋方向相同。 的自旋与左方Mn 自旋方向相同。 当右方的Mn2+的自旋方向相反时,系统 的自旋方向相反时, 当右方的 有较低的能量,这是Mn2+通过 -的相互 通过O 有较低的能量,这是 作用出现的情况。激发态的出现, 作用出现的情况。激发态的出现,是O2 提供了一个2p电子导致的 电子导致的, -提供了一个 电子导致的,而p电子的 电子的 空间分布是∞型 空间分布是 型,故M-O-M间的夹角 - - 间的夹角 度时, 为180度时,间接交换作用最强,而 度时 间接交换作用最强, ?=90°时的作用最弱。超交换理论也可以 °时的作用最弱。 说明铁氧体所具有的亚铁磁性. 说明铁氧体所具有的亚铁磁性


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