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第三章磁性材料
第三章 磁性材料
物质磁性的研究是近代物理学的重要领域之一。磁性现象的范围很广泛。从微观粒子到宏观物体,以至于宇宙天体,都具有某种程度的磁性。
磁性现象很早就被发现,我国人民在3000多年前就发现了磁石(Fe3O4)能相互吸引及磁石吸引铁的现象。我国古代的四大发明之一指南针即是例证。
随着近代科学技术的发展,由于金属和合金磁性材料的电阻率低,损耗大,已不能满足应用的需要,尤其在高频范围。
磁性无机材料科学技术除了有高电阻、低损耗的优点以外,还具备各种不同的磁学性能,因此他们在无线电电子学、自动控制、电子计算机、信息存储,激光调制等方面,都有广泛的应用。
磁性无机材料一般是含铁及其他元素的复杂氧化物,通常称为铁氧体(ferrite),它的电阻率为10—106Ω·m,属于半导体范围。目前,铁氧体已发展成为一门独立科学。
磁性的广泛
物质的磁性来源于原子的磁性。
原子的磁性包括三个部分:电子的自旋磁矩、电子的轨道磁矩(由电子绕原子核的运动产生)和原子核的磁矩。
原子核的磁矩一般比电子的磁矩小的多(相差三个数量级),可以忽略不计。所以原子的总磁矩是电子的自旋磁矩和轨道磁矩的总和。
电子绕原子核运动产生的轨道磁矩和角动量的比值r为:
电子的自旋磁矩和角动量的比值为:
这表明,电子自旋运动的磁矩比轨道运动的磁矩大一倍。
实验证明,原子组成分子或宏观物体后,其平均磁矩往往不等于孤立原子的磁矩,因为原子之间的相互作用会引起磁矩的变化。
很多磁性材料的电子自旋磁矩要比电子轨道磁矩大。这是因为在晶体中,电子的轨道磁矩受晶体(格)场的作用,或者说轨道磁矩被“猝灭”或“冻结”了, 对原子总磁矩没有贡献。
所以很多固态物质的磁性主要来源于电子的自旋磁矩。
根据原子核外的电子分布规则可知,在原子的同一能级轨道上可以有自旋方向相反的两个电子。
每个电子的自旋会产生一个沿自旋轴方向的磁场,而两个在同一轨道上的自旋相反的电子产生的磁场会相互抵消。
原则上原子中电子自旋磁矩的总和决定于原子中未成对的电子数,未成对电子数越多,则原子的磁性越强。
凡是原子、离子或分子中电子都已自旋成对的物质,作为一个整体不表现出磁性。
但是并不是所有含未成对电子的原子都会显示出磁性,要看处于不同原子间的未成对电子是否进行有效的相互交换作用,原子间的交换作用是物质具有的磁性的根本原因,它指的是近邻原子的电子相互交换位置所引起的静电作用。
所以原子内存在未成对电子只是物质具有磁性的必要条件,原子间电子有效的交换作用才是充分条件。
第二节 物质的宏观磁性
为了说明宏观物体的磁性强弱,以单位体积的磁矩M称为磁化强度。
将物体放在磁场中时,可使原来没有磁性的物质获得磁性,这种现象叫做物质的磁化。物质的磁化强度M和磁场强度H有一定的关系:M=XmH
式中常数Xm称为物质的磁化率,表示在单位磁场下,物质所具有的磁化强度,也就是物质在磁场作用下磁化强弱的程度。
各种物质的磁性不同,磁化率Xm是鉴别物质的参量。
根据磁化率的大小,可将物质分为抗磁性,顺磁性和铁磁性等几类。
1、抗磁性物质
M和H的方向相反的物质称为抗磁性物质。稀有气体,许多有机化合物及某些金属元素如Zn、Cu、Ag、Au、Bi等和非金属元素,如Si、P、S、卤素等都是常见的抗磁性物质。
有些抗磁性物质如稀有气体,其原子的电子层结构全充满,原子的磁性等于零。另一些抗磁性物质如有机化合物及Bi 、P、S、卤素等非金属,虽然原子的磁矩不等于零,但是组成的分子总磁矩等于零。一切物质在外加磁场作用下,电子的轨道运动都要产生一个附加运动,出现一个与外加磁场H方向相反,但数值很小的感应磁矩。所以抗磁性来源于原子中电子轨道状态的变化。
抗磁性物质的抗磁性一般很弱,磁化率X一般约为-10-5,为负值。
抗磁性普遍存在于所有的物质中。
抗磁性物质的磁化率和磁场的强弱与温度的关系无关。
陶瓷材料的大多数原子是抗磁性的,周期表中前18个元素主要表现为抗磁性,这些元素构成了陶瓷材料中几乎所有的阴离子,如O2-、F-、Cl-、S2-、SO42-、CO32-、N3-、OH-等,在这些阴离子中,电子填满壳层,自旋磁矩平衡。
2、顺磁性物质
顺磁性物质的主要特征是,不论外加磁场是否存在,原子内部存在永久磁矩。
但在无外加磁场时,由于顺磁物质的原子作无规则的热运动,各原子磁矩的方向是混乱的,会相互抵消,宏观来看,没有磁性。
在外加磁场作用下,大多数原子磁矩处于顺着外磁场的方向,比较规则的取向宏观上就显示出很弱的磁性,或者说,物质磁化了。
磁化强度M与外磁场方向一致,M为正,而且M严格的与外磁场H成正比。
除少数顺磁性物质,如碱金属
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