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第8 章 固体的磁性和磁性材料 §8.1 固体的磁性质及磁学基本概念 8.1.1 固体的磁性质 1. 物质磁性的来源和磁性的普遍性 按照物理学电学原理，任何带电体的运动都必然在周围的空间产生磁场。而且一个 环形电流还应该具有一定的磁矩，即它在磁场中行为像个磁性偶极子。 设环形电流的强度为I （A ），它所包围的面积为S （m2 ），则该环流的磁矩m为： 3 m = I A (A m ) （1-1） m I(A) 2 A(m ) 参照玻尔（Bohr ）原子模型，原子内的电子在固定的轨道上绕着原子核作旋转运动， 同时还绕自身的轴线作自旋运动。前一种运动产生“轨道磁矩” ，后一种运动产生“ 自旋磁 矩” 。 原子磁矩应该是构成原子的所有基本粒子磁矩的叠加。但是实际上原子核磁矩要比 电子磁矩小三个数量级，在一般情况下可以忽略不计。因此，原子磁矩主要来源于原子核 外电子的自旋磁矩与轨道磁矩。 如果原子中所有起作用的磁矩全部抵消，则原子的固有磁矩为零。但在外磁场作用 下仍具有感生磁矩，并产生抗磁性。 如果原子中所有起作用的磁矩没有完全抵消，则原子的固有磁矩不为零，那么原子 就具有磁偶极子的性质。 原子内电子的运动便构成了物质的载磁子。尽管宏观物质的磁性是多种多样的，但 这些磁性都来源于这种载磁子。这便是物质磁性来源的同一性。 物质磁性的普遍性首先表现在它无处不在： （1）物质的各种形态，无论是固态、液态、气态、等离子态、超高密度态和反物 质态都会具有磁性； （2 ）物质的各个层次，无论是原子、原子核、基本粒子和基础粒子等都会具有磁 性。 （3 ）无限广袤的宇宙，无论是各个天体，还是星际空间都存在着或强或弱的磁场。 例如：地球磁场强度约为 240A/m，太阳的普遍磁场强度约为 80A/m，而中子星的磁场强 度高达 1013-1014A/m。 物质的磁性的普遍性还表现在磁性与物质的其他属性之间存在着广泛的联系，并构 第 8 章 固体的磁性和磁性材料 191 成多种多样的耦合效应和双重（多重）效应（例如磁电效应、磁光效应、磁声效应和磁热 效应等）。这些效应既是了解物质结构和性能关系的重要途径，又是发展各种应用技术和 功能器件（例如磁光存储技术、磁记录技术和霍尔器件等）的基础。 2. 物质磁性的特殊性和多样性 原子磁矩为零的物质具有抗磁性（Diamagnetism ）。原子内具有未成对的电子使得原 子的固有磁矩不为零是物质磁性的必要条件。但是，由于近邻原子共用电子（交换电子） 所引起的静电作用，及交换作用可以影响物质的磁性。交换作用所产生能量，通常用 A 表 示，称作交换能，因其以波函数的积分形式出现，也称作交换积分。它取决于近邻原子未 填满的电子壳层相互靠近的程度，并决定了原子磁矩的排列方式和物质的基本磁性。一般 地： 当 A 大于零时，交换作用使得相邻原子磁矩平行排列，产生铁磁性 （Iferromagnetism ）。 当 A 小于零时，交换作用使得相邻原子磁矩反平行排列，产生反铁磁性 （Antiferromagnetism ）。 当原子间距离足够大时，A 值很小时，交换作用已不足于克服热运动的干扰，使得 原子磁矩随机取向排列，于是产生顺磁性（Paramagnetism ） 铁氧体磁性材料具有亚铁磁性（Ferrimagnetism ）, 其中金属离子具有几种不同的 亚点阵晶格，因相邻的亚点阵晶格相距太远，因此在其格点的金属离子之间不能直接发生 交换作用，但可以通过位于它们之间的氧原子间接发生交换作用，或