[工学]8ch51 电子材料的磁学性能.ppt

Ch5 电子材料的磁学性能 5.1基本磁学概念 磁矩 “磁”来源于“电”。 任何一个封闭的电流都具有磁矩μm。 磁矩定义为 △S为封闭环形的面积。 磁场强度H（magnetic field strengh） 磁感应强度B (magnetic induction) 在磁介质中，磁场强度和磁感应强度的关系为 式中的 ? 为介质的磁导率，是材料的特性常数。表示材料在单位磁场强度的外磁场作用下，材料内部的磁通量密度。 ? 的单位为H/m。 磁导率 (permeability) 相对磁导率?r 定义 材料的磁导率?与真空磁导率?0之比 ?r 为无量纲的参数 磁化强度M (magnetic susceptibility) 定义 在外磁场H的作用下，材料中因磁矩沿外场方向排列而使磁场强化的量度，其值等于单位体积材料中感应的磁矩大小。单位为A/m，与磁场强度H单位一致。 磁学单位 除了SI单位制以外，还有一种高斯（Gauss）单位制，当使用高斯单位制时，磁感应强度的表达式为 四个量子数 3、磁量子数(ml) 4、自旋磁量子数(ms) 多电子原子的能级 核外电子填充顺序 书写基态原子的电子分布式的简要步骤： (1)写出原子轨道能级顺序 1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p……； (2)按上述三原则在每个轨道上排布电子，直至原子核外的电子全部排完。 (3)将相同主量子数的各亚层按s,p,d的顺序整理得 长周期电子排布式 5.2 磁性的起源 材料的宏观磁性来源于原子磁矩 1) 电子围绕原子核的轨道运动，产生一个非常小的磁场，形成一个沿旋转轴方向的轨道磁矩。 2) 每个电子本身自旋运动，产生一个沿自旋轴方向的自旋磁矩。 3）原子核磁矩。由于原子核比电子重1000多倍，运动速度也仅为电子速度的几千分子一，所以原子核磁矩仅为电子自旋磁矩的千分之几，可以忽略不计。 原子磁矩计算步骤 确定原子的磁性电子壳层 计算量子数 计算gJ 计算μJ 举例 例1 对于Cr3+，电子组态为3d3 ，则 例2 对于Dy3+，电子组态为4f9，则 Summary 磁感应强度B 、磁场强度H 、磁化强度M 等几个概念的关系 磁导率、磁化率 磁性的来源：磁矩 补充：磁学单位 5.3 物质的磁性 抗磁性 顺磁性 反铁磁性 铁磁性 亚铁磁性 抗磁性 (Diamagnetism) 是原子系统在外磁场作用下，获得与外磁场方向反向的现象 是一种很弱的、非永久性的磁性，只有在外磁场存在时才能维持 原子本征磁矩为零，抗磁性源于外加磁场在原子内电子壳层所引起的电磁感应效应，由电磁感应引起电子轨道的变化 所感应的磁矩很小，与外磁场相反，即磁化强度M为很小的负值 相对磁导率＜1，磁化率为负值，约为-10-5数量级 在抗磁体内部的磁感应强度B比真空中的小。 抗磁性(Diamagnetism) 顺磁性 (Paramagnetic) 固体的原子具有固有磁矩 无外磁场作用时，材料中的原子磁矩无序排列，材料表现不出宏观磁性 受外磁场作用时，原子磁矩能通过旋转而沿外场方向择优取向，表现出宏观磁性，这种磁性称为顺磁性 在此材料中，原子磁矩沿外磁场方向排列，磁场强度获得增强，磁化强度为正值，相对磁导率＞1，磁化率为正值，磁化率也很小，只有10-5～10-2 磁化强度M与温度T的关系为朗之万顺磁理论。 铁磁性(Ferromagnetic) 在很小的外磁场作用下产生很强的磁化强度，MH 外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性，这种磁性称为铁磁性 很强的磁性来源于其很强的内部交换场。 磁化强度与磁场强度呈非线性 反复磁化时出现磁滞 磁化率可高达101～106 原子磁矩按区域自发平行取向 如：过渡金属铁、钴、镍和稀土金属钆、钇、钐、铕等 分子场理论 1、分子场假设：一定温度范围内存在与外加磁场无关的自发磁化，导致自发磁化的作用力假设为物质内存在分子场，原子磁矩在分子场作用下，自发的平行一致取向。故克服热运动的无序效应不是由于外磁场而是分子场所引起的。 2、磁畴假设：无外磁场时，磁畴自发磁化到饱和，但各磁畴的自发磁化方向有一定分布，使宏观磁体的总磁矩为零，当施加外磁场时，由于磁畴转动或畴壁移动，从而表现出各种宏观磁行为。 分子场Hmf：约109Am-1，比原子磁矩间的磁偶极矩作用大几个数量级，当其作用在某个原子磁矩上就使该磁矩趋于分子场方向，与其他格点的原子磁矩作用也有同样效应，结果导致各原子磁矩都共同取向，形成自发磁化 温度升高到磁矩的热运动能足以与分子场抗衡时，自发磁化引起的磁有序被破坏，表现为顺