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第4章 材料的结构与磁学性能
4.1 固体物质的磁性来源
4.2 固体物质的磁性分类
4.3磁畴与磁化曲线
4.4 铁氧体的结构与性能
4.5磁性材料的结构与性能
4.6 磁性材料的物理效应
第4章 材料的结构与磁学性能
进入21世纪以来,新材料的重要性逐步被人们认知,磁性材料的理论、生产及其应用也得到了快速发展,已经成为信息、航空航天、通信、人体健康等领域的重要材料基础。本章主要介绍固体物质磁性的基本知识,包括磁性来源、磁性分类、磁畴与磁化曲线、铁氧体的结构与性能、磁性材料的物理效应及磁性材料的主要应用等,重点阐述铁氧体磁性材料的结构与性能。
4.1 固体物质的磁性来源
物质在不均匀磁场中受到磁力作用的性质,称为磁性,是物质的基本物理属性。最直观的表现是两个磁体之间的吸引力和排斥力。物质的磁性来源于原子,原子的磁性来源于核外电子和原子核。原子结合起来产生宏观物质的磁性,因此任何物质均具有磁性,磁性强的一般称为磁性材料,习惯上的非磁性或者无磁性只是弱磁性不易被人们觉察而已。具有广泛应用的磁性材料的性能则受到晶体结构和显微结构的显著影响,是理论研究和生产控制的重要内容。
4.1.1磁矩(magnetic moment)
磁体上磁性最强的部分称为磁极,磁极有N、S极,以正负对的形式存在,磁极的周围存在磁场。磁极上带有的磁量叫磁荷或磁极强度,两个磁荷(磁极强度)q1、q2之间的相互作用力F的大小为:
4.1
式中r为磁极间距,k为常数。紧密结合在一起的正负磁极称为元磁偶极子,尚没有观察到磁单极子的存在。定义偶极子的磁偶极矩p:
4.2
又称为磁偶极子的力矩,方向由S极指向N极。
任何一个封闭的电流都具有磁矩,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:
4.3
磁矩m的单位为安培平方米A·m2,磁矩是表示磁体本质的一个物理量,与磁偶极矩的关系为:
4.4
?0是真空的磁导率,?0=4π×10-7(H/m)。
在原子中,电子绕原子核做轨道运动及其自旋运动,类似于无限小的环形电流,其磁矩大小由式4.3确定。将磁偶极子置于均匀磁场H中,受到磁场力的作用,将产生相应的静磁能(magnetostatic energy)。
4.1.2原子的磁性
图4-1电子运动产生磁矩
原子的磁性来源于原子的磁矩,原子磁矩由电子自旋磁矩、电子轨道磁矩和原子核磁矩组成,见图4.1。由于微观粒子的磁矩与其质量成反比,原子核比电子重1000多倍,运动速度仅为电子速度的几千分之一,所以原子核的自旋磁矩仅为电子磁矩的1/2000左右,常常可以忽略不计。但是在特别设定的条件下,例如恒定磁场强度改变高频磁场的频率,可以使原子核磁矩产生共振,获得显著增强的磁信息,核磁共振技术已经获得广泛的应用。
电子的循轨运动和自旋运动都可以看做一个闭合的环形电流,必然产生磁矩。由电子循轨运动产生的磁矩称为轨道磁矩。它垂直于电子运动的轨道平面,大小为:
4.5
式中l为轨道角量子数,μB为波尔磁子,是电子磁矩的单位,μB=9.27×10-24A·m2。在晶体中,电子的轨道磁矩受晶格场的作用,其方向是变化的,不能形成一个联合磁矩,对外没有磁性作用。因此,物质的磁性仅考虑电子的自旋磁矩
4.6
式中S为自旋量子数。通常情况下为了简化起见,认为每个电子自旋磁矩的近似值等于一个波尔磁子μB。
孤立原子、分子是否具有磁矩取决于该原子、分子的结构。理论证明,当原子中的电子层均被填满时,原子没有磁矩。原子中如果有未被填满的电子壳层,其电子的自旋磁矩未被抵消(方向相反的电子自旋磁矩可以互相抵消),原子就具有“永久磁矩”。例如,铁原子的原子序数为26,共有26个电子,电子层分布为:1s22s22p63s23p63d64s2。可以看出,除3d子层外各层均被电子填满,自旋磁矩被抵消。根据洪特法则,电子在3d子层中应尽可能填充到不同轨道,并且它们的自旋尽量在同一个方向上。因此5个轨道中除了有一条轨道必须填入2个自旋反平行的电子外,其余4个轨道均只有一个电子,且这些电子的自旋方向相同,总的电子自旋磁矩为4μB。
某些元素,例如锌,具有各层都充满电子的原子结构,其电子磁矩相互抵消,因而不显磁性。
4.1.3 基本
(1)磁场 一般将磁极作用力的空间称为磁场,导体中的电流或
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