功能材料基础与应用 课件（化工） 2.5 磁性材料的基本理论.ppt

2.5 磁性材料的基本理论 电和磁存在某种相似，譬如电荷有正负两种类型，磁体也存在南北两极，并且电和磁都满足同性相互排斥、异性相互吸引。 1819年丹麦物理学家奥斯特发现载流导电体周围的磁针受磁力作用发生偏转，第一次揭示了电与磁存在着内在关联。1822年法国物理学家安培提出分子电流假说，第一次对磁性起源提出了经典物理解释。20世纪量子力学的发展，人们对磁性本质有了深刻认识，提出磁性来源于物质原子磁矩。 2.5.1 材料的磁性来源 在原子、分子等物质微粒内部，存在一种环形电流，称为分子电流。由于分子电流的存在，使每个微粒都可以看成为微小磁体，两侧相当于两个磁极。 （1） 经典电-磁关系 材料的磁性源自原子磁矩，而原子磁矩与带正电的原子核和带负电的电子运动有关，即原子核和核外电子的轨道运动和自旋运动是材料磁性的来源。 （2）材料的磁性来源-量子力学 原子 磁矩 原子核磁矩：约为电子磁矩1/2000 电子磁矩 轨道磁矩 自旋磁矩 磁性的根源：电流或电子的运动 轨道角动量 电子轨道磁矩 自旋角动量 自旋磁矩 轨道角动量的大小L与角量子数l及普朗克常数的关系为 电子绕原子核运动形成环形电流强度I，环形所包围面积S以及单位电子运动的轨道角动量L相关 多个自旋电子时，其自旋磁量子数总和为 所有物质都是磁性体，磁性的强弱与物质原子磁矩有关。当原子中某一电子层被排满时，电子的轨道运动与自旋运动均匀对称分布，角动量的矢量和为零，因此总磁矩也为零。只有当某一原子壳层未被电子排满的时候，这个壳层的电子总磁矩才不为零，原子对外显示磁矩。 原子结构与磁性的关系归纳为：① 原子磁矩来源于电子的自旋和轨道运动；② 原子内具有未被填满电子轨道的电子是材料具有磁性的必要条件；③ 电子“交换耦合作用”是材料具有强磁性的根本原因。 一般磁性物质的电子自旋磁矩要比电子轨道磁矩要大，很多固体物质磁性主要是自旋磁矩。电子自旋磁矩在一定条件下是物质内部建立其磁性的根源。 ① 电子层被填满，轨道和自旋磁矩相互抵消，该层电子磁矩对原子磁矩无贡献，无磁性，该元素不存在固有磁矩。 ② 能显示固有磁矩是电子壳层未被填满的元素： a、内层电子全填满，只有外层价电子：价电子虽有净磁矩，但对多原子聚合体，各原子净磁矩抵消，不显固有磁矩。 b、内电子层未填满，如过渡族元素（铁、钴、镍）、稀土元素有固有磁矩。 不是所有未被填满电子的原子都会显示磁性，如铜、钒、铬及除钆和一些重稀土元素以外的所有的镧系元素，都不会显示出磁性。未填满电子是必要条件，但不是充分条件。 磁导率 磁感应强度 磁化 强度 磁场强度 磁化率 材料磁性表征参数 2.5.2 材料磁性的表征 （1）磁化强度 M 物质单位体积中的磁矩大小。衡量物质有无磁性或磁性大小的物理量。 单位：A/m 或高斯（Gs），矢量，由S极指向N极。 （2）磁场强度 H 指外界磁场的大小。H一般是由导体中的电流或者永磁体产生。单位：A/m 或高斯（Gs），矢量，由S极指向N极。 （3）磁化率 当物质处于一个磁场H中时，无论时什么物质，都会使物质所占空间的磁场发生变化，但不同物质所引起的磁场变化是不一样的。物质在磁场中由于受磁场作用表现出一定的磁性，这种现象称为磁化。 磁化率是表征物质磁化的难易程度。磁化强度M与磁场强度H比值： 磁性类型 元素/化合物 磁化率χ 磁性类型 元素/化合物 磁化率χ 顺磁性 Li 4.4×10-5 铁磁性 铁晶体 1.4×106 Na 6.2×10-6 钴晶体 103 Al 2.2×10-5 镍晶体 106 V 3.8×10-4 3.5%Si-Fe 7×104 Pd 7.9×10-4 AlNiCo 10 Nd 3.4×10-4 亚铁磁性 Fe3O4 102 空气 3.6×10-7 各种铁氧体 103 抗磁性 Cu -1.0×10-5 反铁磁性 MnO 0.69χ(0)/ χ(TN) Zn -1.4×10-5 FeO 0.78 Au -3.6×10-5 Hg -3.2×10-5 NiO 0.67 H2O -0.9×10-5 H -0.2×10-5 Cr2O3 0.76 一些代表性物质的磁化率 （4）磁感应强度 （附加磁场） B = μ0(H+M) 单位：特斯拉（T）或(Wb/m2） μ0是真空磁导率，μ0 =4??10-7 H/m 在真空中（M=0），当磁场强度H为（107/4?）A/m时，相应的磁感应强度为1T。 （5）相对磁导率（磁导率）