材料的磁学性能学习教案.pptx
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1、会计学1材料材料(cilio)的磁学性能的磁学性能第一页,共106页。7 71 1 材料磁性材料磁性材料磁性材料磁性(cxng)(cxng)能的表征参量和材能的表征参量和材能的表征参量和材能的表征参量和材料磁化的分类料磁化的分类料磁化的分类料磁化的分类(Character parameters of magnetic(Character parameters of magnetic properties of materials and classification of properties of materials and classification of material magnet
2、ization)material magnetization)第1页/共105页第二页,共106页。材料磁性能的表征材料磁性能的表征(bio zhn)参量参量(Character parameters of magnetic properties of materials)第2页/共105页第三页,共106页。人类最早认识的磁现象:磁石吸铁、指南北、分磁人类最早认识的磁现象:磁石吸铁、指南北、分磁极极(cj)、磁偏角。磁针、磁偏角。磁针以磁石使铁针磁化。以磁石使铁针磁化。磁力通过磁场传递。磁场通过对载流导体或运动电荷有力的作用(zuyng)体现出来的定义磁场中一点的磁感应强度 q:磁场中运动电
3、荷的电量;v:电荷的运动速度;Fmax:电荷在磁场中所受的最大力,出现在电荷运动速度与磁场方向垂直时;k:比例(bl)系数划时代的伟大发现1820 年,奥斯特,电流能在周围空间产生磁场,首次将电与磁联系起来。第3页/共105页第四页,共106页。国国际际单单位位制制中中通通过过(tnggu)选选择择合合适适的的单单位位使使k=1,则,则单位:单位:F为牛顿为牛顿(N),q为库仑为库仑(C),v为米秒为米秒(m/s),B为特斯拉为特斯拉(T)。B是矢量,其方向是磁场方向,规定是矢量,其方向是磁场方向,规定为该点所放的小磁针为该点所放的小磁针(czhn)平衡平衡时时N极所指的方向。极所指的方向。磁
4、介质在磁场(cchng)中发生磁化而影响磁场(cchng),所以磁介质中的磁感应强度B等于真空中的磁感应强度B0和由于磁介质磁化而产生的附加磁感应强度B之和,即 B=B0+B 第4页/共105页第五页,共106页。磁磁感感应应强强度度B描描述述的的是是传传导导电电流流(chun do din li)的磁场和磁介质中磁化电流的磁场的综合场的特性。的磁场和磁介质中磁化电流的磁场的综合场的特性。如果磁场在真空中形成的磁感应强如果磁场在真空中形成的磁感应强度为度为B0,则磁场的强度,则磁场的强度H可由下式可由下式确定:确定:B0=0H 0:真空磁导率(真空透磁率):真空磁导率(真空透磁率)0=4 10
5、-7亨利亨利(hngl)米米(H/m)H描述磁场的一个重要的物理描述磁场的一个重要的物理量,无论在真空或在磁介质中,量,无论在真空或在磁介质中,H只表征传导电流的磁场特征,与磁只表征传导电流的磁场特征,与磁介质无关。介质无关。电介质中的电场强度(qingd)E 为真空中的电场强度(qingd)E0 和由于电极化而产生的附加电场强度(qingd)E 之和第5页/共105页第六页,共106页。将材料放入磁场强度为将材料放入磁场强度为H的自由空间,则材料中的自由空间,则材料中的磁感应强度的磁感应强度B=H 其中其中(qzhng)称为材料的磁导率或绝对磁导称为材料的磁导率或绝对磁导率。率。所以所以 B
6、=B0+B=0H+0M=0(H+M)其中其中M称为材料的磁化强度,其物称为材料的磁化强度,其物理意义理意义(yy)为材料在外磁场中被为材料在外磁场中被磁化的程度。磁化的程度。材料内部的磁感应强度可看成材料对自由空间的反应0H和磁化引起(ynq)的附加磁场0M两部分场叠加而成。第6页/共105页第七页,共106页。磁化强度磁化强度M用单位体积用单位体积(tj)内的磁矩多少来衡量,内的磁矩多少来衡量,即即其中其中(qzhng)V为材料的体积,为材料的体积,m为其中为其中(qzhng)磁矩的矢量和。磁矩的矢量和。外磁场强度H增大,则材料(cilio)的磁化强度增大 M=H 其中称为材料(cilio)
7、的磁化率,即单位磁场强度可引起的材料(cilio)的磁化强度,是一个无量纲的量。定义为材料的相对磁导率,r也是无量纲的。可推导第7页/共105页第八页,共106页。B=H=0H+0M=0H+0 H 0(1+)H所以所以(suy)绝对磁导率、相对磁导率r、和磁化率都是描述材料在外磁场(cchng)下磁化能力的物理量,他们之间有固定的关系,知道其中的一个即可求出另外的两个。第8页/共105页第九页,共106页。材料磁化材料磁化材料磁化材料磁化(chu)(chu)的分类的分类的分类的分类 (classification of material (classification of material
8、magnetization)magnetization)第9页/共105页第十页,共106页。根根据据(gnj)材材料料的的磁磁化化率率,将将材材料料分分为为五五类类 第10页/共105页第十一页,共106页。1.抗磁体抗磁体(ct):0,在,在10-310-6数数量级。量级。如奥氏体,如奥氏体,Pt,Pd,Li,Na,K,Rb等。等。顺磁体的另一特征是其磁化率顺磁体的另一特征是其磁化率 一般一般(ybn)与绝对温度成反比。与绝对温度成反比。3铁磁体:0且很大,可达106数量级,与外磁场呈非线性关系。在高于某一临界温度Tc变成顺磁体,Tc称为居里点或居里温度。外磁场消失(xiosh)仍保留一定
9、的磁化率如Fe,Co,Ni,Y,Dy及其某些合金等。第11页/共105页第十二页,共106页。5反铁磁体:反铁磁体:0,且在低温,且在低温(dwn)时与磁场方向有关,在高温时与磁场方向有关,在高温时与顺磁体相同。时与顺磁体相同。如如-Mn,MnO,Cr2O3,Cr,CoO,ZnFeO4等。等。4亚铁磁体:亚铁磁体:0,与铁磁体类似,但,与铁磁体类似,但 小些。小些。如磁铁矿,铁氧体等。如磁铁矿,铁氧体等。磁化率不如铁磁体高,但其电阻磁化率不如铁磁体高,但其电阻(dinz)大,产大,产生的涡流损耗小,适于制作电导率低的磁性材料。生的涡流损耗小,适于制作电导率低的磁性材料。铁磁体和亚铁磁体称为强磁
10、体;抗磁体、顺磁体和反铁磁体称为弱磁体,通常(tngchng)磁性材料为强磁体。第12页/共105页第十三页,共106页。7.2 7.2 孤立孤立孤立孤立(gl)(gl)原子的磁矩原子的磁矩原子的磁矩原子的磁矩(Magnetic moment of isolated atoms)(Magnetic moment of isolated atoms)第13页/共105页第十四页,共106页。电子电子(dinz)和原子核的磁矩和原子核的磁矩(magnetic moments of electrons and atomic nucleus)第14页/共105页第十五页,共106页。从本质上说,一切材
11、料的磁性都来源于电荷的运从本质上说,一切材料的磁性都来源于电荷的运动(或电流)。动(或电流)。材料的磁性源于原子材料的磁性源于原子(yunz)(小磁铁)的磁性。(小磁铁)的磁性。原子原子(yunz)的磁矩来源于电子的的磁矩来源于电子的运动和原子运动和原子(yunz)核的自旋。核的自旋。原子的磁矩电子轨道磁矩电子轨道磁矩电子自旋磁矩电子自旋磁矩原子核自旋磁矩原子核自旋磁矩第15页/共105页第十六页,共106页。1.磁矩磁矩与电荷类似,将磁荷定义成磁的基本与电荷类似,将磁荷定义成磁的基本单位。两磁极若分别单位。两磁极若分别(fnbi)有有q1和和q2磁荷的磁极强度,则其作用力磁荷的磁极强度,则其
12、作用力其中r为磁极间距,k为比例(bl)常数。磁极q在外磁场中要受到力的作用,且有该力 F=qH其中H为外磁场的强度。第16页/共105页第十七页,共106页。实际上磁极实际上磁极(cj)总是以正负对的形式存在,目总是以正负对的形式存在,目前尚未发现单独存在的磁极前尚未发现单独存在的磁极(cj)。(此句要修正(此句要修正Science,2009,9,3)将相互接近的一对磁极将相互接近的一对磁极q和和q称称为磁偶极子为磁偶极子真空中,单位真空中,单位(dnwi)外磁场作用外磁场作用在相距在相距d的磁偶极子上的最大的力的磁偶极子上的最大的力矩矩 Pmqd 称为该磁偶极子的磁偶极矩(磁动称为该磁偶极
13、子的磁偶极矩(磁动量)。量)。磁偶极矩与真空磁导率磁偶极矩与真空磁导率 0的比值称的比值称为磁矩,用为磁矩,用m表示,即表示,即 m=Pm/0第17页/共105页第十八页,共106页。当当磁磁偶偶极极子子与与外外磁磁场场方方向向(fngxing)成成一一定定角角度度时时它它将将受受到到磁磁场场力力的的作作用用产产生生转转矩矩,转转矩矩力力图图使使磁磁偶偶极矩极矩Pm处于能量最低方向处于能量最低方向(fngxing)。磁偶极矩与外磁场的作用磁偶极矩与外磁场的作用(zuyng)的势能称为静磁能的势能称为静磁能UPmHPmHcos 其中(qzhng)是Pm与H的夹角。外磁场作用下磁场力的作用转矩有使
14、磁偶极矩处于能量最低状态的趋势。第18页/共105页第十九页,共106页。2.2.电子电子(dinz)(dinz)轨道磁矩轨道磁矩将电子绕核的运动考虑将电子绕核的运动考虑(kol)成环成环形电流,设轨道半径为形电流,设轨道半径为r,电子电量,电子电量为为e,质量为,质量为m,运动角速度为,运动角速度为,轨,轨道角动量为道角动量为Ll,则轨道电流强度,则轨道电流强度电子(dinz)轨道磁矩其中S为环形电流的面积。第19页/共105页第二十页,共106页。电子电子(dinz)的轨道的轨道角动量角动量其其中中l为为角角量量子子数数,为为狄狄拉拉克克常常数数。当当主主量量子子数数n=1,2,3时时,l
15、=n-1,n-2,0。所所以以电电子子(dinz)轨轨道道磁矩磁矩 是量子化的。其中(qzhng)为一常数,是电子磁矩的最小单位,称为玻尔磁子第20页/共105页第二十一页,共106页。电电子子轨轨道道磁磁矩矩的的方方向向垂垂直直于于电电子子运运动动环环形形轨轨迹迹的的平平面面,并并符符合合右右手手螺螺旋旋定定则则,它它在在外外磁磁场场(cchng)方方向向的的投投影,即电子轨道磁矩在外磁场影,即电子轨道磁矩在外磁场(cchng)z方向的分量方向的分量也是量子化的,其中也是量子化的,其中(qzhng)ml=0,1,2,l,为电子轨道运动的磁量子数。为电子轨道运动的磁量子数。由于电子的轨道磁矩受
16、不断变化方向的晶格场的作用(zuyng),不能形成联合磁矩。第21页/共105页第二十二页,共106页。3.电子电子(dinz)自旋自旋磁矩磁矩电子自旋电子自旋(z xun)角动量角动量Ls和自旋和自旋(z xun)磁矩磁矩ms取决于自旋取决于自旋(z xun)量子数量子数s,s=1/2,他们在外磁场(cchng)z方向的分量取决于自旋磁量子数mss=1/2,即其符号取决于电子自旋方向,一般取与外磁场方向z一致的方向为正。实验上也测定出电子自旋磁矩在外磁场方向的分量恰为一个玻尔磁子第22页/共105页第二十三页,共106页。4.原子核磁矩原子核磁矩原子核中的质子也带电原子核中的质子也带电(di
17、 din),其自旋也会产生磁矩。其自旋也会产生磁矩。质子质量(zhling)是电子质量(zhling)的103倍以上,运动速度比电子小三个数量级,其磁矩N一般比玻尔磁子B三个数量级。考虑原子磁矩时可将其忽略。但利用(lyng)核能级(磁矩)的量子化可以分析材料的结构(键结构、磁矩结构等)。物理基础原子核与周围电子云的超微细相互作用。第23页/共105页第二十四页,共106页。穆斯堡尔效应(Mossbauer effect,原子核对射线的共振吸收):处于(chy)不同环境的原子吸收的射线光子数目不同。核磁共振(Nuclear magnetic resonance,NMR):处于(chy)不同环境
18、的原子与外界交变磁场产生共振的频率不同。分析穆斯堡尔谱或核磁共振谱可了解(lioji)磁体中顺磁相、铁磁相的量及各类原子周围的化学环境(键结构)。超超微微细细相相互互作作用用:原原子子核核与与其其周周围围的的电电子子云云相相互互作作用用,使使原原子子核核的的能能级级发发生生极极其其微微小小的的移移动动(ydng)或或分分裂裂的的现象。现象。第24页/共105页第二十五页,共106页。原子原子(yunz)的磁矩的磁矩(Magnetic moment of atoms)第25页/共105页第二十六页,共106页。不考虑不考虑(kol)原子核的贡献,原子的总角动量和总原子核的贡献,原子的总角动量和总
19、磁矩由其中电子的轨道与自旋角动量耦合而成。磁矩由其中电子的轨道与自旋角动量耦合而成。总轨道(gudo)角动量由总轨道(gudo)量子数L决定:其中L=mli是各电子(dinz)的轨道磁量子数的总和。总轨道磁矩Russell-Saunders 耦合,各电子的轨道角动量与自旋角动量先分别合成总轨道角动量PL和总自旋角动量PS,然后二者再合成出总角动量PJ。第26页/共105页第二十七页,共106页。总自旋(z xun)角动量由自旋(z xun)量子数S决定:其中S=msi是各电子(dinz)的自旋磁量子数的总和。总自旋磁矩总轨道磁矩在外磁场(cchng)z方向的分量为 Lz=mLB其中mL=L,(
20、L-1),(L-2),0,对应于2L+1个取向。第27页/共105页第二十八页,共106页。总自旋磁矩在外磁场总自旋磁矩在外磁场(cchng)z方向的分量为方向的分量为 Sz=2mS B 其中其中(qzhng)mS=S,(S-1),(S-2),0,对应于,对应于2S+1个取个取向。向。原子(yunz)总角动量由总角量子数J决定:其中J由L和S合成,依赖于PL和PS的相对取向 原子的总磁矩第28页/共105页第二十九页,共106页。其中其中(qzhng)称为朗德劈裂因子,其数值反映出称为朗德劈裂因子,其数值反映出电子轨道运动和自旋电子轨道运动和自旋(z xun)运动运动对原子总磁矩的贡献。对原子
21、总磁矩的贡献。当当S=0而而L 0时,时,gJ=1;当当S 0而而L=0时,时,gJ=2;当当S 0且且L 0时,孤立原子或离子的时,孤立原子或离子的gJ可大于或小于可大于或小于2。原子(yunz)总自旋磁矩在外磁场z方向的分量为 Jz=gJmJB其中mJ=J,(J-1),(J-2),0,共2J+1个可能值。第29页/共105页第三十页,共106页。小小结结(xi(xiojoji)i)以上孤立原子以上孤立原子(yunz)磁矩的表达式磁矩的表达式都适用于孤立离子。都适用于孤立离子。当原子的J=0时,原子的总磁矩J=0当原子中的电子壳层均被填满时即属此情况。当原子的电子壳层未被填满时,其J0,原子
22、的总磁矩J0,其原子总磁矩称为(chn wi)原子的固有磁矩或本征磁矩。原子的固有磁矩与其中的电子排布有关。占据同一轨道的两电子的自旋磁矩方向相反,互相抵消第30页/共105页第三十一页,共106页。原子的电子壳层是满填的,自旋磁矩完全相原子的电子壳层是满填的,自旋磁矩完全相互抵消,原子磁矩由轨道互抵消,原子磁矩由轨道(gudo)磁矩决定。磁矩决定。原子的电子壳层未满填原子的电子壳层未满填洪特规则洪特规则自自旋磁矩未完全抵消,磁矩主要由自旋磁矩决定。旋磁矩未完全抵消,磁矩主要由自旋磁矩决定。洪洪特特(Hund)规规则则描描述述(mio sh)含含有有未未满满壳壳层层的的原原子子或或离离子子基基
23、态态的的电电子子组组态态及及其其总总角角动动量量。第第一一,未未满满壳壳层层中中各各电电子子的的自自旋旋取取向向(mS)使使总总自自旋旋量量子子数数S最最大大时时能能量量最最低低;第第二二,在在满满足足第第一一规规则则的的条条件件下下,以以总总轨轨道道角角量量子子数数L最最大大的的电电子子组组态态能能量量最最低低;第第三三,当当未未满满壳壳层层中中的的电电子子 数数 少少 于于 状状 态态 数数 的的 一一 半半 时时,J=的能量最低。的能量最低。第31页/共105页第三十二页,共106页。例:孤立铁原子的电子层分布(fnb)为1s22s22p63s23p63d64s2其d电子的轨道占据情况为
24、:使总电子(dinz)自旋磁矩为4B。未满壳层中的电子数少于状态数的一半时占据(zhnj)尽可能多的轨道,且其中电子自旋方向平行。第32页/共105页第三十三页,共106页。7.3 抗磁性和顺磁性抗磁性和顺磁性(Diamagnetism and paramagnetism)(Diamagnetism and paramagnetism)第33页/共105页第三十四页,共106页。材材料料中中原原子子的的电电子子态态与与孤孤立立原原子子不不同同,使使其其磁磁性性与与孤孤立立原原子子不不同同键键合合使使外外层层(wi cn)电电子子排排布发生了变化。布发生了变化。共价结合常使价电子配对甚至杂化共价
25、结合常使价电子配对甚至杂化成总磁矩为零的电子结构成总磁矩为零的电子结构氢分氢分子。子。在离子化合物中在离子化合物中可使有磁矩的可使有磁矩的原子变成无磁矩的离子。原子变成无磁矩的离子。金属中金属中磁性取决于正离子实和磁性取决于正离子实和自由电子的磁性。自由电子的磁性。例:过渡金属中,例:过渡金属中,d轨道展宽成能带,轨道展宽成能带,与与s能带交叠能带交叠(jio di),使,使s带和带和d带带中的电子数与孤立原子不同。中的电子数与孤立原子不同。孤立钯原子的外层电子组态为孤立钯原子的外层电子组态为3d104s0,没有磁矩,但在金属钯中,没有磁矩,但在金属钯中外层电子组态则变成外层电子组态则变成3d
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