固体的磁性

固体物理学中的磁性材料及其应用随着科技的不断发展，磁性材料在现代工业中扮演着越来越重要的角色。

作为一种特殊的固体物质，磁性材料具有很多优异的物理和化学性质，使得它被广泛应用于现代工业、医学、生物学等领域。

本文将介绍固体物理学中的磁性材料及其应用。

一、磁性材料的基本概念磁性材料是指能够吸引铁、镍、钴等磁性金属的材料，其主要特点是在外部磁场的作用下，其内部自发地产生磁场，表现为磁化。

磁性材料可根据其磁滞曲线形状分为软磁性材料和硬磁性材料两大类。

软磁性材料的磁滞曲线呈现出相对平缓的倒钟形，其主要应用于电子变压器、电感器、磁性头等电子元器件中。

硬磁性材料的磁滞曲线呈现出明显的"开口"形状，具有很高的矫顽力和剩磁，其主要应用于电机、电磁铁、磁盘等领域。

二、磁性材料的种类及其性质1、铁磁性材料铁磁性材料具有很强的磁性，在磁化后能够持久地保持磁性。

目前应用较多的铁磁性材料主要包括铁、钴及其合金、氧化铁、钡铁酸盐等。

其中，铁是一种典型的铁磁性材料，其磁化强度和磁导率较高，应用广泛。

氧化铁是一种非晶态磁性材料，具有小的磁滞损耗、较高的矫顽力等特点，常用于高频电子元器件中。

2、顺磁性材料顺磁性材料是指在外磁场作用下，其磁矩方向和外磁场方向一致，而不像铁磁性材料那样在磁化后仍然保持磁性。

目前应用较多的顺磁性材料主要包括铝、铜、锌等。

这些材料在制备过程中需要去除其中的杂质，以获得较高的磁化率和磁导率。

3、抗磁性材料抗磁性材料是指在外磁场作用下，其磁矩方向与外磁场方向相反，因而不能被磁化，比如铜、银、金等。

这些材料应用于磁感应计、磁强计等测量仪器中。

三、磁性材料的应用1、计算机、通信技术磁盘是计算机的重要存储设备，用于存储大量的数据信息。

在磁盘的制造中，磁性材料起到了重要作用。

当外磁场作用于磁盘时，磁盘的表面就会形成一定的磁性图案，这些磁性信息将被磁头读取，并转化为电信号，最终被计算机处理。

2、医学领域磁性材料在医学领域中应用广泛。

物质磁性的分类1、抗磁性当磁化强度M为负时，固体表现为抗磁性。

Bi、Cu、Ag、Au等金属具有这种性质。

在外磁场中，这类磁化了的介质内部的磁感应强度小于真空中的磁感应强度M。

抗磁性物质的原子（离子）的磁矩应为零，即不存在永久磁矩。

当抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电子轨道改变，感生一个与外磁场方向相反的磁矩，表现为抗磁性。

所以抗磁性来源于原子中电子轨道状态的变化。

抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率H一般约为-10-5，为负值。

2、顺磁性顺磁性物质的主要特征是，不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。

但在无外加磁场时，由于顺磁物质的原子做无规则的热振动，宏观看来，没有磁性；在外加磁场作用下，每个原子磁矩比较规则地取向，物质显示极弱的磁性。

磁化强度与外磁场方向一致，为正，而且严格地与外磁场H成正比。

顺磁性物质的磁性除了与H有关外，还依赖于温度。

其磁化率H与绝对温度T成反比。

式中,C称为居里常数，取决于顺磁物质的磁化强度和磁矩大小。

顺磁性物质的磁化率一般也很小，室温下H约为10-5。

一般含有奇数个电子的原子或分子，电子未填满壳层的原子或离子，如过渡元素、稀土元素、钢系元素，还有铝铂等金属，都属于顺磁物质。

3、铁磁性对诸如Fe、Co、Ni等物质，在室温下磁化率可达10-3数量级，称这类物质的磁性为铁磁性。

铁磁性物质即使在较弱的磁场内，也可得到极高的磁化强度，而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性。

其磁化率为正值，但当外场增大时，由于磁化强度迅速达到饱和，其H变小。

铁磁性物质具有很强的磁性，主要起因于它们具有很强的内部交换场。

铁磁物质的交换能为正值，而且较大，使得相邻原子的磁矩平行取向（相应于稳定状态），在物质内部形成许多小区域——磁畴。

每个磁畴大约有1015个原子。

这些原子的磁矩沿同一方向排列，假设晶体内部存在很强的称为“分子场”的内场，“分子场”足以使每个磁畴自动磁化达饱和状态。

这种自生的磁化强度叫自发磁化强度。

固体物理中的磁性磁性是固体物理中一个非常重要且有趣的现象。

它是指物质在存在外部磁场的作用下，产生磁化强度并展示出相应的磁特性。

在本文中，我们将探讨固体物理中的磁性现象，并介绍其中的一些关键概念和应用。

一、磁矩的概念与分类磁矩是固体物体表现出磁性的根本性质。

磁矩可以分为两类：原子磁矩和宏观磁矩。

1. 原子磁矩原子磁矩是由原子中带电粒子（如电子）所产生的微小磁矢量。

它的大小与原子的电子结构有关。

根据原子磁矩的大小和方向，物质可以分为顺磁性、抗磁性和铁磁性。

- 顺磁性：顺磁性物质中的原子磁矩与外磁场方向相同，被外磁场激发后会增强磁化强度，如氧气和铜等。

- 抗磁性：抗磁性物质中的原子磁矩与外磁场方向相反，被外磁场激发后会减弱磁化强度，如银和铝等。

- 铁磁性：铁磁性物质中的原子磁矩与外磁场方向相同，但铁磁性物质在外磁场的作用下会呈现出一定的剩余磁化强度，如铁和镍等。

2. 宏观磁矩宏观磁矩是由大量原子磁矩的矢量和所构成的磁化强度。

物质的宏观磁矩可以进一步分为顺磁性、抗磁性和铁磁性。

- 顺磁性：顺磁性物质在外磁场的作用下会呈现出强磁化特性。

这种磁性主要源于物质内部原子磁矩的耦合和分布，如铁矿石及其合金等。

- 抗磁性：抗磁性物质在外磁场的作用下会呈现出阻止磁化的特性。

这种磁性主要源于物质内部原子磁矩的耦合和分布，如铜和铅等。

- 铁磁性：铁磁性物质在外磁场的作用下呈现出显著的剩余磁化强度，其磁矩可以保持，并在去除外磁场后不会消失，如铁和钴等。

二、固体磁性的产生机制固体物质的磁性是由其原子磁矩的相互作用和排列所决定的。

根据不同的磁性机制，固体材料可以进一步分为顺磁体、抗磁体和铁磁体。

1. 顺磁体顺磁体的磁性主要是由物质内部原子磁矩的排列和分布造成的，其磁矩在外磁场的作用下与外磁场方向一致，从而增强磁化强度。

顺磁体的磁矩大小与外磁场强度呈线性关系，磁化过程是连续的。

2. 抗磁体抗磁体的磁性也是由物质内部原子磁矩的排列和分布所决定的，其磁矩在外磁场的作用下与外磁场方向相反，从而减弱磁化强度。

固体的磁性 基础知识1. 磁性的一种分类方式根据磁化率χ的大小符号以及与温度、磁场的关系，可以把物质的磁性分成五类：（1）抗磁性，磁化强度与磁场方向相反，χ < 0，其值约为10-7~10-6；（2）顺磁性，磁化强度与磁场方向相同，χ > 0，其值约为10-6~10-5；（3）反铁磁性，χ > 0，其值约为10-4；（4）亚铁磁性，χ > 0，其值约为10-1~104；（5）铁磁性，χ > 0，其值约为10-1~106抗磁性的χ几乎与温度无关，其余均与温度有关；亚铁磁性和铁磁性为强磁性，其余为弱磁性。

2. 原子磁矩构成固体物质的原子中，电子磁矩比原子核的磁矩大三个数量级，所以电子磁矩对固体的磁性起主要作用。

2.1 独立原子的磁矩原子中电子的磁矩由轨道磁矩和自旋磁矩两部分组成。

电子的轨道磁矩为L 是电子的轨道角动量，µL 的绝对值为其中l 是电子轨道角动量量子数，µB 是波尔磁子，其大小为电子的自旋磁矩为 = -2L e mμL =(1)L Bl l 2B e m S e mμSS 是电子的自旋角动量，µS 的绝对值及其在z 方向的投影分别为如果原子中只有一个电子，则原子磁矩为J 是电子的总角动量。

如果原子中有多个电子，原子的总角动量有LS 耦合和JJ 耦合两种耦合方式，分别适用于原子序数比较小和原子序数比较大（Z > 80）的耦合方式。

常见的3d 族和4f 族元素，电子之间的轨道-轨道与自旋-自旋偶合较强，适合使用LS 耦合。

2.2 晶场效应原子结合成晶体后，原子的电子状态发生变化，价电子参与各种类型的键合，而处在格点位置的离子也不同于孤立离子，其电子状态因受周围离子所产生的静电场的作用而发生变化，这种静电场称为晶体电场，它所造成的影响称为晶场效应。

晶场效应有两种：一是离子中简并的电子态发生劈裂，二是电子的轨道角动量的贡献部分或者全部被冻结。

物理固体的知识点总结1. 固体的结构物理固体有着多种结构，包括晶体结构和非晶体结构。

晶体属于有序结构，原子、离子或分子之间以固定的空间排列和交错方式连接在一起，形成一个周期性的结构。

而非晶体则属于无序结构，原子、离子或分子之间仅存在短程有序的排列，整体上没有周期性的结构。

2. 固体的力学性质固体的力学性质包括弹性模量、塑性变形和断裂等。

弹性模量是固体材料在受力时的变形能力，包括杨氏模量、剪切模量和泊松比。

塑性变形是指固体在受力时会发生形变，而不会恢复到原始形状。

断裂是指固体在受到过大的外力作用时会发生裂纹和断裂现象。

3. 固体的热学性质固体的热学性质包括热扩散、导热和热容等。

热扩散是指固体在受到热量作用时会扩散和传播，导热是指固体对热量的传递能力，而热容则是指固体在受热时所吸收的热量。

4. 固体的光学性质固体的光学性质包括光的透射、反射和折射等。

固体对光的透射、反射和折射能力取决于固体的光学密度和折射率等因素。

5. 固体的电学性质固体的电学性质包括导电性和绝缘性。

导电性是指固体对电流的导电能力，而绝缘性则是指固体对电流的隔绝能力。

6. 固体的磁学性质固体的磁学性质包括顺磁性、铁磁性和反铁磁性等。

固体的磁性取决于固体中磁性原子或原子团簇的排列方式和磁矩的相互作用。

物理固体的研究是固体物理学的一个重要方向，通过对固体的结构和性质进行深入的研究，可以更好地了解和利用固体材料的特性。

随着科学技术的不断发展，人们对固体物理学的研究也将会进行更深入、更全面的探索，为人类社会的发展和进步提供更多的科学支撑。

96第6章 固体的磁性和磁性材料§6.1 固体的磁性质及磁学基本概念6.1.1 固体的磁性质某些无机固体并不像其他所有物质那样表现出抗磁性（Diamaganetism ）,而是呈现出磁效应。

这些无机固体往往是以存在不成对电子为特征的，这些不成对电子又常常是处在金属阳离子中。

因此，磁行为主要限制在过渡金属和镧系金属元素的化合物上。

它们中许多金属原子具有不成对的d 和f 电子，就可能具有某些磁效应。

我们知道，电子有自旋，形成自旋磁矩。

在不同的原子中，不成对电子可以随机取向，此时材料就是顺磁的（Paramagnetic ）；如果不成对的电子平行地排成一列，材料就有净的磁矩，这是材料是铁磁性的（iferromagnetic ）；相反，不成对电子反平行排列，总磁矩为零，材料就呈现反铁磁性为（Antiferromagnetic ）；如果自旋子虽是反平行排列，但两种取向的数量不同，会产生净的磁矩，材料就具有亚铁磁性（Ferrimagnetic ）。

图6.1就说明这些情形。

(b)(d)(c)图6.1 成单电子自旋取向和材料的磁性a 抗磁性b 铁磁性c 反铁磁性d 亚铁磁性磁性材料广泛地应用在电器、电声、磁记录和信息存储各方面，可以说，现代社会离不开磁性材料。

6.1.2 磁学基本概念1．物质在磁场中的行为97首先，我们讨论不同材料在磁场中的行为。

如果磁场强度为H ，样品单位体积的磁矩为I ，那么样品的磁力线密度，即所谓磁通量 （Magnetic induction ）B 为：B = H + 4πI 6.1.1导磁率（Permeability ）P 和磁化率（Susceptinity ）K 定义为： P = HB = 1 + 4πK 6.1.2 K = HI 6.1.3 摩尔磁化率χ为χ= dM κ 6.1.4 式中M 是分子量，d 式样品密度。

根据、K 、χ及其与温度和磁场的依赖关系可以区分不同种类的磁行为，这总结在表6.1中。