第6节 抗磁性、顺磁性和铁磁性

原子物理学顺磁性，抗磁性，铁磁性指导教师：XXX专业：XXXX学号：XXXXXXXXXX姓名：XXXXXXX大学XXXX年X月X日顺磁性，抗磁性，铁磁性摘要：一些物质放在磁场中经过磁化后，它的宏观磁矩方向同磁场方向相反，此类物质称为抗磁性的；另一些物质放在磁场中经过磁化后，它的宏观磁矩方向同磁场方向相同，此类物质称为顺磁性的；而某些物质，如铁、钴、镍以及一些稀土元素和许多氧化物，在受到外磁场磁化后，显出比顺磁性强的很多的磁性，在失去磁场后，还保留磁性，这种现象称为铁磁性。

关键词：顺磁性，抗磁性，铁磁性一、顺磁性简介：顺磁性物质的磁化率为正值，比反磁性大1～3个数量级，X约10^-5～10^-3，遵守Curie定律或Curie-Weiss定律。

物质中具有不成对电子的离子、原子或分子时，存在电子的自旋角动量和轨道角动量，也就存在自旋磁矩和轨道磁矩。

在外磁场作用下，原来取向杂乱的磁矩将定向，从而表现出顺磁性。

定义：顺磁性是一种弱磁性。

当分子轨道或原子轨道上有落单的原子或电子时，就会产生顺磁性。

顺磁(性)物质的主要特点是原子或分子中含有没有完全抵消的电子磁矩，因而具有原子或分子磁矩。

但是原子(或分子)磁矩之间并无强的相互作用(一般为交换作用)，因此原子磁矩在热骚动的影响下处于无规(混乱)排列状态，原子磁矩互相抵消而无合磁矩。

但是当受到外加磁场作用时，这些原来在热骚动下混乱排列的原子磁矩便同时受到磁场作用使其趋向磁场排列和热骚动作用使其趋向混乱排列，因此总的效果是在外加磁场方向有一定的磁矩分量。

这样便使磁化率(磁化强度与磁场强度之比)成为正值，但数值也是很小,一般顺磁物质的磁化率约为十万分之一(10^-5)，并且随温度的降低而增大。

原理：顺磁性物质可以被看作是由许多微小的磁棒组成的，这些磁棒可以旋转，但是无法移动。

这样的物质受到外部磁场的影响后其磁棒主要顺磁力线方向排列，但是这些磁棒互相之间不影响。

热振动不断地使得磁棒的方向重新排列，因此磁棒指向不排列比排列的可能性高。

1. 顺磁性、抗磁性、铁磁性、反磁性的物理特征及代表性材料一、两种，它们的磁化率的温度关系。

金属导电电子的顺磁性（泡利顺磁性）磁化率FB E n 232μχ=的推导、各种抗磁性的来源。

顺磁性：一种弱磁性，呈现正的磁化率，数量级为10-5-10-2，磁性离子之间不存在明显的相互作用。

代表材料：FeCl2,CoCl2。

磁化率与温度的关系：居里定律和居里-外斯定律。

抗磁性：一种弱磁性，呈现负的磁化率，数量级为10-5，磁性离子之间不存在明显的相互作用，主要分为正常抗磁性和反常抗磁性（Bi ）。

代表材料：Ag,Ag,Cu 。

磁化率与温度的关系：正常抗磁性磁化率基本不随温度和磁场变化；反常抗磁性与温度和磁场有明显的依赖关系，在极低温下出现德哈斯-范阿尔芬效应。

正常抗磁性：电磁感应；反常抗磁性：导电电子受周期性晶格场的作用而引起的。

铁磁性：一种强磁性，在居里温度以下，存在自发磁化现象和分畴现象，近邻磁矩排列平行。

代表材料：Fe ，Co ，Ni,Fe3O4,Fe2O3。

磁化率与温度的关系：在居里温度以上，满足居里-外斯定律。

反铁磁性：一种强磁性，在居里温度以下，存在自发磁化现象和分畴现象，近邻磁矩排列反平行。

代表材料：MnO ，FeO 。

磁化率与温度的关系：在居里温度以上，满足居里-外斯定律。

金属导电电子的顺磁性推导：《铁磁学上》P57 2. 孤立原子的磁矩的组成。

用洪德法则分析单个离子（d 电子和f 电子）的磁矩。

原子组成晶体时轨道角动量冻结现象的理解、轨道角动量冻结的本质及其对磁矩的影响。

组成：轨道磁矩与自旋磁矩的耦合。

上P24分析例子：上P25。

轨道冻结：上P73。

3. 铁磁性的基本特征。

从唯象理论和交换作用理论的角度理解铁磁性物质的自发磁化和居里温度（包括反铁磁和亚铁磁情况）。

居里—外斯定律的推导、分子场的本质。

自旋波的理解与低温下铁磁体的磁化强度与温度的关系。

铁磁性基本特征：一种强磁性，在居里温度以下，存在自发磁化现象和分畴现象，近邻磁矩排列平行。

磁学的基础概念和磁性材料特性磁学是物理学的一个重要分支，研究物质中的磁性现象以及磁场的产生和作用。

磁学的研究内容非常广泛，从最基本的磁性概念到磁性材料的特性都是磁学的重要内容。

磁性是物质的一种基本性质，表现为物质在外磁场作用下产生磁化的能力。

根据物质对外磁场的响应，可以将物质分为顺磁性、抗磁性和铁磁性三类。

顺磁性是指物质在外磁场作用下，磁矩与外磁场方向相同，而磁化强度较弱，且随外磁场的增强而增加。

顺磁性物质中的原子或离子具有未成对的电子自旋，这些电子自旋在外磁场的作用下会被排列起来，从而产生顺磁性。

抗磁性是指物质在外磁场作用下，磁矩与外磁场方向相反，且磁化强度较弱。

抗磁性物质中的原子或离子的电子自旋总数为偶数，因此在外磁场的作用下，磁矩相互抵消，导致物质呈现出抗磁性。

铁磁性是指物质在外磁场作用下，磁矩与外磁场方向相同，且磁化强度较强。

铁磁性物质中的原子或离子具有未成对的电子自旋，并且这些电子自旋在外磁场的作用下会被排列起来，形成一个较强的磁矩。

铁磁性物质在外磁场的作用下，磁矩的排列会发生变化，从而产生明显的磁化。

磁性材料是指具有磁性的物质，广泛应用于电子、通信、磁存储等领域。

根据磁性材料的特性，可以将其分为软磁性材料和硬磁性材料。

软磁性材料是指在外磁场作用下，能够快速磁化和去磁化的材料。

软磁性材料具有低的矫顽力和高的磁导率，能够有效地吸收和放出磁场能量。

软磁性材料广泛应用于变压器、电感器等电子设备中，用于实现能量的传输和转换。

硬磁性材料是指在外磁场作用下，能够长时间保持磁化状态的材料。

硬磁性材料具有高的矫顽力和高的剩磁，能够产生强大的磁场。

硬磁性材料广泛应用于磁头、磁盘等磁存储设备中，用于实现信息的读写和存储。

除了软磁性材料和硬磁性材料，还存在一些特殊的磁性材料，如铁氧体、钕铁硼和钴磁体等。

这些材料具有特殊的磁性特性，可以在特定的应用领域中发挥重要作用。

总之，磁学是物理学的一个重要分支，研究物质中的磁性现象以及磁场的产生和作用。

顺磁性和抗磁性
类似电介质的讨论，从物质电结构来说明磁性的起源。

介质的分子（原子）中的所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和，称为分子磁矩。

分子的磁效应可用分子磁矩来表示，并可用具有相同磁矩的圆电流来替代分子。

设分子电流的电流强度为I，圆面积S，对应的分子磁矩为
式中en为圆电流平面法向单位矢量，它与电流方向成右手螺旋关系。

(1) 抗磁质
磁介质的分子磁矩为零，在外磁场中，各个分子中的电子都因拉莫进动而产生感应磁矩。

感应磁矩的方向与外磁场方向相反，相应的附加磁场的方向也与外磁场方向相反，使介质中的磁感应强度减弱。

抗磁质在外磁场中的磁化过程称为感应磁化。

(2) 顺磁质
磁介质的分子磁矩不为零，在无外磁场时，各个分子磁矩的方向完全无规则，宏观上不产生磁效应。

有外磁场时，各个分子磁矩将转向外磁场方向。

达到平衡时，分子磁矩将不同程度地沿外磁场方向排列起来，在宏观上呈现出附加磁场，附加磁场的方向与外磁场方向相同，使介质中的磁感应强度增加。

顺磁质在外磁场中也会出现感应磁矩，但它比分子磁矩约小5个数量级，因此完全可以忽略。

顺磁场在外磁场中的磁化过程称为取向磁化。

关于磁知识点总结磁学基本概念磁学是研究磁场和磁性物质的学科。

磁场是一种特殊的物理场，它的存在会对周围的磁性物质产生作用。

根据物体相对运动状态的不同，磁学现象可以分为静磁学和动磁学。

静磁学主要研究静磁场对磁性物质的作用，如磁场对磁体的吸引和排斥；而动磁学研究磁场产生的电磁感应现象，比如发电机和变压器的原理。

磁场磁场是一个特殊的物理场，它是由运动电荷、磁性物质或电流产生的。

磁场可以通过磁力线来描述，磁力线是刻画磁场分布的一条曲线，它的方向表示磁场的方向，磁力线的密度表示磁场的强度。

磁场的单位是特斯拉（T），1 T 的磁场强度相当于每安培的电流在1米处产生的力。

磁场的性质磁场具有一些特殊的性质，比如磁场是无源场、无旋场和非相对论不变的。

无源场是指磁场没有单极子，磁荷不可能存在，只有电荷存在。

无旋场是指磁场的旋度为零，磁场线既不发散也不旋转。

非相对论不变是指一个参考系内磁场性质不会随时间变化。

磁性物质磁性物质是指在外加磁场的作用下表现出磁性的固体、液体或气体。

根据磁性的强弱和温度的不同，磁性物质可以分为顺磁性、铁磁性和抗磁性。

顺磁性物质在外磁场下磁化方向与外磁场方向一致，它们对外磁场有增强作用；铁磁性物质在外磁场下磁化方向与外磁场方向不一致，它们对外磁场有增强作用；抗磁性物质在外磁场下磁化方向与外磁场方向相反，它们对外磁场有减弱作用。

磁性物质的应用磁性物质在生活和科技应用中有着广泛的应用，比如磁铁、磁记录、电动机、变压器、磁共振成像等。

磁铁可以应用于各种物流设备、传感器和医疗设备等领域；磁记录技术可以应用于数据存储、音视频录制、磁卡、信用卡等领域；电动机和变压器则是电力系统中不可或缺的重要组成部分；磁共振成像技术是医学影像学中一种重要的诊断工具，它可以用来检测人体内部的器官组织。

磁性物质的研究磁性物质的研究对于发展新的材料和推动新技术有着重要的意义。

利用各种方法对磁性物质的结构、性质和应用进行研究，可以帮助人们开发出更加先进的材料和技术，比如软磁材料、硬磁材料和磁电材料等。

铁磁性铁磁性Ferromagnetism过渡族金属（如铁）及它们的合金和化合物所具有的磁性叫做铁磁性，这个名称的由来是因为铁是具有铁磁性物质中最常见也是最典型的。

钐(Samarium)，钕(neod ymium)与钴的合金常被用来制造强磁铁。

铁磁理论的奠基者，法国物理学家P.-E.外斯于1907年提出了铁磁现象的唯象理论。

他假定铁磁体内部存在强大的“分子场”，即使无外磁场，也能使内部自发地磁化；自发磁化的小区域称为磁畴，每个磁畴的磁化均达到磁饱和。

实验表明，磁畴磁矩起因于电子的自旋磁矩。

1928年W.K.海森伯首先用量子力学方法计算了铁磁体的自发磁化强度，给予外斯的“分子场”以量子力学解释。

1930年F.布洛赫提出了自旋波理论。

海森伯和布洛赫的铁磁理论认为铁磁性来源于不配对的电子自旋的直接交换作用。

铁磁性材料存在长程序，即磁畴内每个原子的未配对电子自旋倾向于平行排列。

因此，在磁畴内磁性是非常强的，但材料整体可能并不体现出强磁性，因为不同磁畴的磁性取向可能是随机排列的。

如果我们外加一个微小磁场，比如螺线管的磁场会使本来随机排列的磁畴取向一致，这时我们说材料被磁化[1]。

材料被磁化后，将得到很强的磁场，这就是电磁铁的物理原理。

当外加磁场去掉后，材料仍会剩余一些磁场，或者说材料"记忆"了它们被磁化的历史。

这种现象叫作剩磁，所谓永磁体就是被磁化后，剩磁很大。

当温度很高时，由于无规则热运动的增强，磁性会消失，这个临界温度叫居里温度(Curie temperature)。

如果我们考察铁磁材料在外加磁场下的机械响应，会发现在外加磁场方向，材料的长度会发生微小的改变，这种性质叫作磁致伸缩(magnetostriction)。

产生铁磁性条件：铁磁质的自发磁化：铁磁现象虽然发现很早，然而这些现象的本质原因和规律，还是在本世纪初才开始认识的。

1907年法国科学家外斯系统地提出了铁磁性假说，其主要内容有：铁磁物质内部存在很强的“分子场”，在“分子场”的作用下，原子磁矩趋于同向平行排列，即自发磁化至饱和，称为自发磁化；铁磁体自发磁化分成若干个小区域(这种自发磁化至饱和的小区域称为磁畴)，由于各个区域(磁畴)的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以大块铁磁体对外不显示磁性。

第7章 磁学性能 习题解答一、名词解释：磁场强度 答：磁场强度是线圈安匝数的一个表征量，反映磁场源的强弱。

磁感应强度 答：磁感应强度（magnetic flux density ），描述磁场强弱和方向的基本物理量。

是矢量，常用符号B 表示。

磁感应强度也被称为磁通量密度或磁通密度。

磁导率 答：B =Hμ，单位强度的外磁场下材料内部的磁通量密度。

磁化率 答：物质本身的磁化特性，即材料在磁场中被磁化的难易程度。

磁矩 答：磁矩是表征材料磁性大小的物理量。

其值为，m I S =⨯自旋磁矩 答：电子自旋产生的磁矩。

轨道磁矩 答：电子沿一定轨道运动产生的磁矩。

抗磁性 答： 抗磁性是一些物质的原子中电子磁矩互相抵消，合磁矩为零。

但是当受到外加磁场作用时，电子轨道运动会发生变化，而且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩。

这样表示物质磁性的磁化率便成为很小的负数(量)。

顺磁性 答：（paramagnetism ）在磁场作用下，物质中相邻原子或离子的热无序磁矩在一定程度上与磁场强度方向一致的定向排列的现象。

反铁磁性铁磁性答：具有自发磁化，且这些自发磁化会随着外磁场的改变而改变方向。

亚铁磁性答：在无外加磁场的情况下，磁畴内由于相邻原子间电子的交换作用或其他相互作用。

使它们的磁矩在克服热运动的影响后，处于部分抵消的有序排列状态，以致还有一个合磁矩的现象。

磁畴 答：在磁性物质内，其自发磁化强度的大小和方向基本上一致的区域。

铁磁体 答：铁磁体指特指一种自发磁化方式，即晶胞里面的每一个磁子的方向都是相同的，都对磁性起增强作用。

如铁、钴、镍等。

铁氧体 答：铁氧体是一种具有铁磁性的金属氧化物。

由以三价铁离子作为主要正离子成分的若干种氧化物组成，并呈现亚铁磁性或反铁磁性的材料。

二、简答题1．何为磁化强度、磁感应强度？磁化强度与磁感应强度间存在何种关系?答：磁化强度，即单位体积的磁矩。

公式为，公式为，M = ∑m /V 。

磁感应强度也被称为磁通量密度或磁通密度。