物质的磁性
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（2）物质的磁性
（2）物质的磁性⽬录：（⼀）、洪德法则（⼆）、磁性的本质是什么，活着怎么从微观的⾓度解释磁性产⽣的原因（三）、外斯分⼦场（四）、物质的抗磁性是怎样产⽣的？为什么说抗磁性普遍存在（五）、顺磁性朗之万理论的内容是什么？在量⼦⼒学范畴内如何对其修正？（六）、铁磁性物质是怎样实现⾃发磁化的，为什么通常未经磁化的铁都不具有磁性（七）、阐述物质铁磁性，反铁磁性和亚铁磁性之间区别和联系（⼋）、交换作⽤模型与超交换作⽤模型的内容分别是什么。
（九）、量⼦⼒学简介（⼀）、洪德法则洪德法则（Hund's rules）简单说就是，⼀个轨道上⼀般都有⼏个“兼并能级”，例如图5中的2p轨道有3个能量⼀样的兼并能级。
在这种情况下，电⼦先⼀个萝⼘⼀个坑把所有的都占⼀遍，如果还剩电⼦，才会⼀个配⼀个的占满这些能级。
图5 （侵删）基于这些规律，我们会发现⼀个有趣的事实：在元素周期表中1. 惰性⽓体（ⅧA）的核外电⼦都恰好是全部成对的，因此不可能有净胜⾃旋；2. 主族元素（ⅠA ~ⅫA）虽然都有未配对电⼦，但在形成化合物时，这些电⼦⼀般都会成为价电⼦参与配对成键，因⽽也⼤都不具备明显的磁性；3. 只有过渡族元素具有⾮价电⼦的净剩⾃旋，因⽽也就是不同材料中磁性的主要承载者。
（⼆）、磁性的本质是什么，活着怎么从微观的⾓度解释磁性产⽣的原因作为⼀种物理场，磁场是看不见、摸不着但⼜客观存在的特殊物质。
它是磁性相互作⽤的媒介，有点神秘但却实实在在影响着我们的⽣活。
⽽题主的困惑来源于我们对磁性产⽣原因的混淆。
磁场的产⽣可以分为两⼤⽅⾯（如图1所⽰）：1、以运动电流为基础；2、以基本粒⼦的量⼦特征—⾃旋为基础。
我们需要将这两部分独⽴进⾏阐述。
题主所说的“⾼中我们就学习过，变化的电场周围会产⽣磁场”正是第⼀种起源，⽽题主接着提到的“⽐如⾮晶体中的磁性，另外有些晶体材料同样不具备明显的磁性等等”尽管不对，但其实指的就是第⼆种起源。
2. 我想多说的是第⼆个起源：以⾃旋为基础的铁磁性物质中的磁性。
磁性物理学第一章物质磁性概述-磁性物理
顺磁性物质举例
如氧、铝、铂等金属，以及某些非金属如氮、氧等。
顺磁性特点
顺磁性物质的磁化率比抗磁性物质大，但仍然是微弱的。它们同样 不会自发磁化，且在外磁场撤去后无剩磁。
铁磁性物质
01
铁磁性定义
铁磁性是指物质在外磁场作用下，能产生很强磁化现象，且可以自发磁
化形成磁畴。
02
铁磁性物质举例
如铁、钴、镍及其合金等。
物质磁性影响因素分
04
析
温度对物质磁性影响
居里温度
物质磁性随温度变化的重要参数，当温度高于居里温度时，铁磁性物质转变为顺 磁性。
磁化率与温度关系
对于顺磁性物质，磁化率随温度升高而降低；对于铁磁性物质，在居里温度以下 磁化率随温度升高而降低，在居里温度以上转变为顺磁性。
压力对物质磁性影响
压力效应
磁性分类
根据物质在磁场中的表现，可分为铁 磁性、亚铁磁性、反铁磁性、顺磁性 和抗磁性等。
物质磁性来源
电子自旋磁矩
电子自旋产生的磁矩是物质磁性的主要来源。
电子轨道磁矩
电子绕原子核运动时产生的磁矩，对物质磁性有 贡献但通常较小。
原子核自旋磁矩
原子核自旋产生的磁矩，对物质磁性的贡献极小， 通常可忽略不计。
尔元件等，实现非接触式测量和自动控制。
磁记录材料应用领域
硬盘驱动器
磁记录材料用于制造硬盘驱动器的存储介质，实现数据的长期可 靠存储。
磁带
利用磁记录材料的磁化特性，制造磁带等线性存储设备，用于数 据的备份和归档。
磁卡
磁记录材料用于制造各种磁卡，如信用卡、门禁卡等，实现身份 识别和交易安全。
总结与展望
物质在压力作用下，原子间距减小，电子云重叠增加，导致 交换作用增强，从而影响物质的磁性。
如氧、铝、铂等金属，以及某些非金属如氮、氧等。
顺磁性特点
顺磁性物质的磁化率比抗磁性物质大，但仍然是微弱的。它们同样 不会自发磁化，且在外磁场撤去后无剩磁。
铁磁性物质
01
铁磁性定义
铁磁性是指物质在外磁场作用下，能产生很强磁化现象，且可以自发磁
化形成磁畴。
02
铁磁性物质举例
如铁、钴、镍及其合金等。
物质磁性影响因素分
04
析
温度对物质磁性影响
居里温度
物质磁性随温度变化的重要参数，当温度高于居里温度时，铁磁性物质转变为顺 磁性。
磁化率与温度关系
对于顺磁性物质，磁化率随温度升高而降低；对于铁磁性物质，在居里温度以下 磁化率随温度升高而降低，在居里温度以上转变为顺磁性。
压力对物质磁性影响
压力效应
磁性分类
根据物质在磁场中的表现，可分为铁 磁性、亚铁磁性、反铁磁性、顺磁性 和抗磁性等。
物质磁性来源
电子自旋磁矩
电子自旋产生的磁矩是物质磁性的主要来源。
电子轨道磁矩
电子绕原子核运动时产生的磁矩，对物质磁性有 贡献但通常较小。
原子核自旋磁矩
原子核自旋产生的磁矩，对物质磁性的贡献极小， 通常可忽略不计。
尔元件等，实现非接触式测量和自动控制。
磁记录材料应用领域
硬盘驱动器
磁记录材料用于制造硬盘驱动器的存储介质，实现数据的长期可 靠存储。
磁带
利用磁记录材料的磁化特性，制造磁带等线性存储设备，用于数 据的备份和归档。
磁卡
磁记录材料用于制造各种磁卡，如信用卡、门禁卡等，实现身份 识别和交易安全。
总结与展望
物质在压力作用下，原子间距减小，电子云重叠增加，导致 交换作用增强，从而影响物质的磁性。
磁学基础
这是因为在低温下，热运动造成
的无序作用很小，内场的作用显 著，原子的本征磁矩趋于平行排
列，此时自发磁化强度趋于饱和。
当温度上升时，热运动的无序作 用加强，自发磁化强度减小，当 温度达到Tc时，自发磁化强度为零，此时物体失去它的铁磁 性，转变成顺磁体。
Page 25
2.4.4 铁磁性的主要特征
Page
15
b) 低温 当温度降低到 导可得：
时，有
通过推
M0称为绝对饱和磁化强度，它等于所有原子磁矩的总和。 饱和磁化强度指在给定温度下可获得的磁化强度的最大值。 上式说明在低温下，只要磁场足够强，原子磁矩可与磁场 方向趋于相同。
Page
16
2.4.3 反铁磁性
反铁磁性：其磁化率在某一温度存在极大值，该温度称为 奈尔温度TN。当温度T>TN时，其磁化率与温度的关系与 正常顺磁性物质相似，服从居里-外斯定律；当温度T<TN 时，其磁化率不是继续增大，而是降低，并逐渐趋于定值， 这种磁性称为反铁磁性。包括过渡族元素的盐类和化合物 等。
Page
28
五种磁性对应于不同的磁结构：抗磁性物质由于是电子的抵抗 磁矩，所以值很小。顺磁性物质和反铁磁性物质由于磁矩混乱 取向和相互抵消，磁化率也很小，因此这三种磁性是弱磁性。 铁磁性物质中磁矩平行取向，磁化率很高。亚铁磁性物质磁矩 虽为反平行排列，但是磁矩不能完全抵消，因而显示较高的磁 化率，故铁磁性和反铁磁性是强磁性。通常所说的磁性材料指 具有铁磁性或亚铁磁性的强磁性材料。
Page
26
2.4.5 亚铁磁性
亚铁磁性：其宏观磁性与铁磁性相同，仅仅是磁化率低一 些，约为100-103数量级。典型的亚铁磁性物质为铁氧体， 其与铁磁性物质的显著区别在于内部磁结构的不同。 物质的磁性并不是恒定不变得。同一种物质，在不同的环 境下，可以具有不同的磁性。eg：铁磁性物质在居里点温 度以下是铁磁性的，到达居里点温度则转变为顺磁性。
无机材料化学(第11讲物质的磁性分类)
（1）磁滞回线
磁化过程中磁化强度与磁场强度的关系曲线。 （磁化曲线）
OAB 起始磁化曲线 Ms 饱和磁化强度 Mr 剩余磁化强度
或称剩磁 Hc 矫顽磁场或矫顽力 BD 去磁－退磁曲线
磁滞回线
H为铁磁质中的合磁化强度
磁滞回线还可以表示成Biblioteka ～H的关系曲线，其形状和M～H类似。
因为铁磁质中，M的数值比H 大得多（102～106倍），
反铁磁质的磁化率x>0，一般为10-3~10-6，μr>1。 在磁场中表现为弱磁性。 具有反铁磁性的物质（反铁磁体）有： （1）氧化物：MnO、FeO、α-Fe2O3、Cr2O3、NiO等； （2）部分金属：Mn、Cr、Pt、Pd等； （3）其它化合物：FeS2、MnS、NiF2、FeF2等及部分
铁氧体, 如 ZnFe2O4(反尖晶石)等。
3.3.3 物质的磁性分类
根据磁化率 x 值 或 相对磁导率μr (μr = 1+x ) 的 大小及变化规律，物质的磁性可分为以下五类：
逆磁性（或抗磁性） 顺磁性 铁磁性 反铁磁性 亚铁磁性
1. 逆磁性（或抗磁性）
具有逆磁性的物质在磁场中的磁化很弱， x<0，约为 -10-6 ~ -10-4，μr 是略小于1的数。
磁化强度 M 与磁场强度 H 方向相反，( M = x H )
且一般情况下x不随温度变化。
逆磁性物质主要有如下几类：
（1）惰性气体； （2）不含过渡元素的离子晶体，如 NaCl、KCl 等； （3）不含过渡元素的共价化合物（如CO2）和所有有机化合物； （4）某些金属和非金属，如 Bi、Zn、Cu、 Hg、Pb 、Si、P等。
(4) 铁磁居里温度
升高温度时，热运动可以瓦解磁畴内磁矩有规则的 排列，使磁畴全部破坏的最低温度即为 居里点 TC (居里温度），这时铁磁体转变为顺磁性物质，居里 点体现分子热运动对磁畴形成的干扰。
物质的磁性与磁场效应
物质的磁性与磁场效应磁性是物质特性中的一种，指的是物质在外加磁场作用下表现出的磁性行为。
磁性的存在和磁场的效应是物质世界中一项重要的研究内容。
本文将探讨物质的磁性以及磁场对其产生的效应。
一、什么是磁性？磁性是指物质在外加磁场作用下表现出的吸铁、排斥、磁导率改变等现象。
在理论上，物质的磁性可以归结为微观电流的存在。
当物质内部存在电流时，会形成一个微小的磁矩，即磁化强度。
当外加磁场作用于物质时，磁矩会与外磁场相互作用，进而导致物质磁化。
二、物质的磁性分类根据物质对磁场的敏感程度，可将物质的磁性分为顺磁性、抗磁性和铁磁性。
1. 顺磁性：顺磁性物质在外加磁场作用下，磁矩与磁场方向相同，即被磁化，常见的有锰、铝等。
2. 抗磁性：抗磁性物质在外加磁场作用下，磁矩与磁场方向相反，即逆磁化，常见的有铜、银等。
3. 铁磁性：铁磁性物质在外加磁场作用下，磁矩与磁场方向相同，且磁矩较大，常见的有铁、镍等。
三、磁场对物质的效应磁场对物质的效应主要表现在磁介质、磁导体和磁远效应三个方面。
1. 磁介质：磁介质是能够产生磁化的物质。
当一个磁介质置于外加磁场中时，其分子或原子的磁矩会与外磁场相互作用，导致磁介质整体磁化。
这种磁化可以消失，即磁介质在去除外磁场的作用下，会恢复到原始状态。
磁介质常用于电磁设备中，如磁铁、磁卡、磁带等。
2. 磁导体：磁导体是对磁场具有强烈响应的物质。
当一个磁导体置于外加磁场中时，由于其导电性能，电子会受到洛伦兹力的作用，产生电流，进而产生磁场。
这个磁场与外磁场相互作用，导致磁导体内部的电子运动受到限制，进而产生电磁阻力，这就是磁场对磁导体的效应。
磁导体广泛应用于电动机、发电机等设备中。
3. 磁远效应：磁远效应是指磁场作用于物质后，在物质内部产生一系列的电磁效应。
例如在变压器中，磁场作用于铁芯上，产生感应电流，进而导致铁芯内部磁场的改变，实现电能传输和转换。
四、物质的磁性与应用物质的磁性不仅仅是一种自然现象，也是工程技术和科学研究的基础。
物质的磁性
物质的磁性
1物质的磁性
物质的磁性是指物质对磁场的反应能力，是理解物质结构和性质的重要体现。
从根本上讲，一个物质的磁性取决于它的原子的构成，原子的构成又取决于它的每个原子的电子的构型。
自古以来，物质的磁性一直被认为是影响物理和化学性质的重要因素，是研究化学性质和物理性质的一个核心内容。
1.1物质的磁性来源
早期，物质的磁性是由看不到的磁子的粒子性质以及电带的位置引起的。
此外，磁性也可以由由电子的自旋导致的。
科学家认为，电子在原子轨道上运动时，电子的積極性及自旋的存在，会令原子具有磁性。
另外，原子的结构以及原子的相互作用也会影响物质的磁性。
1.2物质的磁性相互作用
物质的磁性在微观与宏观方面都发挥着极其重要的作用。
在微观层面，物质的磁性会影响到原子分子的结构和电子的运动，从而影响到原子分子的化学反应；在宏观层面，物质的磁性会面对磁场而产生磁力，控制物质的形态结构，同时也影响到热效应，力学效应与化学反应。
总之，物质的磁性是统计物质结构与性质的重要性质之一，影响着物质在磁场中对有效力矢量的响应，影响物理性质和化学性质，与物质的结构有着直接联系，在物理与化学领域均占据着重要地位。
磁性材料物质磁性概述 PPT
常见得几种电流产生磁场得形式为:
(1)、无限长载流直导线:
H I 2r
方向就是切于与导线垂直得且以 导线为轴得圆周
(2)、直流环形线圈圆心:
H I 2r
r为环形圆圈半径, 方向由右 手螺旋法则确定。
(3)、无限长直流螺线管:
H nI
n:单位长度得线圈 匝数, 方向沿螺线管得 轴线方向
2、磁感应强度B (magnetic flux density):
见Kittel 固体物理学8版p227,姜书p52也有此数据,稍有差别。
4、 反铁磁性(Antiferromagnetism)
反铁磁性就是1936年首先由法国科学家Neel从理论上预言、 1938年发现,1949年被中子实验证实得,它得基本特征就是存在 一个磁性转变温度,在此点磁化率温度关系出现峰值。
弱磁！
磁化率表现复杂
文献中也常绘成磁化率倒数与温度关系: (见应用磁学P9)
1
Tp
TC
T(K)
铁磁性 TpTC
低温下表现为反铁磁性得物质,超过磁性转变温度(一
般称作Neel温度)后变为顺磁性得,其磁化率温度关系服从
居里-外斯定律: 注意与铁磁性得区别！
= C
T Tp
反铁磁物质主要就是一些过渡族元素得氧化物、卤化物、 硫化物, 如:
一些抗磁性金属在20℃时得克分子磁化率(CGS单位):
(106 )
(106 )
见冯索夫斯基《现代磁学》(1953) p74
2、 顺磁性(Paramagnetism)
这就是19世纪后半叶就已经发现并研究得另一类弱磁性。 它得最基本特征就是磁化率为正值且数值很小,0<<<1。
顺磁性物质得磁化率就是温度得函数,服从居里定律或居里外斯(Curie-Waiss)定律。
第五章 物质的磁性
M
χ
χ= C
T −Tc
1 χ
0
H
0
Tc
T
0
Tc
T
铁磁性物质的基本特征
· 其内存在按磁畴分布的自发磁化
· 磁化率很大
· 磁化强度与磁化磁场强度之间不是单值函数 关系，显示磁滞现象，具有剩余磁化强度； 其磁化率都是磁场强度的函数 · 有一个磁性转变温度--居里温度
· 在磁化过程中，表现出磁晶各向异性和磁滞 伸缩现象
Co αFe γFe Mn
Ni
Gd
r ab r3 d
Cr
当原子距离很大时, A→0。 随距离的减 小，相互 作用有所增加， A 为正值, 呈现铁磁性。
物质具有铁磁性的条件： （1）必要条件：原子中具有未充满的电子壳层， 即有原子磁矩。 （2）充分条件：交换积分A>0，交换能可表示为
2 ∑ Asi ⋅ s j Eex =−
（饱和磁化强度）
郎之万最早从理论上推导出居里定律，他开创 了从微观出发，用统计方法研究物质磁性的道路。 问题：没有考虑到磁矩在空间的量子化，因而 与实验结果相比，在定量上有较大的差别。
3、铁磁性(Ferromagnetic)
· 在很小的外磁场作用下产生很强的磁化强度，M>>H 磁化率可高达101～106 · 外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性，这种磁性 称为铁磁性 · 如：过渡金属Fe,Co,Ni和稀土金属钆、钇、钐、铕等
例如：MnO，由Mn2+和O2-离子组成
面心立方结构
(1) O2-离子没有净磁矩，其电子自旋磁矩和 轨道磁矩全都抵消了 (2) Mn2+离子有未成对3d 电子贡献的净磁矩 (3) MnO晶体结构中，相邻Mn2+离子的磁矩 都成反向平行排列，结果磁矩相互对消 ， 整个固体材料的总磁矩为零
大学物理物质磁性
电子绕原子核作轨道运动——轨道磁矩
电子有自旋
——自旋磁矩
分子磁矩 —— 所有电子磁矩的总和
分子磁矩可以用一个等效的圆电流来表示。
抗磁质 Pm 0
p m
无外场作用时，对外不显磁性
I
顺磁质 Pm 0
无外场作用时，由于热运动，对外也不显
磁性
2、磁介质的磁化
顺磁质磁化机理——来自分子的固有磁矩
无外磁场： ——未磁化状态
讨论
对于各向同性 介质，在外磁场不太强的情况下 B μ 0μ rH μ H
一定条件下，可用安培环路定理求解磁场强度， 然后再求解磁感应强度。
例 一无限长载流直导线，其外包
I
围一层磁介质,相对磁导率
R1
r 1
求 磁介质中的磁感应强度
i2 '
R2
i1'
r
解 根据磁介质的安培环路定理
LHdl H2r I
加外磁场：
分子固有磁矩受外磁场的作用
分子磁矩沿外磁场方向排列
产生附加的磁场
B0
B1'
抗磁质磁化机理 ——电子轨道在外磁场作用下发生变化
无外磁场： 分子中每个的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和 不为零， 但分子的固有磁矩等于零，所以不显磁性。
f当外场方向与P分m子(磁矩Pm方) 向相同B时0
Pm
电子轨道半径不变
10.7 物质的磁性
一、磁介质的分类
1、磁介质 能够磁化的物质称作磁介质
2、介质的磁化 电介质放入外场 E 0
磁介质放入外场 B 0
E
E0
E
'
E
E
0
B B0 B
B ' 的方向，随磁介质的不同而不同。
铁磁学PPT课件-物质磁性分类和原子磁矩
Nd 3 : 4 f 35s2 5 p6 6s0
3 孤立原子的磁矩
1） 电子的磁矩：
电子自旋磁矩
S
e m
S
(S为自旋动量矩）
自旋磁矩在外磁场方向上的投影为：
SH
e m ms
1 ms 2
SH
e 2m
Bohr磁子B
e 2m
0.92731023( A m2 )
电子轨道磁矩
L
e 2m
L
(L为轨道动量矩）
gJ mJ
mJ
gJ B
mJ J ,(J 1),,0,......( J 1), J
当L 0, 当S 0,
J S J L
gJ gS 2 gJ gL 1
J J
e
S
me
L
2m
（自旋贡献） （轨道贡献）
3 Hund规则
a) 在泡利原理许可的条件下，总自旋量子数S取最大值。 b) 在满足(a)条件下，总轨道角动量量子数L取最大值。 c)在未满壳层中，电子数小于壳层总电子数一半时，总角动 量量子数J=|L-S|；电子数大于或等于壳层总电子数一半时， J=L+S
H 2 2 ze2 V
2 4 0r
例：立方晶场中的3d电子波函数
3z2 r 2
Y20
1 4
15
1 r2
(3z 2
r2)
x2 y2
1 2
(Y22
Y22
)
1 4
15
1 r2
(x2
y2)
xy
i
1 2
(Y22
Y22 )
1 2
15 1 xy
r2
yz
i
1 2
(Y21
3 孤立原子的磁矩
1） 电子的磁矩：
电子自旋磁矩
S
e m
S
(S为自旋动量矩）
自旋磁矩在外磁场方向上的投影为：
SH
e m ms
1 ms 2
SH
e 2m
Bohr磁子B
e 2m
0.92731023( A m2 )
电子轨道磁矩
L
e 2m
L
(L为轨道动量矩）
gJ mJ
mJ
gJ B
mJ J ,(J 1),,0,......( J 1), J
当L 0, 当S 0,
J S J L
gJ gS 2 gJ gL 1
J J
e
S
me
L
2m
（自旋贡献） （轨道贡献）
3 Hund规则
a) 在泡利原理许可的条件下，总自旋量子数S取最大值。 b) 在满足(a)条件下，总轨道角动量量子数L取最大值。 c)在未满壳层中，电子数小于壳层总电子数一半时，总角动 量量子数J=|L-S|；电子数大于或等于壳层总电子数一半时， J=L+S
H 2 2 ze2 V
2 4 0r
例：立方晶场中的3d电子波函数
3z2 r 2
Y20
1 4
15
1 r2
(3z 2
r2)
x2 y2
1 2
(Y22
Y22
)
1 4
15
1 r2
(x2
y2)
xy
i
1 2
(Y22
Y22 )
1 2
15 1 xy
r2
yz
i
1 2
(Y21
15 物质的磁性
细螺绕环
R1 = R2 = r
19
j′ = M 表
第15章 物质的磁性
M = 7.94 ×105 A/m
j = 7.94 × 105 A/m
讨论：设想把这些磁化面电流也分成每米 讨论：设想把这些磁化面电流也分成每米103匝， 相当于分到每匝有多少？ 相当于分到每匝有多少？
7.94 × 10 5 j′ / n = = 794(A ) >>2(A) 10 3 v v v B = B0 + B ′ 充满铁磁质后 v v v v B ′ >> B 0 或 B ≅ B ′
20
第15章 物质的磁性
§15.5 铁磁质
一、铁磁质的宏观性质 二、磁滞现象 三、硬磁材料和软磁材料 四、居里点 五、磁致伸缩
21
第15章 物质的磁性
铁磁质中起主要作用的是电子的自旋磁矩。 铁磁质中起主要作用的是电子的自旋磁矩。各电 子的自旋磁矩靠交换偶合作用使方向一致， 子的自旋磁矩靠交换偶合作用使方向一致，从而 磁畴。 形成自发的均匀磁化小区域 —— 磁畴。
6
第15章 物质的磁性
v ∑Pm = 0
v B0
v P m
磁化的微观解释
(只有顺磁质、铁磁质才具有顺磁性) 只有顺磁质、铁磁质才具有顺磁性) 当外场方向与原子磁矩方向相同时
v f
ω↓
v v P ↓ (∆P ) m m
电子轨道半径不变 当外场方向与原子磁矩反方向时
v f
7
ω↑
v v P ↑ (∆P ) m m
v v B' = ∑∆B'
与外场方向相反
9
经典模型解释： 经典模型解释：电子原 有的轨道运动在磁力矩 作用下旋进。 作用下旋进。
R1 = R2 = r
19
j′ = M 表
第15章 物质的磁性
M = 7.94 ×105 A/m
j = 7.94 × 105 A/m
讨论：设想把这些磁化面电流也分成每米 讨论：设想把这些磁化面电流也分成每米103匝， 相当于分到每匝有多少？ 相当于分到每匝有多少？
7.94 × 10 5 j′ / n = = 794(A ) >>2(A) 10 3 v v v B = B0 + B ′ 充满铁磁质后 v v v v B ′ >> B 0 或 B ≅ B ′
20
第15章 物质的磁性
§15.5 铁磁质
一、铁磁质的宏观性质 二、磁滞现象 三、硬磁材料和软磁材料 四、居里点 五、磁致伸缩
21
第15章 物质的磁性
铁磁质中起主要作用的是电子的自旋磁矩。 铁磁质中起主要作用的是电子的自旋磁矩。各电 子的自旋磁矩靠交换偶合作用使方向一致， 子的自旋磁矩靠交换偶合作用使方向一致，从而 磁畴。 形成自发的均匀磁化小区域 —— 磁畴。
6
第15章 物质的磁性
v ∑Pm = 0
v B0
v P m
磁化的微观解释
(只有顺磁质、铁磁质才具有顺磁性) 只有顺磁质、铁磁质才具有顺磁性) 当外场方向与原子磁矩方向相同时
v f
ω↓
v v P ↓ (∆P ) m m
电子轨道半径不变 当外场方向与原子磁矩反方向时
v f
7
ω↑
v v P ↑ (∆P ) m m
v v B' = ∑∆B'
与外场方向相反
9
经典模型解释： 经典模型解释：电子原 有的轨道运动在磁力矩 作用下旋进。 作用下旋进。
化学物质的磁性质
化学物质的磁性质磁性是指物质在外加磁场作用下表现出的吸引或排斥其他物质的特性。
化学物质的磁性质在科学研究和工业应用中具有重要意义。
本文将探讨不同化学物质的磁性质及其应用领域。
一、磁性的基本概念磁性是物质的一种特性，可以分为铁磁性、顺磁性和抗磁性三种类型。
铁磁性是指物质在外磁场的作用下形成稳定磁矩，表现出吸引或排斥其他物质的特性；顺磁性是指物质在外磁场的作用下形成临时磁矩，呈现被吸引的特性；抗磁性是指物质在外磁场的作用下形成临时磁矩，但表现出被排斥的特性。
二、常见化学物质的磁性质1. 铁磁性物质铁磁性物质是最常见的磁性物质，包括铁、镍、钴等金属。
这些金属的原子具有未配对电子，当外磁场作用于它们时，未配对电子会重新排列形成稳定的磁矩，从而表现出吸引其他物质的特性。
2. 顺磁性物质顺磁性物质包括大部分的化合物、气体和液体。
这些物质的原子或分子具有未配对电子，但由于未配对电子的数量有限，所以形成的磁矩较小。
当外磁场作用于它们时，原子或分子会重新排列，形成临时磁矩，从而表现出被吸引的特性。
3. 抗磁性物质抗磁性物质包括许多金属、氧化物和化合物。
这些物质的原子或分子都具有完全配对的电子，导致总磁矩为零。
当外磁场作用于它们时，虽然电子会稍微重新排列，但整体上并不产生稳定的磁矩，因此表现出被排斥的特性。
三、化学物质磁性质的应用1. 磁性材料铁磁性材料在制造电磁铁、电动机和传感器等设备时被广泛使用，其磁性质对设备的性能和效率起着决定性作用。
例如，铁氧体是一种常用的铁磁性材料，可应用于电视机、计算机和通信设备的屏幕和传感器中。
2. 化学分析顺磁性物质在化学分析中具有重要作用。
利用顺磁性物质的磁性质和自旋共振原理，可以进行核磁共振（NMR）、电子自旋共振（ESR）等技术，用于分析物质的结构和性质。
3. 医学领域磁性颗粒在医学诊断和治疗方面有广泛应用。
例如，磁共振成像（MRI）是一种利用顺磁性超导体制造的磁体产生强大磁场，通过检测人体组织中顺磁性原子或分子的信号来生成图像的技术。
物质的磁性(i)——抗磁性顺磁性和铁磁性
其中
为玻尔磁子，是物
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质磁矩的最小单元。
二、电子的自旋磁矩（本证磁矩） 电子的自旋是在研究原子的线状光谱时被提出来的，并发现
了光谱线的精细结构。为了解释这种谱线结构，有个重要的假设： 电子具有自旋角动量（本证角动量）和自旋磁矩（本证磁矩）。
自旋角动量在任意方向的外磁场中的投影值
与之相应的电子自旋磁矩在外磁场方向的投影为 注意的是，
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设两个电子的轨道角动量量子数分别为l则其总轨道角动量l的量子数可取值为对于确定的l值为总轨道角动量l总轨道磁矩的绝对值分别为同样设两个电子的自旋量子数分别为s1和s2则总自旋量子数s的可能取值为其中为朗德因数或光谱分裂因数四洪德定则该定则是洪德基于对原子光谱的分析而总结出来的经验法则
第一章：物质的磁性（I） ——抗磁性、顺磁性和铁磁性
后来证明，巡游电子模型更加接近过渡金属磁电子的真实状 态。近20多年来，守谷等人建立了自旋涨落的自洽重整化理 论并用这一理论对弱铁磁性金属（ZrZn2，Sc3In）进行了计 算，导出了居里-外斯定律。在这基础上，守谷进一步提出 弱铁磁性金属中的居里-外斯定律源于自旋涨落的新物理思 想。在这一思想的指导下，守谷提出了用自旋涨落来统一局 域电子模型和巡游电子模型的模型。
其中
为轨道面积。
电子运动的轨道角动量为 6
于是有
按其态量中在子rn出,力l,的m 学分l,理m 布论s是 概，率轨表 。道根电征 据子量的状 子运力动态 学状的态的 解应释n四 以l，m lm 波s空个 函r间数2量表 量 子nl数lm 示 ， ms的r物表该理示状
物质磁性的来源
eh µB = = 0.9274 ×10−23 A⋅ m 2 2me
方向：磁矩与轨道角动量的方向相反
原子的磁矩-电子的磁矩
2.电子的自旋磁矩.
两位不到25岁的荷兰大学生乌仑贝克和古兹米特大 两位不到 岁的荷兰大学生乌仑贝克和古兹米特大 胆地提出电子的自旋运动的假设。 胆地提出电子的自旋运动的假设。电子具有固有角 动量和固有磁矩的特性叫电子自旋。 动量和固有磁矩的特性叫电子自旋。
原子的磁矩-电子的磁矩
1.电子的轨道磁矩
电子绕原子核作轨道运动,相当于有电 电子绕原子核作轨道运动 相当于有电 流的闭合回路,它产生一个磁偶极矩 它产生一个磁偶极矩. 流的闭合回路 它产生一个磁偶极矩
（1）电子的轨道磁矩的经典表示式 ）
r r eω 2 e e r 2 2 mω r = L µ = i s = eνπ r = πr = 2π 2m 2m r r r r e r µ＝－ µ＝－ L = −γL pϕ ≡ L 2m
pl2 = ps2 + p 2 − 2 ps p j cos( sj ) ⇒ ps cos( sj ) = j
p 2 + ps2 − pl2 j 2pj
所以,
µ j = [1 +
p 2 + ps2 − pl2 j 2 p2 j
e ] pj 2m
单电子原子总磁矩 有效磁矩） （有效磁矩）
e r r µj = −g P j 2m
4.物质磁性的来源
4.11铁氧体的磁性
铁氧体内部也有强的自发磁化. 研究指出,由于铁氧体中的金属离子都被比较大的氧离子隔开着, 间距较大,所以各磁性离子的电子云没有重叠部分. 因此,不会有直接的交换作用,但是它们可以通过夹在它们之间的 的氧离子形成间接交换作用,也叫超交换作用,它使每个次晶格内 的离子磁矩平行排列. 而两个不同的次晶格的离子磁矩则是反平行的,如果两个次晶格的 磁矩大小相等则宏观磁矩为零;如果两个次晶格的的磁矩大小不等, 则两者抵消一部分,剩余部分就是铁氧体所表现出来的磁性,这种 磁性称为亚铁磁性.
方向：磁矩与轨道角动量的方向相反
原子的磁矩-电子的磁矩
2.电子的自旋磁矩.
两位不到25岁的荷兰大学生乌仑贝克和古兹米特大 两位不到 岁的荷兰大学生乌仑贝克和古兹米特大 胆地提出电子的自旋运动的假设。 胆地提出电子的自旋运动的假设。电子具有固有角 动量和固有磁矩的特性叫电子自旋。 动量和固有磁矩的特性叫电子自旋。
原子的磁矩-电子的磁矩
1.电子的轨道磁矩
电子绕原子核作轨道运动,相当于有电 电子绕原子核作轨道运动 相当于有电 流的闭合回路,它产生一个磁偶极矩 它产生一个磁偶极矩. 流的闭合回路 它产生一个磁偶极矩
（1）电子的轨道磁矩的经典表示式 ）
r r eω 2 e e r 2 2 mω r = L µ = i s = eνπ r = πr = 2π 2m 2m r r r r e r µ＝－ µ＝－ L = −γL pϕ ≡ L 2m
pl2 = ps2 + p 2 − 2 ps p j cos( sj ) ⇒ ps cos( sj ) = j
p 2 + ps2 − pl2 j 2pj
所以,
µ j = [1 +
p 2 + ps2 − pl2 j 2 p2 j
e ] pj 2m
单电子原子总磁矩 有效磁矩） （有效磁矩）
e r r µj = −g P j 2m
4.物质磁性的来源
4.11铁氧体的磁性
铁氧体内部也有强的自发磁化. 研究指出,由于铁氧体中的金属离子都被比较大的氧离子隔开着, 间距较大,所以各磁性离子的电子云没有重叠部分. 因此,不会有直接的交换作用,但是它们可以通过夹在它们之间的 的氧离子形成间接交换作用,也叫超交换作用,它使每个次晶格内 的离子磁矩平行排列. 而两个不同的次晶格的离子磁矩则是反平行的,如果两个次晶格的 磁矩大小相等则宏观磁矩为零;如果两个次晶格的的磁矩大小不等, 则两者抵消一部分,剩余部分就是铁氧体所表现出来的磁性,这种 磁性称为亚铁磁性.
物质的磁性(磁介质)
化电流线密度。
解：
2rH I I l H 2r M m H (r 1) H
( r 1) I M ( r 1) H 2r
i i
S
dl
M
en
dI dl
M cos
dI
dl
S
M
M sin M en
S
dl
dI Mdl cos M dl or dI dl M en dl
m ：介质的磁化率
B 0 (H M ) 0 (1 m )H
r 1 m
B 0 r H H
：介质的磁导率
r ：介质的相对磁导率
r 1 m 0 顺磁质 r 1 m 0 抗磁质
[例15-2] 求磁介质中的磁化强度、磁感应强度及其表面磁
同向时
, B0
'
v
F
反向时
抗磁质内磁场
B B0 B
m
分子圆电流和磁矩
I
B B0 B
'
Is
顺 磁 质 的 磁 化 无外磁场 演示 有外磁场
B0
15.2 磁化强度和磁化电流
一 、 磁化强度
定义：
M
mi
i
意义 磁介 质中单位体积内 分子的合磁矩.
B B0
（铝、氧、锰等） （铜、铋、氢等） （铁、钴、镍等）
弱磁质
一、电子的磁矩
电子以：v, r
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ｆｉｌｅ：／／Ｆ：＼０００００＼ｐｏｐｕｌａｒ＼ｐｈｙｓｉｃｓ＿ｂａｓｉｃ＼１５．ｈｔｍ
６／３／２００３
Ｐａｇｅ ２ ｏｆ ２
磁化过程有一个一般的实验规律，就是在空间某个位置上，磁介质的磁化强度与这个位置的磁感应强 度成正比，比例系数表征了磁介质的属性，称为磁化率。而顺磁质的磁化率为正，抗磁质的磁化率为负。 铁磁质。 铁磁质与顺磁质和抗磁 质有很大的区别： （1） 可以产生很大的，与外磁场同向的附加磁场。 （2） 相当磁导率和磁化率很大，并且非常数，而是随外部磁化场的场强的变化而发生变化。 （3） 外部磁化场撤去后，仍然保留磁化状态。 （4） 磁化强度随外部磁场的变化而变化，但是它的变化总是落后于外部磁场的变化，即所谓的磁滞 现象。 （5） 铁磁质的磁化属性与温度有关，存在一个与材料有关的临界温度，即所谓居里点，一旦材料的 温度超过这个温度，铁磁质就变成了顺磁质。 通过实验 可以测量到铁磁质 的磁滞回线。磁滞回线 能反映铁磁质的剩磁和 矫顽力，按 磁滞回 线的差 别，可以把铁磁质分为两种： （1） 软磁质。它的磁滞回线的特征是细长条形状，表明矫顽力小，磁导率大，磁滞损耗小。 （2） 硬磁质。它的磁滞回线的特征是肥大，矫顽力大，剩磁大磁滞性明显。 这两种铁磁质各有不同的应用。
第十五章
Ｐａｇｅ １ ｏｆ ２
第十五章.物质的磁性
磁介质。 磁场作为一种场，首先是一种作用的空 间分布，由于一切物质在原子层次上是一 种电磁结构，因此磁 场几乎对一切处于磁场内部的物质都能产生磁化影响，反过来，所谓受到磁化影响就是产生了附加磁场， 附加磁场与原磁 场叠加以后，就使得空间位置上的实际 磁场发 生了变化，而所谓磁场的叠加，就是磁感 应 强度作为矢量的相加，这种叠加的结果可以根据磁介质的相对磁导率来进行分类： （ 1）顺磁质。 顺磁质的相对磁导率稍微大于 1，因而使得充 满磁介质的空 间位置上的实际 磁感 应强度大于不存在磁 介质，也就是真空时的磁感 应强度。 （2）抗磁质。 抗磁 质的相对磁导率稍微小于 1，因而使得充 满磁介质的空 间位置上的实际 磁感 应强度小于不存在磁 介质，也就是真空时的磁感 应强度。 （3）铁磁质。 铁磁质的相对磁导率极大，性质独特。是由特殊的原子 结构引起的。 大多数物质在一般情 况下，并不表 现出任何磁的性质，但在外部磁场的作用下就表现出来这样一些性 质，说明磁性的根源在于物质的微观结构。 实际上物质的原子，分子结构就是具有磁性的，正是这样的微观磁性导致了宏 观的磁性。 首先在原子的层次，电子的 运动必然导致磁的效应，一般对于一个原子来说，要从每个电子运动的磁 性开始，来分析一个原子，乃至一个分子，是 极其复杂而且不必要，我 们完全可以直接在分子的层次，分 析磁性的微观机制。 对于分子来说，无论其内部电子的 运动如何复杂，都可以在分子整体的层次上，得到一个等效的圆电 流表示，称为分子电流。类似于我们已经讨论过的闭合线圈，这种分子 电流在磁场中也会受到磁力矩的作 用，因而对于分子 电流也可以定 义分子磁矩的概念。 特别的是在外磁场的作用下，会出现一种特殊的分子电流，是由于电子围绕外磁场的磁感应强度的方 向作进动而产生的。这种分子电流同样可以定 义磁矩， 称为附加磁矩。 而顺磁质和抗磁质的本质区别首先就体现在分子磁矩和附加磁矩的相对大小上。 对于顺磁质来说，分子本身的分子磁矩比由外部磁场产 生的附加磁矩大得多，因此顺磁质的磁效应主 要由分子磁矩决定。 而对于抗磁质来说，分子本身的分子磁矩总是0，因此抗磁质的磁效应只是由附加磁矩决定。 那么由这样的微 观差异，如何得到宏观属性的差异呢？要进一步讨论物质磁性的不同，我们需要知道 磁化的物理过程，另外还需要引入一 个物理量，就是磁化强度。 磁化现象。磁化强度。 外部磁场对物质的磁化，就是在外部磁场的磁感应强度的作用下，分子由于具有磁矩，从而逐渐按一 定的方向排列起 来，由于在 没有外部作用的情 况下，分子磁矩的方向在热运动的作用下，是以一定的分布 无序排列的。而一旦有了一 个外部强加的定向磁场，就回使得分子磁矩的方向分布趋向于一致。 对于顺磁质，由于附加磁矩相当很小，因此受到磁化影响的主要是分子磁矩，而分子磁矩的取向是 趋 向于与外部磁场一致的。由这些具有一致磁矩的分子形成附加磁场，加强了原磁场，这正是 顺磁质的特性 所在。 对于抗磁质，受到磁化影响的只有附加磁矩，而附加磁矩与外磁场方向相反，因此使得原磁场得到削 弱，这就是抗磁质的磁化特征。 表征磁介质的磁化程度的一个自然的物理量就是磁化强度 J：
ｆｉｌｅ：／／Ｆ：＼０００００＼ｐｏｐｕｌａｒ＼ｐｈｙｓｉｃｓ＿ｂａｓｉｃ＼１５．ｈｔｍ
６／３／２００３
第十五章
磁化强度就是单位体积内的所有磁矩矢量和。 那么对于顺磁质，磁化 强度表示 为 J=∑ｐｍ／? Ｖ 其中ｐｍ为分子磁矩。 对于抗磁质，磁化 强度就表示为： J=∑? ｐｍ ／? Ｖ 其中? ｐｍ为附加磁矩。