1、材料物理 上海大学材料物理第 10章 磁学性质主要内容材料磁性来源与分类： 原子磁矩，分类：顺磁性、抗磁性、反铁磁性、铁磁性、亚铁磁性磁学理论 ：分子场理论、交换作用理论、磁畴和技术磁化理论磁性材料分类及应用： 软磁材料、永磁材料、旋磁材料、压磁材料、特磁材料磁电子学和巨磁电阻效应材料物理 上海大学10.1 材料磁性来源与其分类 任何物质都具有磁性，只是有的物质磁性强，有的物质磁性弱；任何空间都存在磁场，只是有的空间磁场高，有的空间磁场低。磁性在物质的不同层次普遍存在，在微观世界的原子、原子核和基本粒子中存在，在宏观世界的各种材料中存在，在宇宙各种星体和星际物质中存在。 材料物理 上海大学（一
2、）、描述磁性的物理量 1、磁矩 ：磁矩是表征磁性体磁性大小的物理量。磁矩愈大，磁性愈强，即物体在磁场中所受的力也愈大。2、两个常用单位 ：玻尔磁子： 核磁子： 注意：玻尔磁子的大小大约是核磁子的 1840倍。材料物理 上海大学3、磁化强度与磁化率磁化强度 (M)：是描述物质被磁化后其磁性强弱的一个物理量。物质的磁化过程实质上是其内部 分子磁矩 取向的过程，所以定义磁化强度为 单位体积内分子磁矩的总和 。另一方面，磁化过程是由于外磁场的作用而引起的，磁化强度 M必随外磁场 H的增大而增强，故： m称为 磁化率或磁化系数 。材料物理 上海大学物质的磁性电子的轨道磁矩电子的自旋磁矩原子磁矩物质磁性
3、原子磁矩 物质磁性具有普遍性物质表现何种磁性原子磁矩间相互作用外加磁场的作用材料物理 上海大学1、电子的磁性 原子中的电子磁性有由电子的自旋产生的 自旋磁矩 和电子环绕原子核作轨道运动产生的 轨道磁矩。对于不处于原子中的自由电子说来，就只有 自旋磁矩，是电子具有的内禀磁性 ,常简称电子磁矩电子的自旋磁矩： 电子的轨道磁矩： （二）、微观粒子的磁性材料物理 上海大学2、质子和中子的磁性：根据狄拉克的相对论性波动方程，质子的磁矩是一个单位核磁子，中子由于不带电，因而磁矩是零。但 实验测得的质子磁矩却为 5.6个单位核磁子，中子磁矩是 -3.82个单位核磁子。 为什么？ 一个质子由两个上夸克和一个下
4、夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成。夸克是有电荷和磁矩的，上夸克带+2/3e电荷，下夸克带 -1/3e电荷。质子和中子的磁矩就是由夸克贡献的 。 上、下夸克的质量略微不同，这造成质子与中子的质量略有差别。材料物理 上海大学3、原子的总磁矩 ：原子的总磁矩： 原子的总角动量和总磁矩由所含电子的轨道与自旋角动量耦合而成，一般采用 L-S （ Russell-Saunders）耦合。轨道：自旋：洪德法则与泡利不相容原理： 确定基态电子总角动量材料物理 上海大学4、材料中的原子和磁性 ：材料中的原子的电子态和磁性与孤立原子相比发生了变化。1、 外层电子的键合 共价化合物： 原子外价电子配对
5、或杂化 总磁矩为零 离子化合物 : 原子 正负离子 金属化合物： 钯金属， 3d104s03d9.44s0.62、 晶体电场效应 ：局域在离子中的电子运动受邻近离子产生的静电场的作用而发生变化。 一方面使电子轨道简并发生分裂。另一方面使轨道磁矩对总磁矩的贡献减小甚至消失。材料物理 上海大学5、磁单极子问题 磁的来源总是同电相关的，即由电的运动 (电流 )产生磁场，物质磁性的磁矩也是同自旋和电荷相联系的。因此这样的磁矩的两个磁极 (北极和南极 )就是不能分开存在的。这种情况同物质的电性是很不相同的。因为电性中既有电矩 (带有正电极和负电极 )的存在，也有分开的正电荷和负电荷的存在。 磁和电的不对
6、称，使描述电磁现象的麦克斯韦电磁方程组也显得不对称，例如电通密度的散度为电荷密度，而磁通密度的散度却为零 (0)，因为只有磁矩，没有分离的磁荷 (磁极 )。 材料物理 上海大学物理学家狄拉克在 1931年提出了磁单极子理论。 从 1931年以来磁单极子学说一直受到实验观测和理论研究的重视。因为磁单极子问题不仅涉及物质磁性的一种来源，电磁现象的对称性，而且还同宇宙极早期演化理论及微观粒子结构理论等有关，故成为科学界关注的一个重要问题。几十年来经过多方面和大量的关于磁单子的实验观测，虽然曾有过两次可能是磁单极子的观测事例，但都尚未能得到重复的证实 。理论上曾提出过多种学说，除狄拉克的外，还有： 磁
7、荷和电荷完全对称并具有新的量子化条件的 全对称磁单极子学说 ；杨振宁等提出的 采用纤维丛新数学方法的量子力学磁单极子学说 ；应用统一规范场理论的 规范磁单极子学说 ；应用爱因斯坦 -麦克斯韦耦合场的 相对论性耦合场磁单极子学说 ；应用超弦理论和 4维规范模型的 超重磁单极子学说 ； 超对称和超弦磁单极子学说 等。 材料物理 上海大学物质磁性分类 : 磁化率 : 弱磁性 ： 抗磁性、顺磁性、反铁磁性强磁性 ： 10106 铁磁性、亚铁磁性超导体、碱 /碱土金属、绝缘体、很多氧化物硬磁 NdFeB 、软磁铁氧体等I材料物理 上海大学（三）、物质的抗磁性和顺磁性物质的磁性和原子的组成及结构有着密切的
8、关系。孤立原子的磁矩决定于原子的结构。由于原子核的自旋磁矩仅为电子磁矩的千分之几，所以原子磁矩主要决定于核外电子的磁矩。 1、 抗磁性： 简单说就是物质磁化率为负数的磁性，材料的磁化方向与磁场方向相反。一般抗磁物质的磁化率绝对值为 10-710-6；在 所有的物质 中都具有抗磁性，但是经常被顺磁性或者铁磁性掩盖，因此真正的 抗磁物质 并不是普遍存在的，只有原子没有固有磁矩时，抗磁性表现得明显。B=0(H+M)；M=H材料物理 上海大学抗磁性来源： 局域电子 轨道动量矩在磁场作用下以磁场为轴进动 附加磁矩、总与磁场反向 抗磁性 传导电子 在磁场作用下回旋运动的量子效应 朗道能级分裂 抗磁性材料物
9、理 上海大学 即力矩 总是与角动量 垂直 力矩作用只改变 的方向，不改变 的大小 角动量端点绕 做圆周运动（电子磁矩方向与磁场方向的夹角保持恒定不变），这种运动称为拉莫尔进动。由于电子的拉莫尔进动，产生了附加的磁矩，在右图情况下，使电子运动加速，电子的轨道磁矩增加，但方向与磁场方向相反，得到的磁化率是负值。材料物理 上海大学材料物理 上海大学10-6材料物理 上海大学超导体的完全抗磁性材料物理 上海大学2、 顺磁性： 顺磁性物质的主要特点：原子或分子中含有没有完全抵消的电子自旋磁矩，即具有永久原子或分子磁矩。原子 (或分子 )磁矩之间并无强的相互作用 (交换作用 )，因此原子磁矩在热扰动的影响
10、下处于无规 (混乱 )排列状态，物质对外无合磁矩。当受到外加磁场作用时，原来在热扰动下混乱排列的原子磁矩受到磁场作用其排列方向趋于一致，因此对外呈现出一定的总磁矩。材料物理 上海大学顺磁性来源： 局域电子 ： 磁场对原子或离子固有磁矩的取向作用但磁场作用能小 TC 材料表现为顺磁性，其磁化率与温度的关系服从居里一外斯定律材料物理 上海大学磁畴，磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内包含大量原子，这些原子的磁矩整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩的排列方向不同。未加磁场而强磁体呈磁中性时，各磁畴中的自发磁化矢量 Ms的分布使合成的总磁化强度为零。磁滞回线：铁磁性物质即使在较弱的磁场内，也可得到
11、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 变小。磁 畴 磁滞回线磁畴与磁滞回线材料物理 上海大学磁化率随磁场而变化。磁滞回线 磁导率对磁场 的依赖性磁导率对磁场的以来关系材料物理 上海大学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。铁磁性主要起因原子的磁矩沿同一方向排列，外斯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
12、化强度 。由于它的存在， 铁磁物质能在弱磁场下强烈地磁化 。材料物理 上海大学 处于不同原子间的未被填满壳层上的电子发生特殊的相互作用，这种相互作用称为 “交换 ”作用 。这是因为在晶体内，参与这种相互作用的电子已不再局限于原来的原子，而是 “公有化 ”了。原子间好象在交换电子，故称为 “交换 ”作用 。 “交换 ”作用所产生的 “交换能 ”与晶格的原子间距有密切关系 。当距离很大时 , 接近于零。 随着距离的减小，当原子间距与未被填满的电子壳层直径之比在 3-5之间时，交换能为正值，呈现出铁磁性； 小于 3时，交换能为负值，为反铁磁性。 材料物理 上海大学物质磁性分类 : 磁化率 : 弱磁性
13、 ： 抗磁性、顺磁性、反铁磁性强磁性 ： 10106 铁磁性、亚铁磁性超导体、碱 /碱土金属、绝缘体、很多氧化物硬磁 NdFeB 、软磁铁氧体等复习： 材料物理 上海大学反铁磁性是指由于 “交换 ”作用为负值 ， 电子自旋反向平行排列 。 在同一子晶格中有自发磁化强度，电子磁矩是同向排列的；在不同子晶格中，电子磁矩反向排列 。两个子晶格中自发磁化强度大小相同，方向相反。反铁磁性物质大都是非金属化合物，如 MnO。2、反铁磁性不论在什么温度下，都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象， 其宏观特性是顺磁性的。 M与 H处于同一方向，磁化率为正值。温度很高时，极小；温度降低，逐渐增大。在一定温度
14、时，达最大值。 称为反铁磁性物质的奈尔点 TN。材料物理 上海大学奈尔温度 TN对 TN解释 是：在极低温度下，由于相邻原子的自旋完全反向，其磁矩几乎完全抵消，故磁化率几乎接近于 0。当温度上升时，使自旋反向的作用减弱，增加。当温度升至 TN以上时，热扰动的影响较大，此时反铁磁体与顺磁体有相同的磁化行为。材料物理 上海大学3、亚铁磁性材料中存在两套磁晶格，在同一子晶格中有自发磁化强度，电子磁矩是同向排列的；在不同子晶格中，电子磁矩反向排列。 两个子晶格中自发磁化强度方向相反，但是大小不同。亚铁磁体具有很强的磁性，与铁磁体的强磁性十分相似；存在居里温度 Tc， TTc,材料表面为顺磁性， TTc表现为亚铁磁性；存在磁畴，磁滞回线。
