物质的磁性:磁源于电 r I r H H Ho= nI Hr=I/(2πr) Ho=I/(2r).

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1 物质的磁性:磁源于电 r I r H H Ho= nI Hr=I/(2πr) Ho=I/(2r)

2 物质磁性的起源： 磁源于电子的轨道和自旋运动 Origin of Magnetism
电子的循轨磁矩: 电子的自旋磁矩:

3 电子的磁矩 电子的循轨磁矩: 电子的自旋磁矩: 外磁场（Z）方 向上的磁矩分量： e：单位电荷；h:普朗克常数；m:电子质量；
l: 轨道量子数；s:自旋量子数。 外磁场（Z）方 向上的磁矩分量：

4 电子的轨道磁矩 L I Pm=IS 轨道电流产生的轨道磁矩为： 电子轨道运动的角动量为： 轨道角动量与轨道磁矩关系：
角动量的方向始终与轨道磁矩方向相反。

5 物质磁性的本质 原子的磁矩 电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成 孤立原子的磁矩决定于原子的结构
某些元素具有各层都充满电子的原子结构，其电子磁矩相互抵消，因而不显磁性 原子构成晶体后，过渡族元素铁族3d，钯族4d，铂族5d，锕族6d壳层未满，由于晶场作用使电子的轨道角动量动结。F电子影响较小。 电子（轨道+自旋）磁矩 >>原子核的磁矩

6 顺磁性物质的磁化 H=0时的順磁性物质 在强磁场中的順磁性物质

7 磁铁是怎么被磁化的呢？ 铁 磁 体 H M 顺 磁 体

8 三. 磁化率和磁导率 磁性的基本量及单位 磁化率χ :反映物质磁化难易程度 (Magnetic Susceptibility) ： χ
H χ 磁化率χ :反映物质磁化难易程度 (Magnetic Susceptibility) ： 磁导率μ H = 0 H1 > 0 H2 > H1

9 B M Hs H 磁导率μ 磁感应强度: B (特斯拉) 磁化强度: M (安/米) 磁场强度: H (安/米) μ H

10 顺磁性物质的磁化 H = 0 H ≠ 0

11 Classes of Magnetic Materials
磁性的分类 Classes of Magnetic Materials 弱磁性: 1. 抗磁性： χ 是甚小的负常数，约~10-6数量级。M与H反向. 2. 顺磁性： χ 是正常数，约10-3 ~10-6 数量级. 3. 反铁磁性： χ 为甚小的正常数. 强磁性 4. 铁磁体： χ 为很大的正变数，约在10 ~ 10 6 数量级。 5. 亚铁磁体：与铁磁体相似，但χ 值较小，如磁铁矿（Fe3O4)。 M H 抗磁性 顺磁性 亚铁磁性 铁磁性 反铁磁

12 顺磁性 顺磁性 定义: 当材料被磁化后,磁化矢量与外加磁场的方向相同时，固体表现为顺磁性。
磁性的分类 顺磁性 定义: 当材料被磁化后,磁化矢量与外加磁场的方向相同时，固体表现为顺磁性。 顺磁性物质的磁化率一般很小，室温下约为10-3~10-6 数量级。 原子内部存在固有磁矩(离子有未填满的电子壳层)。如过渡元素、稀土元素：3d-金属Ti,V; 4d-金属铌Nb, 锆Zr, 钼Mo，钯Pd；5d-金属(Hf, Ta, W, 铂Pt）。 自由电子的顺磁性大于离子的抗磁性。如：碱金属和碱土金属离子虽然是填满的壳层，但Li，Na, K，Mg， Al是顺磁性金属。 顺磁性物质的磁化率与温度 的关系服从居里-外 斯定律：

13 抗磁性 抗磁性 定义: 当材料被磁化后,磁化矢量与外加磁场的方向相反时，固体表现为抗磁性。
磁性的分类 抗磁性 定义: 当材料被磁化后,磁化矢量与外加磁场的方向相反时，固体表现为抗磁性。 抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率χ 是甚小的负常数(M与H反向)，一般约为~10-6 数量级。 抗磁性是电子电子的循轨运动在外加磁场作用下的结果.任何金属都具有抗磁性. 金属中有一半是抗磁金属。Cu, Ag, Au, Hg, Zn, Bi等。(因抗磁性大于电子的顺磁性)

14 抗磁性 运动电子在外磁场作用下，受电磁感应而表现出的特性。所有物质都具有抗磁性，但只有满壳层电子的原子才能表现出抗磁性来。 μ i i H
ΔM μ i H i ΔFe Fe μ ΔM 附加磁矩： 原子抗磁矩:

15 铁磁性 铁磁性 磁性的分类 有一类物质如Fe,Co,Ni，室温下磁化率可达10 ~ 10 6 数量级，这类物质的磁性称为铁磁性
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（有剩磁）。各类磁性物质的-曲线示于下图

16 铁磁性 铁磁性 铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超过这一温度，铁磁性消失。这一温度称为居里点其磁化率与温度的关系服从居里一外斯定律
磁性的分类 铁磁性 铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超过这一温度，铁磁性消失。这一温度称为居里点其磁化率与温度的关系服从居里一外斯定律

17 α-Fe→γ-Fe(910℃); γ-Fe →δ-Fe(1401℃);
铁在高温时顺磁磁化率的变化 1/χ 500 900 1300 t/℃ α-Fe→γ-Fe(910℃); γ-Fe →δ-Fe(1401℃);

18 反铁磁性 磁性的分类 反铁磁自旋有序，首先是由舒尔和司马特利用中子衍射实验在MnO上证实。MnO的晶体结构是Mn离子形成面心立方晶格，O离子位于每个Mn-Mn对之间。从中子衍射线，超过奈耳点的室温衍射图与奈耳点以下80K温度的衍射图比较，看到低于奈耳点的衍射图有额外的超点阵线，通过分析得到反铁磁的磁结构。 奈耳点以下 奈耳点以上

19 亚铁磁性体 亚铁磁性体： 相邻原子磁体反平行，磁矩大小不同，产生与铁磁性相类似的磁性。一般称为铁氧体的大部分铁系氧化物即为此。 磁性材料：
磁性的分类 亚铁磁性体： 相邻原子磁体反平行，磁矩大小不同，产生与铁磁性相类似的磁性。一般称为铁氧体的大部分铁系氧化物即为此。 磁性材料： 铁磁性与亚铁磁性的统称。

20 一、基本参量及单位 B = H+4πM B =μ0(H + M) = ml =μ0μm Jm=μ0M 磁感应强度B： 磁偶极矩 jm
μm = is 磁化强度M： M =∑μm/ΔV 磁场强度H ： (CGS: Gauss; Oe; emu/cm3) B = H+4πM (SI: T特斯拉； A/m；A/m 或Wb/m2); B =μ0(H + M) 单位换算： B: 1 T = 104 G ; H: 1 kAm-1 = 4π Oe; M: 1 kAm-1 = emu cm-3 (BH)max: 1 kJm-3 = 4 π10-2 MGOe

21 电子的磁矩 电子的循轨磁矩: l: 轨道量子数 电子的自旋磁矩: s:自旋量子数 玻尔磁子：

22 原子磁矩 电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成 孤立原子的磁矩决定于原子的结构
某些元素具有各层都充满电子的原子结构，其电子磁矩相互抵消，因而不显磁性 原子构成晶体后，过渡族元素铁族3d，钯族4d，铂族5d，锕族6d壳层未满，由于晶场作用使电子的轨道角动量动结。F电子影响较小。 电子（轨道+自旋）磁矩 >>原子核的磁矩

23 Classes of Magnetic Materials
磁性的分类 Classes of Magnetic Materials 弱磁性: 1. 抗磁性： χ 是甚小的负常数，约~10-6数量级。M与H反向。金属中有一半是抗磁体。Cu, Ag, Au, Hg, Zn等。 2. 顺磁性： χ 是正常数，约10-3 ~10-6 数量级。铂，钯，奥氏体不锈钢。Li, Na, K等。 3. 反铁磁性： χ 为甚小的正常数。如α-锰，铬，氧化镍，氧化锰等。 强磁性 4. 铁磁体： χ 为很大的正变数，约在10 ~ 10 6 数量级。 5. 亚铁磁体：与铁磁体相似，但χ 值较小，如磁铁矿（Fe3O4)。 M H 抗磁性 顺磁性 亚铁磁性 铁磁性 反铁磁

24 正离子的抗磁性源于其电子的轨道运动， 正离子的顺磁性源于原子的固有磁矩。 自由电子的顺磁性源于电子的自旋运动,自旋磁矩转到外磁场方向； 自由电子的抗磁性源于电子受洛伦兹力而做圆周运动，产生的磁矩与外磁场反向。

25 强顺磁性过渡族金属 Pd溶于Cu,Ag中情况
影响磁化率的因素 χ rPd× 100 50 -20×10-8 20×10-8 Cu-Pd Ag-Pd 1/χ 500 900 1300 t/℃ 强顺磁性过渡族金属 Pd溶于Cu,Ag中情况 铁在高温时 顺磁磁化率的变化

26 磁化率的测量 磁秤法：F=χVHdH/dx χ2= χ1I2/I1 P142

27 复习题 何谓磁矩? 磁矩的最小单元是什么？电子磁矩可分哪几部分？原子的总磁矩与原子结构有何关系？
何谓铁磁性?铁磁性物质与顺磁性物质有何区别? 何谓抗磁性?产生抗磁性的根源是什么? 列表给出主要磁学量的国际单位和高斯单位，并给出它们之间的换算关系。