无机材料磁学性能
31页1、第五章 无机材料的磁学性能一、磁场强度H1. 材料的磁性概述 1.1 磁性的基本概念电流方向和磁场强度的方向符合右手定则:有右手 握住导线,让大拇指所指的方向跟电流方向一致,那么弯 曲的四指所指方向就是磁感线的环绕方向。这个方法叫做 直线电流的右手螺旋定则。 安培环路定律:磁场中任何闭合回路磁场强度的线积 分,等于通过这个闭合路径内电流的代数和 .即如果磁场是由长度为l,电流为I的圆 柱状线圈(N匝)产生的,则I1I2I3二、磁感应强度B和介质磁化: 在真空中,磁感应强度为B的单位: T 或Wb/m2式中0为真空磁导率,它是一个普适常数 其值: 410-7 单位: H(亨利)/m。 磁介质存在时:式中为介质磁导率,只与介质有关1. 材料的磁性概述 1.1 磁性的基本概念介质的磁化:介质中分子或原子内的电子运动形成分子电流,微观上形 成不规则分布的磁偶极矩。在外磁场力作用下,磁偶极矩定向排列,形成宏 观上的磁偶极矩,使磁介质宏观上显示磁性。三、磁矩(表征磁性物体磁性大小) 磁源于电:环形电流周围的磁场,符合右手螺旋法则,其磁 矩定义为:m 载流线圈的磁矩 I - 载流线圈通过的电流 S
2、- 载流线圈的面积1. 材料的磁性概述 1.1 磁性的基本概念F=m(dB/dx)磁矩在磁场中受到的力:磁矩越大,磁性越强,物体在磁 场中所受的力越大.B磁感应强度四、磁化强度M定义:在外磁场H的作用下,材料中因磁矩沿外场方向排列而使磁 场强化的量度,其值等于材料单位体积中感应的磁矩大小。单位为 A/m,与磁场强度H单位一致。1. 材料的磁性概述 1.1 磁性的基本概念磁化率与相对磁导率之间的关系:介质相对磁导率:材料的磁导率与真空磁导率0之比:介质的磁化强度与磁场强度的关系:磁学和电学基本物理量的比较磁学基本物理量 电学基本物理量 名称单位名称单位 磁极强度q韦伯Wb电荷量q库仑C 磁矩mWbm电偶极矩Cm 磁化强度MWb/m2(特斯拉T)极化强度PC/m2 磁通量Wb电流强度IA 磁通密度BWb/m2电流密度JA/m2 磁场强度HA/m电场强度EV/m 磁导率H/m(亨利/米)介电常数F/m(法拉/米)1. 材料的磁性概述 1.2 磁性的本质 Orbi ta Spi n 轨道磁矩自旋磁矩轨道磁矩电子围绕原子核的轨道运动 ,产生一个非常小的磁场,形成 一个沿旋转轴方向的磁矩,即轨 道
3、磁矩。 自旋磁矩每个电子本身有自旋运动产 生 一个沿自旋轴方向的磁矩, 即自旋磁矩 原子核自旋磁矩比电子自旋磁矩的千分之几 ,可以忽略不计物质磁性主要由电子自旋磁矩引起的,每一种材料至少 表现出其中一种磁性,这取决于材料的成分和结构。1. 材料的磁性概述 1.2 磁性的本质最基本磁矩(原子中每个电子的自旋磁矩:Bohr磁子B为:最基本磁矩 - 玻尔磁子原子磁矩:(原子结构)总的来说,组成宏观物质的原子有两类:非磁原子:原子中的电子数为偶数,这些成对电子的自旋磁矩和轨道磁 矩方向相反而互相抵消,使原子中的电子总磁矩为零,整个原子就好像没 有磁矩一样。磁性原子: 原子中的电子数为奇数,或者虽为偶数但其磁矩由于一些特 殊原因而没有完全抵消使原子中电子的总磁矩(有时叫净磁矩,剩余磁矩 )不为零.1. 材料的磁性概述 1.2 磁性的本质Transitional metal - Unfilled d-, f- Orbitals Lead to Large Magnetic Moments!物质磁性的主要决定因素 (1)原子是否具有未成对电子,即自旋磁矩贡献的净磁矩 (2)原子在晶格中的排列方式交换
4、作用所产生能量,通常用J表示,称作交换能,因其以 波函数的积分形式出现,也称作交换积分。它取决于近邻原 子未填满的电子壳层相互靠近的程度,并决定了原子磁矩的 排列方式和物质的基本磁性。一般地:当J大于零时,交换作用使得相邻原子磁矩平行排列,产 生铁磁性。当J小于零时,交换作用使得相邻原子磁矩反平行排列, 产生反铁磁性。当原子间距离足够大时,J值很小时,交换作用已不足于 克服热运动的干扰,使得原子磁矩随机取向排列,于是产生 顺磁性。交换作用:(晶体结构)处于不同原子间的未被填满壳层的电子间发生特殊的相 互作用,原子间好像在交换电子,所以称为“交换”作用。由于外磁场使电子的轨道运动发生变化而引起的,方向与外磁场相反的 一种磁性。它是一种很弱的、非永久性的磁性,只有在外磁场存在时才 能维持。 原子的本征磁矩为零,外磁场作用使电子的轨道运动发生变化而引起的 。2. 物质的各类磁性 2.1 抗磁性 一、定义:二、特征: 所感应的磁矩很小,方向与外磁场相反,即磁化强度M为 很小的负值。 相对磁导率r 1,磁化率 0(为负值)。 在抗磁体内部的磁感应强度B比真空中的小。抗磁体的磁 化率约为-10-5
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