【正文】 第 7章 材料的磁學性能 (Magic properties of materials) 磁性與材料的微觀結構的聯(lián)系 —— 通過磁性研究材料的結構：鍵合情況 、 晶體結構 。 本章內容： 材料的磁學 —— 材料磁學性質、來源？ 材料對外磁場的反應？本質原因？ 不同磁性材料的性能及其應用。 磁性材料獲得了越來越多的應用： 軟磁材料：鐵芯 、 電磁鐵 硬磁材料：永久磁鐵 磁記錄材料：磁頭 、 軟盤 、 硬盤 、 磁帶 普通物理 —— 強調電與磁的交互作用 7． 1 材料磁性能的表征參量和材料磁化的分類 (Character parameters of magic properties of materials and classification of material magization) 材料磁性能的表征參量 (Character parameters of magic properties of materials) 人類最早認識的磁現(xiàn)象：磁石吸鐵、指南北、分磁極、磁偏角。磁針 —— 以磁石使鐵針磁化。 磁力 —— 通過磁場傳遞。 磁場 —— 通過對載流導體或運動電荷有力的作用體現(xiàn)出來的 —— 定義磁場中一點的磁感應強度 q：磁場中運動電荷的電量； v：電荷的運動速度；Fmax：電荷在磁場中所受的最大力 ， 出現(xiàn)在電荷運動速度與磁場方向垂直時； k：比例系數(shù) 劃時代的偉大發(fā)現(xiàn) —— 1820年，奧斯特，電流能在周圍空間產(chǎn)生磁場，首次將電與磁聯(lián)系起來。 qvk m axFB ?國際單位制中通過選擇合適的單位使 k=1， 則 單位： F為牛頓 (N)， q為庫侖 (C)， v為米／秒(m/s)， B為特斯拉 (T)。 B是矢量，其方向是磁場方向，規(guī)定為該點所放的小磁針平衡時 N極所指的方向。 qvm axFB ?磁介質在磁場中發(fā)生磁化而影響磁場，所以磁介質中的磁感應強度 B等于真空中的磁感應強度 B0和由于磁介質磁化而產(chǎn)生的附加磁感應強度 B?之和，即 B=B0+B? —— 磁感應強度 B描述的是傳導電流的磁場和磁介質中磁化電流的磁場的綜合場的特性 。 如果磁場在真空中形成的磁感應強度為 B0，則磁場的強度 H可由下式確定： B0=?0H ?0：真空磁導率（真空透磁率） ?0=4??107亨利／米 (H/m) H—— 描述磁場的一個重要的物理量，無論在真空或在磁介質中， H只表征傳導電流的磁場特征，與磁介質無關。 電介質中的電場強度 E為真空中的電場強度 E0和由于電極化而產(chǎn)生的附加電場強度 E?之和 將材料放入磁場強度為 H的自由空間，則材料中的磁感應強度 B=?H 其中 ?稱為材料的磁導率或絕對磁導率。 所以 B=B0+B?=?0H+?0M=?0(H+M) 其中 M稱為材料的磁化強度，其物理意義為材料在外磁場中被磁化的程度。 —— 材料內部的磁感應強度可看成材料對自由空間的反應 ?0H和磁化引起的附加磁場 ?0M兩部分場疊加而成 。 磁化強度 M用單位體積內的磁矩多少來衡量，即 其中 V為材料的體積， m為其中磁矩的矢量和。 外磁場強度 H增大，則材料的磁化強度增大 M=?H 其中 ?稱為材料的磁化率，即單位磁場強度可引起的材料的磁化強度，是一個無量綱的量。 定義 0r ??? ?為材料的相對磁導率， ?r也是無量綱的?？赏茖? B=?H=?0H+?0M=?0H+?0?H＝ ?0(1+?)H 所以 —— 絕對磁導率 ?、相對磁導率 ?r、和磁化率 ?都是描述材料在外磁場下磁化能力的物理量，他們之間有固定的關系，知道其中的一個即可求出另外的兩個。 11 r0???? ???? 材料磁化的分類 (classification of material magization) 根據(jù)材料的磁化率 ，將材料分為五類 1. 抗磁體： ?0且絕對值很小，在 106數(shù)量級。 約一半金屬是抗磁體，如 Cu， Ag， Au， Hg，Zn、 Bi、 Ga、 Sb、 Sn、 In等。 2．順磁體： ? 0，在 103～ 106數(shù)量級。 如奧氏體， Pt， Pd， Li， Na， K， Rb等。 順磁體的另一特征是其磁化率 ?一般 與絕對溫度成反比。 3．鐵磁體： ? 0且很大，可達 106數(shù)量級，與外磁場呈非線性關系。 在高于某一臨界溫度 Tc變成順磁體， Tc稱為居里點或居里溫度。外磁場消失仍保留一定的磁化率 如 Fe， Co， Ni， Y， Dy及其某些合金等。 5．反鐵磁體： ? 0，且在低溫時與磁場方向有關，在高溫時與順磁體相同。 如 ?Mn， MnO， Cr2O3， Cr, CoO, ZnFeO4等。 4．亞鐵磁體： ? 0，與鐵磁體類似，但 ?小些。 如磁鐵礦，鐵氧體等。 磁化率不如鐵磁體高，但其電阻大，產(chǎn)生的渦流損耗小，適于制作電導率低的磁性材料。 鐵磁體和亞鐵磁體稱為強磁體；抗磁體 、 順磁體和反鐵磁體稱為弱磁體 ， 通常磁性材料為強磁體 。 孤立原子的磁矩 (Magic moment of isolated atoms) 電子和原子核的磁矩 (magic moments of electrons and atomic nucleus) 從本質上說，一切材料的磁性都來源于電荷的運動（或電流）。 材料的磁性源于原子（小磁鐵）的磁性。 原子的磁矩來源于電子的運動和原子核的自旋。 原子的磁矩 電子軌道磁矩 電子自旋磁矩 原子核自旋磁矩 1. 磁矩 與電荷類似，將磁荷定義成磁的基本單位。兩磁極若分別有 q1和 q2磁荷的磁極強度，則其作用力 其中 r為磁極間距， k為比例常數(shù)。 磁極 q在外磁場中要受到力的作用，且有該力 F=qH 其中 H為外磁場的強度。 221rqqkF ?實際上磁極總是以正負對的形式存在，目前尚未發(fā)現(xiàn)單獨存在的磁極。 （此句要修正 —— 《 Science, 2022,9,3》 ） 將相互接近的一對磁極＋ q和－ q稱為磁偶極子 真空中，單位外磁場作用在相距 d的磁偶極子上的最大的力矩 Pm＝ qd 稱為該磁偶極子的磁偶極矩（磁動量）。 磁偶極矩與真空磁導率 ?0的比值稱為磁矩，用 m表示，即 m=Pm/?0 當磁偶極子與外磁場方向成一定角度時它將受到磁場力的作用產(chǎn)生轉矩 ， 轉矩力圖使磁偶極矩Pm處于能量最低方向 。 磁偶極矩與外磁場的作用的勢能稱為靜磁能 U＝－ PmH＝－ PmHcos? 其中 ?是 Pm與 H的夾角。 外磁場作用下磁場力的作用轉矩有使磁偶極矩處于能量最低狀態(tài)的趨勢。 2. 電子軌道磁矩 將電子繞核的運動考慮成環(huán)形電流，設軌道半徑為 r，電子電量為 e，質量為 m，運動角速度為 ?，軌道角動量為 Ll，則軌道電流強度 2 ππ2dd ??eetqI ???電子軌道磁矩 le Lmer m vmermmereISm222π2 π22 ????? ??其中 S為環(huán)形電流的面積。 電子的軌道角動量 其中 l為角量子數(shù) ， 為狄拉克常數(shù) 。 當主量子數(shù)n=1, 2, 3…… 時 ，