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1、 磁学基本量磁学基本量（1 1）磁感应强度和磁导率）磁感应强度和磁导率1820年，奥斯特发现电流能在周围空间产生磁年，奥斯特发现电流能在周围空间产生磁场，一根通有场，一根通有I安培安培(A)直流电的无限长直导线，在直流电的无限长直导线，在距导线轴线距导线轴线r米米(m)处产生的磁场强度处产生的磁场强度H（magneticfieldstrength）为：）为：(5-1)在国际单位制中，的单位为安培在国际单位制中，的单位为安培/米米(A/m)。第1页/共85页材料在磁场强度为材料在磁场强度为H的外加磁场的外加磁场(直流、交变直流、交变或脉冲磁场或脉冲磁场)作用下，会在作用下，会在材料内部产生一定磁
2、通材料内部产生一定磁通量密度，称其为磁感应强度量密度，称其为磁感应强度B（magneticfluxdensity），即在强度为），即在强度为H的磁场被磁化后，物质内的磁场被磁化后，物质内磁场强度的大小。单位为特斯拉磁场强度的大小。单位为特斯拉(T)或韦伯或韦伯/米米2(Wb/m2)。B和和H是既有大小、又有方向的向量是既有大小、又有方向的向量，两者关系为：两者关系为：5-2 式中，式中，为为磁导率磁导率(magneticpermeability)，是磁性材料最重要的物理量之一，是磁性材料最重要的物理量之一，反映了介质的反映了介质的特性，表示材料在单位磁场强度的外加磁场作用下，特性，表示材料在单
3、位磁场强度的外加磁场作用下，材料内部的磁通量密度。材料内部的磁通量密度。第2页/共85页在真空中在真空中(5-3)式中，式中，为真空磁导率，为真空磁导率，410-7享利享利/米米(Hm)。（2 2）磁矩）磁矩磁矩磁矩（magneticmoment）是表示磁体本质的一）是表示磁体本质的一个物理量。任何一个封闭的电流都具有磁矩个物理量。任何一个封闭的电流都具有磁矩m。其。其方向与环形电流法线的方向一致，其大小为电流与方向与环形电流法线的方向一致，其大小为电流与封闭环形的面积的乘积封闭环形的面积的乘积IS(图图5-1)。在。在均匀磁场中，均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩磁矩受到磁场作用的力矩JJm
4、B(5-4)式中，式中，J为矢量积，为矢量积，B为磁感应强度，其单位为：为磁感应强度，其单位为：第3页/共85页其中其中Wb(韦伯韦伯)是磁通量的单位。是磁通量的单位。图5-1磁矩第4页/共85页 为了求得为了求得磁矩在磁场中所受的力磁矩在磁场中所受的力，对一维情况可以写，对一维情况可以写出：出：(5-6)所以，所以，磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量。磁磁矩愈大，磁性愈强，即物体在磁场中所受的力也大。矩愈大，磁性愈强，即物体在磁场中所受的力也大。磁矩只与物体本身有关，与外磁场无关磁矩只与物体本身有关，与外磁场无关。磁矩的概。磁矩的概念可用于说明原子、分子等微
5、观世界产生磁性的原念可用于说明原子、分子等微观世界产生磁性的原因。电子绕原子核运动，产生因。电子绕原子核运动，产生电子轨道磁矩电子轨道磁矩；电子；电子本身自旋，产生本身自旋，产生电子自旋磁矩电子自旋磁矩。以上。以上两种微观磁矩两种微观磁矩是物质具有磁性的根源是物质具有磁性的根源。第5页/共85页（3 3）磁化强度磁化强度 电场中的电介质由于电极化而影响电场，同样，电场中的电介质由于电极化而影响电场，同样，磁场中的磁介质由于磁化也能影响磁场磁场中的磁介质由于磁化也能影响磁场。设真空中。设真空中(5-7)式中式中B0和和H分别为磁感应强度分别为磁感应强度(Wbm-2)和磁场强度和磁场强度(Am-1
6、)，0为真空磁导率，为真空磁导率，H/m。在一外磁场在一外磁场H中放入一磁介质，磁介质受外磁中放入一磁介质，磁介质受外磁场作用，处于磁化状态，则磁介质内部的磁感强度场作用，处于磁化状态，则磁介质内部的磁感强度B将发生变化将发生变化(5-8)式中式中为介质的绝对磁导率，为介质的绝对磁导率，只与介质有关只与介质有关。第6页/共85页(5-8)式还可以写成如下形式式还可以写成如下形式(5-9)式中式中M称为磁化强度称为磁化强度（intensityofmagnetization），），它表征物质被磁化的程度它表征物质被磁化的程度。对。对于一般磁介质，无外加磁场时，其内部各磁矩的取于一般磁介质，无外加磁
7、场时，其内部各磁矩的取向不一，宏观无磁性。但在外磁场作用下，各磁矩向不一，宏观无磁性。但在外磁场作用下，各磁矩有规则地取向，使磁介质宏观显示磁性，这就叫有规则地取向，使磁介质宏观显示磁性，这就叫磁磁化化。磁化强度的。磁化强度的物理意义是单位体积的磁矩物理意义是单位体积的磁矩。设体。设体积元积元V内磁矩的矢量和为内磁矩的矢量和为，则磁化强度，则磁化强度M为：为：(5-10)式中式中m的单位为的单位为Am2，V的单位为的单位为m3，因而磁化，因而磁化强度强度M的单位为的单位为Am-1，即与，即与H的单位一致的单位一致。第7页/共85页磁介质在外磁场中的磁化状态，主要由磁化强度磁介质在外磁场中的磁化
8、状态，主要由磁化强度M决定决定。M可正、可负，由磁体内磁矩矢量和的方向可正、可负，由磁体内磁矩矢量和的方向决定，决定，因而磁化了的磁介质内部的磁感强度因而磁化了的磁介质内部的磁感强度B可能可能大于，也可能小于磁介质不存在真空中的磁感应强大于，也可能小于磁介质不存在真空中的磁感应强度度B0。现在讨论现在讨论H与与M的关系。由的关系。由可得：可得：(5-11)定义定义为介质的相对磁导率为介质的相对磁导率,则则(5-12)第8页/共85页如果定义如果定义为介质的为介质的磁化率（磁化率（magneticsusceptibility），则可得磁化），则可得磁化强度与磁场强度的关系：强度与磁场强度的关系：
9、(5-13)式中比例系数式中比例系数仅与磁介质性质有关。它反仅与磁介质性质有关。它反映材料磁化的能力映材料磁化的能力，没有单位，为一纯数。，没有单位，为一纯数。可正、可负，决定于材料的不同磁性类别可正、可负，决定于材料的不同磁性类别，表，表5-1为一些常见材料在室温时的磁化率为一些常见材料在室温时的磁化率表表5-1常见材料在室温时的磁化率常见材料在室温时的磁化率材料名称磁化率材料名称磁化率氧化铝材料名称磁化率材料名称磁化率氧化铝-1.8110-5锌锌-1.5610-5铜铜-0.9610-5铝铝2.0710-5金金-3.4410-5铬铬3.1310-4水银水银-2.8510-5钠钠8.4810-
10、6硅硅-0.4110-5钛钛1.8110-4银银-2.3810-5锆锆1.0910-4第9页/共85页 物质的磁性分类物质的磁性分类根据物质的磁化率，可以把根据物质的磁化率，可以把物质的磁性大致分物质的磁性大致分为五类为五类。按各类磁体磁化强度。按各类磁体磁化强度M与磁场强度与磁场强度H的关的关系，可做出其磁化曲线。图系，可做出其磁化曲线。图5-2为它们的磁化曲线为它们的磁化曲线示意图。示意图。(1)抗磁体抗磁体磁化率为甚小的负数，大约在磁化率为甚小的负数，大约在10-6数量级。它数量级。它们在磁场中受微弱斥力。们在磁场中受微弱斥力。金属中约有一半简单金属金属中约有一半简单金属是抗磁体是抗磁体
11、。根据。根据与温度的关系，与温度的关系，抗磁体又可抗磁体又可分为分为：eqoac(,1)1“经典经典”抗磁体抗磁体，它的，它的不不随温度变化随温度变化，如铜、银、金、汞、锌等。，如铜、银、金、汞、锌等。eqoac(,2)2反常抗磁体反常抗磁体，它的，它的随温度变化，且随温度变化，且其大小是前者的其大小是前者的10100倍倍，如铋、镓、锑、锡、，如铋、镓、锑、锡、铟、铜铟、铜-锆合金中的相等。锆合金中的相等。第10页/共85页（2）顺磁体）顺磁体磁化率为正值磁化率为正值，约为，约为l0-3-10-6。它在磁场中受。它在磁场中受微弱吸力。又根据微弱吸力。又根据与温度的关系可分为：与温度的关系可分为
12、：eqoac(,1)1正常顺磁体正常顺磁体，其，其随温度变化符合随温度变化符合1/T关系关系(T为温度为温度)。金属铂、钯、奥氏体不锈钢、金属铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等属于此类稀土金属等属于此类。eqoac(,2)2与温度与温度无关的顺磁体无关的顺磁体，例如锂、钠、钾、铷等金属。，例如锂、钠、钾、铷等金属。（3）铁磁体）铁磁体在较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化在较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度。强度。是很大的正数是很大的正数，且与外磁场呈非线性关，且与外磁场呈非线性关系变化。具体金属有系变化。具体金属有铁、钴、镍铁、钴、镍等。等。铁磁体在温度铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺
13、磁体高于某临界温度后变成顺磁体。此临界温度称为。此临界温度称为居居里温度或居里点，常用里温度或居里点，常用Tc表示表示。第11页/共85页（4）亚铁磁体）亚铁磁体这类磁体有些像铁磁体，但这类磁体有些像铁磁体，但值没有铁磁值没有铁磁体那样大。通常所说的体那样大。通常所说的磁铁矿磁铁矿(Fe3O4)、铁氧体等、铁氧体等属于亚铁磁体。属于亚铁磁体。（5）反铁磁体）反铁磁体这类磁体的这类磁体的是小的正数是小的正数，在温度低于某，在温度低于某温度时，它的磁化率同磁场的取向有关；高于这个温度时，它的磁化率同磁场的取向有关；高于这个温度，其行为像温度，其行为像顺磁体顺磁体。具体材料有。具体材料有-Mn、铬、
14、铬、氧化镍、氧化锰氧化镍、氧化锰等。等。第12页/共85页图5-2五类磁体的磁化曲线示意图第13页/共85页第二节抗磁性和顺磁性第二节抗磁性和顺磁性原子本征磁矩原子本征磁矩 众所周知，任何物质都是由原子组成的，而众所周知，任何物质都是由原子组成的，而原子又是由带正电荷的原子核原子又是由带正电荷的原子核(简称核子简称核子)和带负电和带负电荷的电子所构成的。近代物理的理论和实验都证明荷的电子所构成的。近代物理的理论和实验都证明了核子和电子的本身都在作着自旋运动，而电子又了核子和电子的本身都在作着自旋运动，而电子又沿着一定轨道绕核子做循轨运动。显然，带电粒子沿着一定轨道绕核子做循轨运动。显然，带电粒
15、子的这些运动必然要产生磁矩，如图的这些运动必然要产生磁矩，如图5-3所示。所示。由于不同的原子具有不同的电子壳层结构，因由于不同的原子具有不同的电子壳层结构，因而对外表现出不同的磁矩，所以当这些原子组成不而对外表现出不同的磁矩，所以当这些原子组成不同的物质时也要表明出不同的磁性来。必须指出的同的物质时也要表明出不同的磁性来。必须指出的是，原子的磁性虽然是物质磁性的基础，但却不能是，原子的磁性虽然是物质磁性的基础，但却不能完全决定凝聚态物质的磁性，这是因原子间的相互完全决定凝聚态物质的磁性，这是因原子间的相互作用作用(包括磁的和电的作用包括磁的和电的作用)对物质磁性往往起着更对物质磁性往往起着更
16、重要的影响。这是我们下面将要讨论的问题。重要的影响。这是我们下面将要讨论的问题。材料材料的宏观磁性是组成材料的原子中电子的磁矩引起的，的宏观磁性是组成材料的原子中电子的磁矩引起的，产生磁矩的原因有两个：产生磁矩的原因有两个：第14页/共85页(1)电子轨道磁矩电子轨道磁矩电子绕原子核的轨道运动，产生一个非常小的电子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轨道磁矩。设磁场，形成一个沿旋转轴方向的轨道磁矩。设r为电为电子运动轨道的半径，子运动轨道的半径，L为电子运动的轨道角动量，为电子运动的轨道角动量，为电子绕核运动的角速度，电子的电量为为电子绕核运动的角速度，电子的电量为
17、e，质量为，质量为m。根据磁矩等于电流与电流回路所包围的面积的。根据磁矩等于电流与电流回路所包围的面积的乘积的原理，电子轨道磁矩（乘积的原理，电子轨道磁矩（electronicorbitalmagneticmoment）的大小为：）的大小为：(5-14)该磁矩的方向垂直于电子运功轨迹平面，并符该磁矩的方向垂直于电子运功轨迹平面，并符合右手螺旋定则。它在外磁场方向上的投影，即电合右手螺旋定则。它在外磁场方向上的投影，即电子轨道磁矩在外磁场方向上的分量，满足量子化条子轨道磁矩在外磁场方向上的分量，满足量子化条件件(5-15)第15页/共85页 式中，式中，ml为电子运动状态的磁量子数，下角为电子运
18、动状态的磁量子数，下角z表示外表示外磁场方向；磁场方向；B为玻尔磁子为玻尔磁子(Bohrmagneton)，是电子，是电子磁矩的最小单位，其值为磁矩的最小单位，其值为（5-16）式中式中，e，h和和分别为电子电量、普朗克分别为电子电量、普朗克(Planck)常量和电子质量。常量和电子质量。(2)自旋磁矩自旋磁矩每个电子本身作自旋运动，产生一个沿自旋轴方每个电子本身作自旋运动，产生一个沿自旋轴方向的向的自旋磁矩自旋磁矩（electronicspinmagneticmoment）。因此可以把原子中每个电子都看作一个）。因此可以把原子中每个电子都看作一个小磁体，具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩，如图小磁
19、体，具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩，如图5-4所示。所示。实验测定电子自旋磁矩在外磁场方向上的分实验测定电子自旋磁矩在外磁场方向上的分量恰为一个玻尔磁子量恰为一个玻尔磁子：（5-17）第16页/共85页 其符号决定于电子自旋方向，一般取与外磁场方向其符号决定于电子自旋方向，一般取与外磁场方向z一致的为正，反之为负。因为一致的为正，反之为负。因为原子核比电子重原子核比电子重1000多倍，运动速度仅为电子速度的几千分之一，所以多倍，运动速度仅为电子速度的几千分之一，所以原子核的自旋原子核的自旋磁矩仅为电子自旋磁矩的千分之几，因而可以忽略不计。磁矩仅为电子自旋磁矩的千分之几，因而可以忽略不计。原子中电
20、子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩构成了原子中电子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩构成了原子固有磁矩，也称本征磁矩原子固有磁矩，也称本征磁矩（intrinsicmagneticmoment）。如果）。如果原子中所有电子壳层都是填满的原子中所有电子壳层都是填满的，由于形成，由于形成一个球形对称的集体，则电子轨道磁矩和自旅磁矩各自相抵消，一个球形对称的集体，则电子轨道磁矩和自旅磁矩各自相抵消，此时原子本征磁矩此时原子本征磁矩P=0。第17页/共85页图5-3环形电流产生磁矩第18页/共85页图5-4电子运动产生磁矩第19页/共85页 原子是否具有磁矩，取决于其具体的电子壳层结构。若有末被填满的电子壳层，其电子
21、的自旋磁矩未被完全抵消(方向相反的磁矩可互相抵消)，则原子就具有永久磁矩。例如，铁原子的电子层分布为以2s22p63s23p63d64s22s22p63s23p63d64s2参，除3d3d壳层外各层均被电子填满(其自旋磁矩相互抵消)而根据洪德法则，3d3d壳层的电子应尽可能填充不同的轨道，其自旋应尽量在向一个平行方向上。因此，3d3d壳层的5 5个轨道中除了1 1个轨道填有2 2个自旋相反的电子外，其余4 4个轨道均只有1 1个电子，且这4 4个电子的自旋方向互相平行，使总的电子自旋磁矩为4 4。而诸如锌的某些元素，具有各壳层都充满电子的原子结构，其电子磁矩互相抵消，因此不显磁性。在磁性材料内
22、部，B B与H H的关系较复杂，二者不一定平行，矢量表达式为 （5-5-1818）第20页/共85页式中，式中，是磁性材料内的磁偶极矩被是磁性材料内的磁偶极矩被H磁化而贡献的磁化而贡献的，而，而H只有在均匀且无限大的磁性材料中，才与无只有在均匀且无限大的磁性材料中，才与无磁性材料时的外加磁场相同。磁性材料时的外加磁场相同。一般磁性材料的磁化，不仅对磁感应强度一般磁性材料的磁化，不仅对磁感应强度B有贡献，而且可能影响磁场强度有贡献，而且可能影响磁场强度H。如图。如图5-5(a)所所示的闭合环形磁芯，其示的闭合环形磁芯，其，式中，式中H就等于外加磁场强度，而图就等于外加磁场强度，而图5-5(b)所
23、示的缺口环所示的缺口环形磁芯，由于在缺口处出现表面磁极，导致在形磁芯，由于在缺口处出现表面磁极，导致在磁芯磁芯中产生一个与磁化强度方向相反的磁场，称为退磁中产生一个与磁化强度方向相反的磁场，称为退磁场场，以，以Hd表示，只有在均匀磁化时，表示，只有在均匀磁化时，Hd才是均匀才是均匀的，其数值正比于磁化强度的，其数值正比于磁化强度M，而方向与，而方向与M相反，相反，因此，因此，退磁场起着削弱磁化的作用退磁场起着削弱磁化的作用，其表达式为：，其表达式为：Hd-NM（5-19）式中，式中，N为退磁因子为退磁因子（demagnetizingfactor），），无量纲，与磁体的几何形状有关。无量纲，与磁
24、体的几何形状有关。第21页/共85页所以，缺口环形磁芯的磁感应强度成为所以，缺口环形磁芯的磁感应强度成为:（5-20）对于长而细的旋转椭圆体，若磁化方向沿长轴，则对于长而细的旋转椭圆体，若磁化方向沿长轴，则退磁因子退磁因子N为为:（5-21）(a)(b)图5-5闭合环形磁芯(a)和缺口环形磁芯(b)第22页/共85页式中，为椭圆体的长轴式中，为椭圆体的长轴c与短轴与短轴a之比值，即之比值，即k=c/a,(其中其中a=bc)。对于扁旋转椭圆体，若磁化方。对于扁旋转椭圆体，若磁化方向平行于圆盘平面时，其向平行于圆盘平面时，其N为为:（5-22）式中，式中，k为扁旋转椭圆体的直径与厚度之比值，即为扁
25、旋转椭圆体的直径与厚度之比值，即k=c/a，(其中其中ab=c)。从而可以导出旋转椭圆体在。从而可以导出旋转椭圆体在极限情形的退磁因子：极限情形的退磁因子：球形体球形体(a=b=c)：N=1/3；细长圆柱体细长圆柱体(a=bc)Na=Nb=0,Nc=1。第23页/共85页抗磁性抗磁性 上面的原子磁性的讨论表明，上面的原子磁性的讨论表明，原子的磁矩取决原子的磁矩取决于未填满壳层电子的轨道磁矩和自旋磁矩于未填满壳层电子的轨道磁矩和自旋磁矩。对于电。对于电子壳层已填满的原子，虽然其轨道磁矩和自旋磁矩子壳层已填满的原子，虽然其轨道磁矩和自旋磁矩的总和为零，但这仅是在无外磁场的情况下，的总和为零，但这仅
26、是在无外磁场的情况下，当有当有外磁场作用时，即使对于那种总磁矩为零的原子也外磁场作用时，即使对于那种总磁矩为零的原子也会显示出磁矩来会显示出磁矩来。这是由于。这是由于电子的循轨运动在外磁电子的循轨运动在外磁场的作用下产生了抗磁磁矩场的作用下产生了抗磁磁矩P P的缘故的缘故。如图如图5-6所示，取两个轨道平面与磁场所示，取两个轨道平面与磁场H方向垂方向垂直而循轨运动方向相反的电子为例来研究。当无外直而循轨运动方向相反的电子为例来研究。当无外磁场时，电子循轨运动产生的轨道磁矩为：磁场时，电子循轨运动产生的轨道磁矩为：(见式见式5-14），），第24页/共85页电子受到的向心力为电子受到的向心力为K
27、mr2。当加上外磁场。当加上外磁场后，电子必将又受到洛伦兹力的作用，从而产生一后，电子必将又受到洛伦兹力的作用，从而产生一个附加力个附加力KHer。由于洛伦兹力。由于洛伦兹力K使向心力使向心力K或增或增(如图如图5-5(a)或减或减(如图如图5-5(b)，对，对(a)图，图，向力增为向力增为K+Kmr(+)2，这是根据朗之万，这是根据朗之万的意见，认为的意见，认为m和和r是不变的，故当是不变的，故当k增加时，只能增加时，只能是是变化，即增加一个变化，即增加一个eH/2m(解上式并略去解上式并略去的二次项的二次项)，称为，称为拉莫尔角频率拉莫尔角频率，电子的这种以，电子的这种以围绕磁场所作的旋转
28、运动，称为电子进动。从围绕磁场所作的旋转运动，称为电子进动。从而由式而由式(5-14)可得磁矩增量可得磁矩增量(附加磁矩附加磁矩)(5-23)式中的符号表示式中的符号表示附加磁矩附加磁矩P总是与外磁场总是与外磁场H方方向相反，这就是物质产生抗磁性的原因向相反，这就是物质产生抗磁性的原因。第25页/共85页显然，显然，物质的抗磁性不是由电子的轨道磁矩和自物质的抗磁性不是由电子的轨道磁矩和自旋磁矩本身所产生的旋磁矩本身所产生的，而是由外磁场作用下电子循，而是由外磁场作用下电子循轨运动产生的附加磁矩所造成的。由式（轨运动产生的附加磁矩所造成的。由式（5-23）还）还可看出，可看出，P与外磁场与外磁场
29、H成正比成正比，这说明，这说明抗磁磁化抗磁磁化是可逆的是可逆的。即当外磁场去除后，抗磁磁矩即行消失。即当外磁场去除后，抗磁磁矩即行消失。图5-6产生抗磁矩的示意图（沿圆周箭头指电流方向）第26页/共85页上面讨论的仅是上面讨论的仅是一个电子产生的抗磁磁矩一个电子产生的抗磁磁矩P，对于对于一个原子来说，常常有一个原子来说，常常有z个电子个电子。这些电子又分布在。这些电子又分布在不同的壳层上，它们有不同的轨道半径不同的壳层上，它们有不同的轨道半径r，且其轨道，且其轨道平面一般与外磁场方向不完全垂直，故平面一般与外磁场方向不完全垂直，故一个原子的一个原子的抗磁磁矩经计算为：抗磁磁矩经计算为：(5-2
30、4)对于对于每摩尔的抗磁磁矩应为每摩尔的抗磁磁矩应为NP，这里，这里N=6.0231023mol-1为阿伏加德罗常数故其抗磁磁为阿伏加德罗常数故其抗磁磁化率化率为：为：(5-25)但但上式对金属内的自由电子不适用上式对金属内的自由电子不适用，因自由电子的，因自由电子的无确定值。因此，无确定值。因此，式式(5-25)仅表达了离子的抗磁性仅表达了离子的抗磁性。第27页/共85页既然抗磁性（既然抗磁性（diamagnetism）是电子的轨道运动产生的，而任何物质又都存在这种）是电子的轨道运动产生的，而任何物质又都存在这种运动，故可以说运动，故可以说任何物质在外磁场作用下都要产生抗磁性任何物质在外磁场
31、作用下都要产生抗磁性。但应注意，这。但应注意，这并不能说任并不能说任何物质都是抗磁体何物质都是抗磁体，这是因为，这是因为原子除了产生抗磁磁矩外，还有轨道磁矩和自族磁矩产原子除了产生抗磁磁矩外，还有轨道磁矩和自族磁矩产生的顺磁磁矩生的顺磁磁矩。在此情况下。在此情况下只有那些抗磁性大于顺磁性（只有那些抗磁性大于顺磁性（paramagnetism）的物质才的物质才能称为能称为抗磁体抗磁体。抗磁体的磁化率。抗磁体的磁化率很小，约为很小，约为-10-6，且与，且与温度、磁场强度温度、磁场强度等无关或变等无关或变化极小。化极小。凡是电子壳层被填满了的物质都属抗磁体凡是电子壳层被填满了的物质都属抗磁体，如，
32、如惰性气体、离子型固体、共价惰性气体、离子型固体、共价键的键的C、Si、Ge、S、P等通过共有电子而填满了电子壳层，故等通过共有电子而填满了电子壳层，故也属抗磁体。也属抗磁体。第28页/共85页物质的顺磁性物质的顺磁性顺磁体的原子或离子是有磁矩的顺磁体的原子或离子是有磁矩的(称为称为原子固有原子固有磁矩磁矩，它是电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和，它是电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和)，其，其源于原子内未填满的电子壳层源于原子内未填满的电子壳层(如过渡元素的如过渡元素的d层，稀土金属的层，稀土金属的f层层)，或，或源于具有奇数个电子的原源于具有奇数个电子的原子子。但无外磁场时，由于热振动的影响，
33、其。但无外磁场时，由于热振动的影响，其原子磁原子磁矩的取向是无序的，故总磁矩为零矩的取向是无序的，故总磁矩为零，如图，如图5-7(a)示。示。当有外磁场作用，则当有外磁场作用，则原子磁矩便排向外磁场的方向，原子磁矩便排向外磁场的方向，总磁矩便大于零而表现为正向磁化总磁矩便大于零而表现为正向磁化，如图，如图5-7(b)示。示。但在常温下，由于热运动的影响，原子磁矩难以有但在常温下，由于热运动的影响，原子磁矩难以有序化排列，故顺磁体的磁化十分困难，磁化率一般序化排列，故顺磁体的磁化十分困难，磁化率一般仅为仅为10-610-3。第29页/共85页在常温下，使顺磁体达到饱和磁化程度所需的磁在常温下，使
34、顺磁体达到饱和磁化程度所需的磁场约为场约为8108Am-1，这在技术上是很难达到的。但，这在技术上是很难达到的。但若把温度降低到接近绝对零度，则达到磁饱和就容若把温度降低到接近绝对零度，则达到磁饱和就容易多了。例如易多了。例如GdS04，在，在lK时，只需时，只需H24104Am-1使可达磁饱和状态，如图使可达磁饱和状态，如图5-7(c)示。示。总之，总之，顺磁体的磁化是磁场克服热运动的干扰，使顺磁体的磁化是磁场克服热运动的干扰，使原子磁矩排向磁场方向的结果原子磁矩排向磁场方向的结果。图5-7 顺磁物质磁化过程示意图第30页/共85页根据顺磁磁化率与温度的关系，可以把根据顺磁磁化率与温度的关系
35、，可以把顺磁体大顺磁体大致分为三类，致分为三类，即即正常顺磁体、磁化率与温度无关的正常顺磁体、磁化率与温度无关的顺磁体和存在反铁磁体转变的顺磁体顺磁体和存在反铁磁体转变的顺磁体。（1）正常顺磁体正常顺磁体 O2、NO、Pd稀土金属，稀土金属，Fe、Co、Ni的盐类，以及的盐类，以及铁磁金属在居里点以上都属铁磁金属在居里点以上都属正常的顺磁体正常的顺磁体。其中有。其中有部分物质能准确地部分物质能准确地符合居里定律符合居里定律，它们的，它们的原子磁化原子磁化率与温度成反比率与温度成反比即即(5-26)式中，式中，C为居里常数，它的值为为居里常数，它的值为，这，这里里N为阿伏加德罗常数，为阿伏加德罗
36、常数，B为波尔磁子为波尔磁子k为波尔兹为波尔兹曼常数。曼常数。第31页/共85页但还有相当多的固溶体顺磁物质，特别是过渡族但还有相当多的固溶体顺磁物质，特别是过渡族金属元素是金属元素是不符合居里定律的不符合居里定律的。它们的。它们的原子磁化率原子磁化率和温度的关系需用居里和温度的关系需用居里-外斯定律（外斯定律（Curie-Weisslaw）来表达）来表达，即，即(5-27)式中，式中，C为常数；为常数；对某种物质而言也是常数对某种物质而言也是常数，但，但对对不同物质可有不同的符号不同物质可有不同的符号，对，对存在铁磁转变的物存在铁磁转变的物质，质，其其-c(表示居里温度表示居里温度)。在在c
37、以上的物质属以上的物质属顺磁体顺磁体，其，其大致服从居里大致服从居里-外斯定律，此时的外斯定律，此时的M和和H间保持着线性关系间保持着线性关系。（2 2）磁化率与温度无关的顺磁体磁化率与温度无关的顺磁体碱金属碱金属Li、Na、K、Rb属于此类，它们的属于此类，它们的=10-710-6，其，其顺磁性是由价电子产生的顺磁性是由价电子产生的，由量子力学，由量子力学可证明可证明它们的它们的与温度无关与温度无关。第32页/共85页（3 3）存在反铁磁体转变的顺磁体存在反铁磁体转变的顺磁体过渡族金属及其合金或它们的化合物属于过渡族金属及其合金或它们的化合物属于这类这类顺磁体顺磁体。它们都有一定的转变温度，
38、称为。它们都有一定的转变温度，称为反铁磁居反铁磁居里点或尼尔点，以里点或尼尔点，以TN表示表示。当温度高于。当温度高于TN时，它们时，它们和正常顺磁体一样服从居里和正常顺磁体一样服从居里-外斯定律，且外斯定律，且0；当温度低于当温度低于TN时，它们的时，它们的随随T下降，当下降，当T0K时，时，常数；在常数；在TN处处有一极大值，有一极大值，MnO、MnS、NiCr、CrS-Cr2S、Cr2O3、FeS2、FeS等都等都属这类属这类。图图5-8中表示了单纯顺磁性图中表示了单纯顺磁性图(a)、存在铁磁性、存在铁磁性图图(b)和存在反铁磁性转变图和存在反铁磁性转变图(c)的顺磁体的的顺磁体的-T关
39、系关系曲线。由图可看出，图曲线。由图可看出，图(b)中中Tc时物质属铁磁体时物质属铁磁体，而图而图(c)中中TTN时物质属反铁磁体时物质属反铁磁体。第33页/共85页图5-8顺磁体的-T关系曲线示意图第34页/共85页金属的抗磁性与顺磁性金属的抗磁性与顺磁性 我们知道，金属是由点阵离子和自由电子构成我们知道，金属是由点阵离子和自由电子构成的，故的，故金属的磁性要考虑到点阵结点上正离子的抗金属的磁性要考虑到点阵结点上正离子的抗磁性和顺磁性，自由电子的抗磁性与顺磁性磁性和顺磁性，自由电子的抗磁性与顺磁性。如前。如前所述，所述，正离子的抗磁性正离子的抗磁性源于源于其电子的轨道运动其电子的轨道运动，正
40、正离子的顺磁性离子的顺磁性源于源于原子的固有磁矩原子的固有磁矩。而。而自由电子的自由电子的磁性磁性可简述如下：其可简述如下：其顺磁性顺磁性源于源于电子的自旋磁矩电子的自旋磁矩，在外磁场作用下，自由电子的自旋磁矩转到了外磁在外磁场作用下，自由电子的自旋磁矩转到了外磁场方向；场方向；自由电子的抗磁性自由电子的抗磁性源于共源于共在外磁场中受洛在外磁场中受洛仑兹力而作的圆周运动仑兹力而作的圆周运动，这种圆周运动产生的磁矩，这种圆周运动产生的磁矩同外磁场反向。这四种磁性可能单独存在，也可能同外磁场反向。这四种磁性可能单独存在，也可能共同存在，要综合考虑哪个因素的影响最大共同存在，要综合考虑哪个因素的影响
41、最大,从而从而确定其磁性的性质。确定其磁性的性质。第35页/共85页非金属非金属中除氧和石墨外，中除氧和石墨外，都是抗磁性都是抗磁性(它们的与惰它们的与惰性气体相近性气体相近)的。如的。如Si、S、P以及许多有机化合物，以及许多有机化合物，它们基本上是以它们基本上是以共价键结合共价键结合的，由于的，由于共价电子对的共价电子对的磁矩互相抵消，因而它们全部成为抗磁体磁矩互相抵消，因而它们全部成为抗磁体。在元素。在元素周期表中，接近非金属的周期表中，接近非金属的一些金属元素，如一些金属元素，如Sb、Bi、Ga、灰、灰Sn等，等，它们的自由电子在原子价增加时逐步它们的自由电子在原子价增加时逐步向共价结
42、合过渡，故向共价结合过渡，故表现出异常的抗磁性表现出异常的抗磁性。在在Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg等金属中，由于等金属中，由于它们的离子所产生的它们的离子所产生的抗磁性大于自由电子的顺磁性抗磁性大于自由电子的顺磁性，因而它们因而它们属抗磁体属抗磁体。所有的所有的碱金属碱金属和和除除Be以外的碱土金属以外的碱土金属都是都是顺磁体顺磁体。虽然这两族金属元素在离子状态时有与惰性气体虽然这两族金属元素在离子状态时有与惰性气体相似的电子结构，似应成为相似的电子结构，似应成为抗磁体抗磁体，但是，但是由于自由由于自由电子产生的顺磁性占据了主导地位电子产生的顺磁性占据了主导地位，故仍表现为，故仍表现为顺
43、顺磁性磁性。第36页/共85页稀土金属的顺磁性较强稀土金属的顺磁性较强，磁化率较大且遵从居，磁化率较大且遵从居里里-外斯定律。这是因为外斯定律。这是因为它们的它们的4f或或5d电子壳层未电子壳层未填满，存在未抵消的自旋磁矩所造成的填满，存在未抵消的自旋磁矩所造成的。关于关于过渡族金属，在高温基本都属于顺磁体过渡族金属，在高温基本都属于顺磁体，但其中但其中有些存在铁磁转变有些存在铁磁转变(如如Fe、Co、Ni)，有些则有些则存在反铁磁转变存在反铁磁转变(如如Cr)。这类金属的顺磁性主要是。这类金属的顺磁性主要是由于它们的由于它们的3d-5d电子壳层未填满，电子壳层未填满，d-和和f-态电子态电子
44、未抵消的自旋磁矩形成了晶体未抵消的自旋磁矩形成了晶体离子的固有磁矩，从离子的固有磁矩，从而产生了强烈的而产生了强烈的顺磁性顺磁性。第37页/共85页影响金属抗、顺磁性的因素影响金属抗、顺磁性的因素 温度和磁场强度对抗磁性的影响甚微温度和磁场强度对抗磁性的影响甚微，但当，但当金属熔化凝固、范性形变、晶粒细化和同素异金属熔化凝固、范性形变、晶粒细化和同素异构转变时，电子轨道的变化和原子密度的变化，构转变时，电子轨道的变化和原子密度的变化，将使抗磁磁化率发生变化。将使抗磁磁化率发生变化。熔化时抗磁体的磁化率值一般都减小熔化时抗磁体的磁化率值一般都减小，铊熔，铊熔化时降低化时降低10%。铋降低。铋降低
45、1/12.5。但。但锗、金、银锗、金、银不同，它们的磁化率值在熔化时是增高的不同，它们的磁化率值在熔化时是增高的。范性形变可使铜和锌的抗磁性减弱范性形变可使铜和锌的抗磁性减弱，经高度，经高度加工硬化后的铜可由抗磁性变为顺磁性，而退加工硬化后的铜可由抗磁性变为顺磁性，而退火则可使铜的抗磁性恢复。火则可使铜的抗磁性恢复。第38页/共85页 晶粒细化可使铋、锑、硒、碲的抗磁性减弱，在晶粒细化可使铋、锑、硒、碲的抗磁性减弱，在晶粒高度细化时可由抗磁性变为顺磁性晶粒高度细化时可由抗磁性变为顺磁性。显然，。显然，熔化、加工硬化和晶粒细化等因素都是使金属晶熔化、加工硬化和晶粒细化等因素都是使金属晶体趋于非晶
46、化体趋于非晶化，因此其影响效果也类似。而且都，因此其影响效果也类似。而且都是因变化时原子间距增大、密度减小所致。是因变化时原子间距增大、密度减小所致。同素异构转变时，白锡同素异构转变时，白锡灰锡是由顺磁性变为灰锡是由顺磁性变为抗磁性抗磁性；锰的同素异构转变，无论是；锰的同素异构转变，无论是，还是，还是会使顺磁磁化率增大。前者是因转变时原子会使顺磁磁化率增大。前者是因转变时原子间距增大，自由电子减少，故金属性减弱，顺磁间距增大，自由电子减少，故金属性减弱，顺磁性减弱。而后者则与其恰恰相反必性减弱。而后者则与其恰恰相反必-Fe在在A2点点(678)以上变为顺磁状态，在以上变为顺磁状态，在9l0和和
47、1401发生发生同素异构转变时顺磁磁化率发生突变，如图同素异构转变时顺磁磁化率发生突变，如图5-9示。示。由图可见，由图可见，-Fe的的比。比。-Fe和和-Fe都低，且几乎都低，且几乎与温度无关，而与温度无关，而-Fe和和-Fe的的随随T升高而急剧下升高而急剧下降，这乃是强顺磁质的一般特性。有趣的是降，这乃是强顺磁质的一般特性。有趣的是-Fe和和-Fe的的曲线互为延长线，这说明了它们点阵结曲线互为延长线，这说明了它们点阵结构的一致性，其物理性能的变化规律往往相同。构的一致性，其物理性能的变化规律往往相同。第39页/共85页图5-9 铁在A2点以上的顺磁磁化率第40页/共85页图5-10 Cu-
48、Pd、Ag-Pd固溶体的磁化率第41页/共85页合金的相结构及组织对磁性的影响比较复合金的相结构及组织对磁性的影响比较复杂杂。当低磁化率的金属，如。当低磁化率的金属，如Cu、Ag、Mg、A1等形成固溶体时，其磁化率与成分呈平滑的曲等形成固溶体时，其磁化率与成分呈平滑的曲线关系这说明形成固溶体时原子之间的结合线关系这说明形成固溶体时原子之间的结合键发生了变化。如果在抗磁性金属键发生了变化。如果在抗磁性金属Cu、Ag、Au中溶入过渡族的强顺磁性的元素，如中溶入过渡族的强顺磁性的元素，如Pd，则，则将会使其磁性发生复杂变化，如图将会使其磁性发生复杂变化，如图5-10示。虽示。虽然然Pd为强顺磁金属，
49、但在含为强顺磁金属，但在含Pd量小于量小于30%时，时，却使合金的抗磁性增强却使合金的抗磁性增强(有人认为这是由于合金有人认为这是由于合金的自由电子填充了的自由电子填充了d电子壳层而使电子壳层而使Pd没有离子没有离子化造成的化造成的)，只有当含量，只有当含量Pd相当高的时候磁化率相当高的时候磁化率才变为正值，并且很快上升到才变为正值，并且很快上升到Pd所持有的高顺所持有的高顺磁值。与磁值。与Pd同族的元素同族的元素Ni和和Pt溶入溶入Cu中，也会中，也会使磁化率降低，但仍保持着微弱的顺磁性。而使磁化率降低，但仍保持着微弱的顺磁性。而Cr、Mn与与Pd却大不相同，它们溶入却大不相同，它们溶入Cu
50、中将使中将使固溶体的磁化率急剧增加，甚至比它们处于纯固溶体的磁化率急剧增加，甚至比它们处于纯金属状态时的顺磁性还强，如图金属状态时的顺磁性还强，如图5-11所示。所示。第42页/共85页图5-11Mn、Cr、Ni和Pd在Cu和Au中固溶体的磁化率第43页/共85页如果如果在抗磁性金属中加入在抗磁性金属中加入Fe、Co、Ni等铁磁性金属，则等铁磁性金属，则可使合金的可使合金的剧增，甚至在低浓度时就能成为顺磁性的剧增，甚至在低浓度时就能成为顺磁性的。研。研究合金化对金属磁性的影响，不但对了解固溶体中结合键的究合金化对金属磁性的影响，不但对了解固溶体中结合键的变化有重要意义，而且对某些要求弱磁性的仪