第三章-磁性材料

轨道猝灭论文物质磁性的研究是近代物理学的重要领域之一。磁性现象的范围很广泛。从微观粒子到宏观物体，以至于宇宙天体，都具有某种程度的磁性。磁性现象很早就被发现，我国人民在3000多年前就发现了磁石（Fe3O4）能相互吸引及磁石吸引铁的现象。我国古代的四大发明之一指南针即是例证。随着近代科学技术的发展，由于金属和合金磁性材料的电阻率低，损耗大，已不能满足应用的需要，尤其在高频范围。磁性无机材料科学技术除了有高电阻、低损耗的优点以外，还具备各种不同的磁学性能，因此他们在无线电电子学、自动控制、电子计算机、信息存储，激光调制等方面，都有广泛的应用。磁性无机材料一般是含铁及其他元素的复杂氧化物，通常称为铁氧体（ferrite）,它的电阻率为10—106Ω·m，属于半导体范围。目前，铁氧体已发展成为一门独立科学。一.磁性的广泛物质的磁性来源于原子的磁性。原子的磁性包括三个部分：电子的自旋磁矩、电子的轨道磁矩（由电子绕原子核的运动产生）和原子核的磁矩。原子核的磁矩一般比电子的磁矩小的多（相差三个数量级），可以忽略不计。所以原子的总磁矩是电子的自旋磁矩和轨道磁矩的总和。电子绕原子核运动产生的轨道磁矩和角动量的比值r为：电子的自旋磁矩和角动量的比值为：这表明，电子自旋运动的磁矩比轨道运动的磁矩大一倍。实验证明，原子组成分子或宏观物体后，其平均磁矩往往不等于孤立原子的磁矩，因为原子之间的相互作用会引起磁矩的变化。很多磁性材料的电子自旋磁矩要比电子轨道磁矩大。这是因为在晶体中，电子的轨道磁矩受晶体（格）场的作用，或者说轨道磁矩被“猝灭”或“冻结”了，对原子总磁矩没有贡献。所以很多固态物质的磁性主要来源于电子的自旋磁矩。根据原子核外的电子分布规则可知，在原子的同一能级轨道上可以有自旋方向相反的两个电子。每个电子的自旋会产生一个沿自旋轴方向的磁场，而两个在同一轨道上的自旋相反的电子产生的磁场会相互抵消。原则上原子中电子自旋磁矩的总和决定于原子中未成对的电子数，未成对电子数越多，则原子的磁性越强。凡是原子、离子或分子中电子都已自旋成对的物质，作为一个整体不表现出r自旋=e/meCr=e/2meC(e为电子的电荷；me为电子的质量)磁性。但是并不是所有含未成对电子的原子都会显示出磁性，要看处于不同原子间的未成对电子是否进行有效的相互交换作用，原子间的交换作用是物质具有的磁性的根本原因，它指的是近邻原子的电子相互交换位置所引起的静电作用。所以原子内存在未成对电子只是物质具有磁性的必要条件，原子间电子有效的交换作用才是充分。二.物质的宏观磁性为了说明宏观物体的磁性强弱，以单位体积的磁矩M称为磁化强度。将物体放在磁场中时，可使原来没有磁性的物质获得磁性，这种现象叫做物质的磁化。物质的磁化强度M和磁场强度H有一定的关系：M=XmH式中常数Xm称为物质的磁化率，表示在单位磁场下，物质所具有的磁化强度，也就是物质在磁场作用下磁化强弱的程度。各种物质的磁性不同，磁化率Xm是鉴别物质的参量。根据磁化率的大小，可将物质分为抗磁性，顺磁性和铁磁性等几类。1、抗磁性物质M和H的方向相反的物质称为抗磁性物质。稀有气体，许多有机化合物及某些金属元素如Zn、Cu、Ag、Au、Bi等和非金属元素，如Si、P、S、卤素等都是常见的抗磁性物质。有些抗磁性物质如稀有气体，其原子的电子层结构全充满，原子的磁性等于零。另一些抗磁性物质如有机化合物及Bi、P、S、卤素等非金属，虽然原子的磁矩不等于零，但是组成的分子总磁矩等于零。一切物质在外加磁场作用下，电子的轨道运动都要产生一个附加运动，出现一个与外加磁场H方向相反，但数值很小的感应磁矩。所以抗磁性来源于原子中电子轨道状态的变化。抗磁性物质的抗磁性一般很弱，磁化率X一般约为-10-5，为负值。抗磁性普遍存在于所有的物质中。抗磁性物质的磁化率和磁场的强弱与温度的关系无关。陶瓷材料的大多数原子是抗磁性的，周期表中前18个元素主要表现为抗磁性，这些元素构成了陶瓷材料中几乎所有的阴离子，如O2-、F-、Cl-、S2-、SO42-、CO32-、N3-、OH-等，在这些阴离子中，电子填满壳层，自旋磁矩平衡。2、顺磁性物质顺磁性物质的主要特征是，不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。但在无外加磁场时，由于顺磁物质的原子作无规则的热运动，各原子磁矩的0OM抗磁性HM顺磁性H方向是混乱的，会相互抵消，宏观来看，没有磁性。在外加磁场作用下，大多数原子磁矩处于顺着外磁场的方向，比较规则的取向宏观上就显示出很弱的磁性，或者说，物质磁化了。磁化强度M与外磁场方向一致，M为正，而且M严格的与外磁场H成正比。除少数顺磁性物质，如碱金属钠、钾的磁化率与温度无关外，大多数顺磁性物质在温度升高时，磁化率下降。X=C/T式中，C称为居里常数，取决于顺磁物质的磁化强度和磁矩大小。原子磁矩取向混乱大都是由热运动引起的，温度越高原子的热运动能量越大，要使原子磁矩转向外磁场方向越困难，Xm也越小；反之，温度越低，Xm就越大。顺磁性物质的磁化率一般也很小，室温下X约为10-5--10-3数量级。一般含有奇数个电子的原子或分子，电子未填满壳层的原子或离子，如过渡金属，稀土元素，锕系元素，还有铝、铂、碱金属、氧气等，都属于顺磁性物质。3、铁磁性物质铁磁性物质Xm〉〉0（105---103数量级）具有极高的磁化率，磁化容易达到饱和的物质，称为铁磁性物质。这类物质包括Fe、Co、Ni及它们的合金和某些化合物，以及Cr、Mn的一些合金。铁磁性物质和顺磁性物质的主要差异在于：即使在较弱的磁场内，前者也可得到极高的磁化强度，而且当外磁场移去后，仍可保持极强的磁性。铁磁性物质的原子磁矩和顺磁性物质的原子磁矩并无本质差别。例如，表现为铁磁性的Fe、Co、Ni和表现为顺磁性的Cr、Mn原子内的3d电子都是没有充满的壳层，它们的原子都有一定的磁矩。物质是否具有铁磁性，关键不在于组成物质的原子所具有的磁矩的大小，而在于形成宏观物质，原子之间相互作用的强弱不同。铁磁性物质中临近原子由于相互作用较强，内部的原子磁矩在没有外磁场作用时，就形成有序排列的现象，原子磁矩互相平行，达到一定程度的磁化，这种现象称自发磁化。铁磁性物质的自发磁化是分小区域的，在每一个小区域中，原子磁矩按同一方向平行排列，这些小区域称为磁畴。每个磁畴大约有1015个原子。这些原子的磁矩沿同一个方向排列，使每个磁畴自动磁化达到饱和状态，这种自生的磁化强度叫自发磁化强度。由于它的存在，铁磁性物质能在弱磁场下强烈地磁化。因此自发磁化是铁磁性物质的基本特征，也是铁磁性和顺磁性物质的区别所在。在物体内部，各个磁畴的自发磁化取向是各不相同的，对外效果互相抵消，因而整个物体对外不呈现出磁性。当加上外磁场时，各个磁畴的磁矩都转向外磁M铁磁性H场方向，所以只要一个不太强的磁场，就可以使铁磁性物质得到很高的磁化强度。而且在外磁场移去后，仍可保留很强的磁性，若经过磁中性化过程，则对外不呈现磁性。顺磁性物质中原子间的距离较大，原子间的电子交换作用较弱，因此没有外磁场作用时，原子磁矩不表现出定向排列。当温度升高时，由于热运动加剧，会破坏原子磁矩的整齐排列，使磁性物质自发磁化的程度降低。当升高到某一温度以上时，不再存在自发磁化，这时铁磁性物质的磁性就消失了，转化为顺磁性物质。使铁磁性物质转化为顺磁性物质的温度称为居里化温度或居里点Tc。在居里点以上，材料表现为强顺磁性，其磁化率与温度的关系服从居里----外斯定律：X=C/(T-Tc)式中C为居里常数。由此可见，物质是否具有铁磁性并非绝对，矛盾是可以相互转化的。室温下是铁磁性物质的Fe、Co、Ni加热到居里化温度时，就转变成顺磁性物质。金属Mn、Sb及As等是顺磁性物质，但当它们组成合金MnAs、MnSb时却成为铁磁性物质。