1、中国矿业大学 材料科学与工程学院,第三章 材料的磁学性能,顾修全,本章内容,基本磁学性能 抗磁性与顺磁性 铁磁体与反铁磁性 磁性的材料与分析,奥地利物理学家，本世纪初一位罕见的天才，对相对论及量子力学都有杰出贡献，因发现“泡利不相容原理” 而获1945年诺贝尔物理学奖。这个原理是他在1924年发现的，对原子结构的建立与对微观世界的认识有革命性的影响。,泡利有成就的研究还涉及以下几个方面：相对论量子电动力学、基本粒子的自族与统计分布律的关系、气体和金属的顺磁性（导致了金属中的电子量子论）、把单粒子的波动理论推广到多粒子、介子的解释及核力等等。在理论物理学的每个领域里，泡利几乎都做出过重要贡献。,
2、泡利（Pauli ) 1900-1958,朗道（19081968） 苏联著名的物理学家。最著名的贡献有“朗道十诫”：量子力学中的密度矩阵和统计物理学 (1927)；自由电子抗磁性的理论(1930)；二级相变的研究(19361937)；铁磁性的磁畴理论和反铁磁性的理论解释(1935)；超导体的混合态理论(1934)；原子核的几率理论(1937)；氦超流性的量子理论(19401941)；基本粒子的电荷约束理论(1954)；费米液体的量子理论(1956)；弱相互作用的CP不变性(1957)。因凝聚态特别是液氦的先驱性理论，被授予1962年诺贝尔物理学奖。,第二节 抗磁性与顺磁性,物质磁性的分类 物质
3、的抗磁性 物质的顺磁性 金属的抗磁性与顺磁性 影响因素 测量与应用,1. 物质磁性的分类,一切物质都具有磁性，任何空间都存在磁场， 只是强弱不同而已。,磁化率：材料的磁化强度M与外磁场强度H的比值。,它的大小反映了物质磁化的难易程度，也是对物质 磁性分类的主要依据。,磁体的分类,抗磁体顺磁体反铁磁体铁磁体亚铁磁体,磁化率为甚小的负常数，约为10-6数量级,磁化率为正常数，约为10-3 10-6数量级,磁化率为甚小的正常数，当T 高于某个温度时， 其行为像顺磁体。,磁化率为很大的正变数，约为10 106数量级,过渡族金属,贵金属，稀土金属，碱金属,如-Mn、铬、氧化镍、氧化锰等,铁、钴、镍,类似
4、铁磁体，但磁化率没有铁磁体那样大,四氧化三铁等,弱磁体,强磁体,M,H,铁磁性材料,亚铁磁性材料,顺磁性材料,反铁磁性材料,抗磁性材料,五类磁体的磁化曲线,0,第二节 抗磁性与顺磁性,物质磁性的分类 物质的抗磁性 物质的顺磁性 金属的抗磁性与顺磁性 影响因素 测量与应用,2. 物质的抗磁性,外加磁场所感生的 轨道矩改变,抗磁性,抗磁性是普遍存在的，它是所有物质在外磁场作用下毫不例外地具有的一种属性，大多数物质的抗磁性因为被较强的顺磁性所掩盖而不能表现出来。,产生机理,外磁场穿过电子轨道时，引起的电磁感应使 轨道电子加速。根据Lenz 定律，由轨道电子的这 种加速运动所引起的磁通，总是与外磁场变
5、化相 反，因而磁化率是负的。,郎之万顺磁性理论,每个原子内有 z 个电子，每个电子有自己 的运动轨道，在外磁场作用下，电子轨道 绕 H 进动，进动频率为，称为Lamor进 动频率。由于轨道面绕磁场进动，使电子 运动速度有一个变化v，电子轨道磁矩增 加，但方向与磁场相反，使总的电子轨 道磁矩减小。 总之，由于磁场作用引起电子轨道磁矩减小， 表现出抗磁性。,无论电子顺时针运动还是逆时针运动，所产生的附加磁矩m都与外加磁场的方向相反，故称为抗磁矩。,一个电子在外加磁场H 的作用下，产生的的抗磁矩为,式中，负号表示ml与H 的方向相反;分母me为电子质量,一个原子常有z 个电子，每个电子都要产生抗磁矩
6、，由于电子的轨道半径不同，故一个原子的抗磁矩为,任何材料在磁场作用下都要产生抗磁性，与温度、外磁场无关。从广义上来说，超导也是一种抗磁性。,第二节 抗磁性与顺磁性,物质磁性的分类 物质的抗磁性 物质的顺磁性 金属的抗磁性与顺磁性 影响因素 测量与应用,物质的顺磁性主要源于原子内部存在永久磁矩。,3. 物质的顺磁性,顺磁性描述的是一种弱磁性，它呈现出正的磁化率，大小为10-6 10-3.,C为居里常数，TP为顺磁性居里温度。,顺磁性的磁化率满足以下规律：,少部分,大部分,表示在某一个温度之上才显示顺磁性,郎之万顺磁性理论,理论的基本概念：顺磁性物质的原子间无相互作用（类似于稀薄气体状态），在无外
7、场时各原子磁矩在平衡状态下呈现出混乱分布，总磁矩为零，当施加外磁场时，各原子磁矩趋向于H方向。,顺磁磁化过程示意图 (a)无磁场 (b)弱磁场 (c)强磁场,顺磁体的分类,正常顺磁体磁化率与温度无关的顺磁体存在反铁磁体转变的顺磁体,磁化率服从居里定律或居里 外斯定律。对于存在铁磁 转变的物质，在居里点以上服从居里 外斯定律。,稀土金属，在居里点以上的铁磁金属等。,碱金属等。,过渡族金属及其合金或 它们的化合物。,反铁磁体当温度高于尼尔点（TN）时，表现为顺磁体。,第二节 抗磁性与顺磁性,物质磁性的分类 物质的抗磁性 物质的顺磁性 金属的抗磁性与顺磁性 影响因素 测量与应用,4. 金属的抗磁性与
8、顺磁性, 金属的抗磁性朗道抗磁性,按照经典理论，传导电子是不可能出现抗磁性的。因为外加磁场（由于洛伦兹力垂直于电子的运动方向）不会改变电子系统的自由能及其分布函数，因此磁化率为零。,另一经典的图象： 在外磁场作用下形成的环形电流在金属的边界上反射, 因而使金属体内的 抗磁性磁矩为表面 “破折轨道”的反向磁矩抵消，不显示抗磁性。,1930 年朗道最早指出，在量子力学理论内，这个结论是不正确的。他首先证明，外磁场作用下的回旋运动使电子的能量量子化，从连续的能级变为不连续的能级，正是这种量子化引起了导体能量随磁场强度的变化，从而表现出抗磁性。这种量子化的能级被后人称为朗道能级，由于存在朗道能级而产生
9、的抗磁性称作朗道抗磁性。固体物理 “在恒定磁场中电子的运动”一节中已经解释了这种能量量子化的起因，并且以此解释了磁化率随磁场倒数呈周期性变化的现象（德哈斯-范阿尔芬效应）。具体内容这里不再重复，下面两张图生动地反映了朗道能级以及随磁场的变化。,能级宽度随磁场变化,定性说明：黄昆书p266268,能量上升,能量不变,能量上升至最大,能量上升又开始下降,如果把电子看成符合经典统计的自由粒子，同样用类似2.2节中的方法，可以得出抗磁磁化率的表达式： （详见姜书p42-43）,N为单位体积电子数。,上式给出的 与 T 有关，这与事实不符，原因是电子气不遵从玻耳兹曼统计，而是服从费密 (Fermi) 统
10、计。不是所有电子都参与了抗磁性作用，只有费密面附近的电子才会对抗磁性有所贡献。,传导电子的抗磁磁化率,其中 TF 为费密面能级 EF 决定的费密温度。用 N代替 N后，得到,此时的磁化率与温度无关，称为朗道抗磁性。金属中的导电电子除具有抗磁性外，还同时具有不可分开的顺磁性。,索末菲电子论告诉我们，能参与贡献的电子数为 N, 金属的顺磁性泡利顺磁性,小结,第二节 抗磁性与顺磁性,物质磁性的分类 物质的抗磁性 物质的顺磁性 金属的抗磁性与顺磁性 影响因素 测量与应用,5. 影响材料抗磁性与顺磁性的因素,在外磁场作用下电子的循轨运动要产生抗磁矩；离子的固有磁矩产生顺磁矩，固有磁矩来自于未相互抵消的自
11、旋磁矩；自由电子的主要贡献是顺磁性。,1. 原子结构的影响,惰性气体：抗磁性 非金属：除氧气、石墨外，都是抗磁性 金属：复杂，与在周期表中所处的位置相关,2. 温度的影响,抗磁性：在相变温度（熔化、凝固、同素异构转变）影响抗磁磁化率；顺磁性：影响很大。,居里定律,居里-外斯定律,3. 相变及组织转变的影响,当材料发生同素异构转变时，晶格类型及原子间距发生变化，会影响电子运动状态而导致磁化率的变化。例如，正方晶格的白锡转变为金刚石结构的灰锡时，磁化率明显变化。当材料发生其他相变时，也会影响磁化率，影响的规律比较复杂。,加工硬化对金属的抗磁性影响也很明显。 加工硬化使金属的原子间距增大而密度减 小
12、，从而使材料的抗磁性减弱。例如，当 高度加工硬化时，铜可以由抗磁变为顺磁。 退火与加工硬化的作用相反，能使铜的抗 磁性重新得到恢复。,4. 合金成分与组织的影响,合金由不同元素和形式组成时对磁性会有很大的影响，形成固溶体合金时磁化率因原子之间结合的改变而有较明显的变化通常，由弱磁化率的两种金属组成固溶体时，其磁化率和成分按接近于直线的平滑曲线变化，如Al-Cu合金的固溶体等。由抗磁金属为溶剂、强顺磁金属(或铁磁金属)为溶质形成固溶体时，情况则比较复杂。当固溶体合金有序化时，由于溶剂、溶质原子呈现有规则的交替排列，使原子之间结合力随之改变，因而导致合金磁化率发生明显变化。,合金形成中间相(金属化
13、合物)时，其磁化率将发生突变。中间相结构中由于自由电子数减少，几乎无固有原子磁矩，所以中间相的抗磁性很高。,当形成两相合金时，在两相区范围内，其磁化率随成分的变化呈直线关系。,Cu-Zn合金的磁化率,磁化率随合金成分变化规律,第二节 物质的抗磁性与顺磁性,物质磁性的分类 物质的抗磁性 物质的顺磁性 金属的抗磁性与顺磁性 影响因素 测量与应用,6. 测量及应用,1）用磁秤法测量磁化率,磁称结构原理示意图,皮埃尔居里发明， 主要用于弱磁性测量。,磁秤法的优点： 不仅适合弱磁性的测量，也适用于铁磁性的测量； 可进行连续测量，如可对加热 和冷却过程中的组织的变化及合金的相分析进行跟踪研究。,2）抗磁与
14、顺磁分析的应用,材料研究：通过磁化率的变化来分析合金组织的变化，以及这些变化与温度和成分之间的关系。,(1) 确定合金相图中的最大溶解度曲线,原理：单相固溶体的顺磁性与两相混合组织的顺磁性不同，且混合物的顺磁性与合金成分之间呈直线关系的规律。,(2) 研究合金的分解,对于顺磁性合金，可以通过磁化曲线的改变研究其分解的情况。,这个方法很适于用来研究铝合金时效不同阶段的情况，对于研究奥氏体钢与铸铁用得也较多，可以测出奥氏体钢中的微量铁素体。,例：研究含铜量5%的铝合金淬火后的分解情况。,测定磁化率还可以用于研究材料有序无序转变、同素异构转变与确定再结晶温度等。,小结,抗磁性与顺磁性的特点 物理本质 郎之万顺磁性理论 弱磁性的测量方法,
