材料物理学课件

材料的磁学§1.材料的磁性概述1.1磁性材料发展简历磁性材料是一簇新兴的基础功能材料。虽然早在3000多年前我国就已发现磁石相互吸引和磁石吸铁的现象,并在世界上最先发明用磁石作为指示方向和校正时间的应用,在《韩非子》和东汉王充著的《论衡》两书中所提到的“司南”就是指此,但毕竟只是单一地应用了天然的磁性材料。人类注意于磁性材料的性能特点、制造、应用等的研究、开发的发展历史尚不到100年时间。经过近百年的发展,磁性材料已经形成了一个庞大的家族,按材料的磁特性来划分,有软磁、永磁、旋磁、记忆磁、压磁等;按材料构成来划分,有合金磁性材料,铁氧体磁性材料。公元前4世纪，中国发明了司南。后来，出现了指南车。公元前3世纪，战国时期，<<韩非子>>中这样记载：“先王立司南以端朝夕”。<<鬼谷子>>中记载：“郑人取玉，必载司南，为其不惑也”。公元1世纪，东汉，王充在<<论衡>>中写道：“司南之杓，投之于地，其柢指南”。公元11世纪，北宋，沈括在<<梦溪笔谈>>中提到了指南针的制造方法：“方家以磁石磨针锋，则能指南......水浮多荡摇，指抓及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬之最善。”同时，他还发现了磁偏角，即：地球的磁极和地理的南北极不完全重合。§1.材料的磁性概述1.1磁性材料发展简历公元17世纪，英国的吉尔伯特发表了世界上第一部磁学专著<<论磁石>>。公元18世纪，瑞典科学家在磁学著作中对磁性材料的磁化作了大胆的描绘。公元19世纪，近代物理学大发展，电流的磁效应、电磁感应等相继被发现和研究，同时磁性材料的理论出现，涌现出了象法拉第、安培、韦伯、高斯、奥斯特、麦克丝韦、赫兹等大批现代电磁学大师。20世纪初，法国的外斯提出了著名的磁性物质的分子场假说，奠定了现代磁学的基础。§1.材料的磁性概述1.1磁性材料发展简历磁介质的磁化磁介质的分类顺磁质—,同向，抗磁质—,反向，铁磁质：

，§1.材料的磁性概述1.2磁性的基本概念一、磁性的分类二、磁场强度H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H的单位为A/m§1.材料的磁性概述1.2磁性的基本概念三、磁感应强度B：表示材料在外磁场H的作用下在材料内部的磁通量密度。B的单位:T或Wb/m2在真空中，磁感应强度为式中μ0为真空磁导率，它是一个普适常数其值:4π×10-7

单位:H（亨利）/m。§1.材料的磁性概述1.2磁性的基本概念在磁介质中，磁场强度和磁感应强度的关系为式中的μ为介质的磁导率，是材料的特性常数。μ的单位为H/m。§1.材料的磁性概述1.2磁性的基本概念除了SI单位制以外，还有一种高斯（Gauss）单位制，当使用高斯单位制时，磁感应强度的表达式为这里，B的单位为高斯G，磁场强度H的单位为奥斯特Oe。磁性常数（真空磁导率）为1，单位是G/OeM是磁极密度，4πM是磁通线的密度。§1.材料的磁性概述1.2磁性的基本概念四、磁导率2.有四种表示方法：绝对磁导率µ相对磁导率µr=µ/µ0起始磁导率µi复数磁导率µ在给定激磁条件下的磁导率复数磁导率的表示方法（串联等效电路）§1.材料的磁性概述1.2磁性的基本概念3.在工程中磁导率分为：有效磁导率、永久磁导率、表观磁导率、振幅磁导率、可逆磁导率、切变磁导率、脉冲磁导率、最大磁导率等磁导率的物理意义：表示材料在单位磁场强度的外磁场作用下，材料内部的磁通量密度。是材料的特征常数。4.相对磁导率μr定义：材料的磁导率μ与真空磁导率μ0之比。μr为无量纲的参数磁化率χ与相对磁导率之间的关系§1.材料的磁性概述1.2磁性的基本概念五、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，其值等于单位体积材料中感应的磁矩大小。单位为A/m，与磁场强度H单位一致。§1.材料的磁性概述1.2磁性的基本概念§1.材料的磁性概述1.3磁性的起源一、磁矩磁源于电：环形电流周围的磁场，符合右螺旋法则，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-载流线圈的面积n-载流线圈平面的法线方向上的单位矢量§1.材料的磁性概述1.3磁性的起源OrbitalSpin轨道磁矩自旋磁矩二、产生磁矩的原因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。§1.材料的磁性概述1.3磁性的起源最基本磁矩：Bohr磁子（magneton）μB原子中每个电子的自旋磁矩为：

±μB（+为自旋向上，-为自旋向下）軌道磁矩大小则为：miμB（mi为磁量子数）三、最基本磁矩

-玻尔磁子§1.材料的磁性概述1.3磁性的起源四、原子磁矩：为原子中各电子磁矩总和原子中每个电子都可以看作是一个小磁体，具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩。

一个原子的净磁矩是所有电子磁矩的相互作用的矢量和，又称为本征磁矩或固有磁矩。电子对的轨道磁矩相互对消，自旋磁矩也可能相互对消，所以当原子电子层或次层完全填滿：磁矩为零如He,Ne,Ar以及某些离子材料。本节小结：磁感应强度B、磁场强度H、磁化强度M等几个概念的关系磁导率的概念磁性的来源：轨道磁矩与自旋磁矩玻尔磁子、净磁矩§1.材料的磁性概述

1.抗磁性：没有固有原子磁矩

2.顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用

3.铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用

4.反铁磁性：有磁矩，直接交换相互作用

5.亚铁磁性：有磁矩，间接交换相互作用

6.自旋玻璃和混磁性：有磁矩，RKKY相互作用

7.超顺磁性：磁性颗粒的磁晶各向异性与热激发的竞争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。§2.物质的各类磁性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：§2.物质的各类磁性2.1抗磁性二、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μr

＜1，磁化率χ＜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χ约为-10-5数量级。所有材料都有抗磁性。因为它很弱，只有当其它类型的磁性完全消失时才能被观察。如Bi,Cu,Ag,Au有些固体的原子具有本征磁矩；无外磁场作用时，材料中的原子磁矩无序排列，材料表现不出宏观磁性；受外磁场作用时，原子磁矩能通过旋转而沿外场方向择优取向，表现出宏观磁性，这种磁性称为顺磁性。§2.物质的各类磁性2.2顺磁性一、定义：§2.物质的各类磁性2.2顺磁性在此材料中，原子磁矩沿外磁场方向排列，磁场强度获得增强，磁化强度为正值，相对磁导率μr

＞1，磁化率为正值。磁化率χ＞0，也很小，只有10-5～10-2。抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说都视为无磁性。它们只有在外磁场存在下才被磁化，且磁化率极小。二、特征：有些磁性材料在外磁场作用下产生很强的磁化强度。外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性，这种磁性称为铁磁性。过渡金属铁、钴、镍和某些稀土金属如钆、钇、钐、铕等都具有铁磁性。此材料的磁化率可高达103，M>>H材料是否具有铁磁性取决于两个因素：(1)原子是否具有由未成对电子，即自旋磁矩贡献的净磁矩(本征磁矩)(2)原子在晶格中的排列方式§2.物质的各类磁性2.3铁磁性铁、钴、镍等过渡元素都具有未成对的3d电子。分别具有4、3和2的净磁矩。铁、钴、镍金属在室温下具有自发磁化的倾向（交换作用）。形成相邻原子的磁矩都向一个方向排列的小区域，称为磁畴。Transitionalmetal-Unfilledd-,f-OrbitalsLeadtoLargeMagneticMoments!§2.物质的各类磁性2.3铁磁性在有些材料中，相邻原子或离子的磁矩呈反方向平行排列，结果总磁矩为零，叫反铁磁性。反铁磁性物质有某些金属如Mn，Cr等，某些陶瓷如MnO，NiO等以及某些铁氧体如ZnFe2O4等。以氧化锰(MnO)为例，它是离子型陶瓷材料，由Mn2+和O2-离子组成

O2-离子没有净磁矩，因为其电子的自旋磁矩和轨道磁矩全都对消了；Mn2+离子有未成对3d电子贡献的净磁矩在MnO晶体结构中，相邻Mn2+离子的磁矩都成反向平行排列，结果磁矩相互对消，整个固体材料的总磁矩为零§2.物质的各类磁性2.4反铁磁性亚铁磁性在宏观性能上与铁磁性类似，区别在于亚铁磁性材料的饱和磁化强度比铁磁性的低。成因是由于材料结构中原子磁矩不象铁磁体中那样向一个方向排列，而是呈反方向排列，相互抵消了一部分。§2.物质的各类磁性2.5亚铁磁性以立方铁氧体为例说明亚铁磁性的本质立方铁氧体的用化学式MFe2O4，其中的M为某种金属元素磁铁矿Fe3O4就是一种亚铁磁体Fe3O4可以写成Fe2+O2--(Fe3+)2(O2-)3其中二价铁离子和三价铁离子的比例为1:2每个Fe2+和Fe3+都具有净自旋磁矩，分别为4和5O2-是无磁矩的§2.物质的各类磁性2.5亚铁磁性§3.抗磁性与顺磁性理论3.1抗磁性理论

1905年郎之万在经典统计理论基础上,首先给出了第一个顺磁性理论,其理论要点如下:设顺磁物质中每个原子(或磁离子)的固有磁矩为，而且原子之间没有相互作用；当外磁场H=0,各原子磁矩受热扰动的影响,在平衡态时，其方向是无规分布的，所以体系的总磁矩M=0；外加磁场H时，原子磁矩趋近于磁场H方向，磁化强度正比与外磁场。§3.抗磁性与顺磁性理论3.2顺磁性理论设第i个原子的磁矩为，单位体积内个N原子，外加磁场为H，则根据经典统计理论可推导出磁化强度与磁场强度、温度的关系式为上式即为顺磁性朗之万方程。§3.抗磁性与顺磁性理论3.2顺磁性理论（1）高温情况：

在高温下，kBT

»μJ·H，所以α

«1式中C为居里常数，顺磁材料的居里定律：§3.抗磁性与顺磁性理论3.2顺磁性理论根据χ-T实验曲线斜率的倒数，便可从实验上测出居里常数,再代入居里常数的定义式，就得到每个原子磁矩的大小。§3.抗磁性与顺磁性理论3.2顺磁性理论（2）

低温情况下或在磁场非常强的条件下

这时，μH»kT，即α»1L（α）=0

因而得到：M=N·μJ=Ms（饱和磁化强度）郎之万最早从理论上推导出居里定律，他开创了从微观出发，用统计方法研究物质磁性的道路。然而，他的理论没有考虑到磁矩在空间的量子化，因而与实验结果相比，在定量上有较大的差别。§3.抗磁性与顺磁性理论3.2顺磁性理论

不是常数，随而变有剩磁现象有居里温度（），铁磁质顺磁质:，:材料是否具有铁磁性取决于两个因素：(1)原子是否具有由未成对电子，即自旋磁矩贡献的净磁矩(本征磁矩)(2)原子在晶格中的排列方式§4.铁磁性理论4.1铁磁性一、铁磁性材料的决定因素材料是否具有自发磁化形成磁畴的倾向与晶格中原子间距与它的3d轨道直径之比有关。比值在1.4～2.7之间的材料，如铁、钴、镍等有形成磁畴的倾向，是铁磁性材料。比值在1.4～2.7之外的材料，如锰、铬等虽然也有未成对的3d电子贡献的净磁矩，但由于没有自发磁化形成磁畴的倾向，故成为非铁磁性材料。铁磁性材所能达到的最大磁化强度叫做饱和磁化强度，用Ms表示。§4.铁磁性理论4.1铁磁性

对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温度Tc，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性或亚铁磁性。所以，居里温度是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点，铁磁态或亚铁磁态顺磁态Tc二、铁磁性材料的居里温度§4.铁磁性理论4.1铁磁性铁磁体的居里温度-应用实例

利用这个特点，人们开发出了很多控制元件。例如，我们使用的电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105度的磁性材料。当锅里的水分干了以后，食品的温度将从100度上升。当温度到达大约105度时，由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。§4.铁磁性理论4.1铁磁性§4.铁磁性理论4.1铁磁性所谓磁畴，是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，它也就不能吸引其它磁性材料。也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。三、磁畴任何铁磁体和亚铁磁体，在温度低于居里温度Tc时，都是由磁畴组成的。磁畴是自发磁化到饱和（即其中的磁矩均朝一个方向排列）的小区域。相邻磁畴之间的界线叫磁畴壁磁畴壁是一个有一定厚度的过渡层，在过渡层中磁矩方向逐渐改变。§4.铁磁性理论4.1铁磁性既然磁畴内部的磁矩排列是整齐的，那么在磁畴壁处原子磁矩又是怎样排列的呢？在畴壁的一侧，原子磁矩指向某个方向，假设在畴壁的另一侧原子磁矩方向相反。那么，在畴壁内部，原子磁矩必须成某种形式的过渡状态。实际上，畴壁由很多层原子组成。为了实现磁矩的转向，从一侧开始，每一层原子的磁矩都相对于磁畴中的磁矩方向偏转了一个角度，并且每一层的原子磁矩偏转角度逐渐增大，到另一侧时，磁矩已经完全转到和这一侧磁畴的磁矩相同的方向。

§4.铁磁性理论4.1铁磁性磁畴的线尺寸：通常约为0.1～0.01cm对于多晶体可能其中的每一个晶粒都是由一个以上的磁畴组成的；因此一块宏观的样品包含许许多多个磁畴；每一个磁畴都有特定的磁化方向；整块样品的磁化强度则是所有磁畴磁化强度的向量和。在一块不经外磁场磁化的样品中、磁畴的取向是无序的，故磁畴的向量之和为零，因此，整块磁体对外不显示磁性。§4.铁磁性理论4.1铁磁性1.装置：环形螺绕环;铁磁Fe,Co,Ni及稀钍族元素的化合物，能被强烈地磁化。实验测量B,如用感应电动势测量或用小线圈在缝口处测量；由得出曲线。2.原理：励磁电流I;

用安培定理得H。当外磁场变化一个周期时，铁磁质内部的磁场变化曲线如图所示；§4.铁磁性理论4.1铁磁体的磁化曲线一、磁化曲线的实验测定§4.铁磁性理论4.1铁磁体的磁化曲线3.磁化曲线的三种形式铁磁与亚铁磁B-H曲线（亚）铁磁体磁化时，磁化强度M(B)与磁场强度H间不是简单的线性比例关系；磁化强度M(B)随H的变化如右图所示(假设样品在一开始已经退磁化)。H增加，磁域界移动，磁域逐渐改变，磁矩方向转向，渐与磁场平行，单一磁域（饱和磁化）

§4.铁磁性理论4.1铁磁体的磁化曲线二、磁化曲线与磁畴的关系M(B)与H的变化关系开始M的增加比较缓慢后来增加较快最后达到Ms(饱和磁化强度)纵坐标改为磁感应强度B，则对应于平衡值Ms的磁感应强度值称为饱和磁感应强度(Bs）磁导率μ随H的变化磁导率μ是B-H曲线上的斜率在B-H曲线上，当H→0时的斜率称为初（起）始磁导率µi初（起）始磁导率是磁性材料的重要性能指标之一§4.铁磁性理论4.1铁磁体的磁化曲线磁化状态下的磁体中的静磁能量§4.铁磁性理论4.1铁磁体的磁化曲线样品磁化到饱和点之后，慢慢地减小H，则M也减小。这个过程叫退磁化过程。M(B)的变化并不是按磁化曲线的原路程退回，而是按另一条曲线变化。§4.铁磁性理论4.1铁磁体的磁化曲线三、磁滞回线§4.铁磁性理论4.1铁磁体的磁化曲线BHoc起始磁化曲线为oc,当外磁场减小时，介质中的磁场并不沿起始磁化曲线返回，而是滞后于外磁场变化，

——磁滞现象。HcBrHc当外磁场为0时，介质中的磁场并不为0，有一剩磁Br;矫顽力——加反向磁场Hc，使介质内部的磁场为0，继续增加反向磁场，介质达到反向磁饱和状态；改变外磁场为正向磁场，不断增加外场，介质又达到正向磁饱和状态。磁化曲线形成一条磁滞回线。结论铁磁质的不是一个常数，它是的函数。B的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应。§4.铁磁性理论4.1铁磁体的磁化曲线§4.铁磁性理论4.1铁磁体的磁化曲线四、磁滞回线与磁畴的关系

在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁质不显磁性；在外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场迅速增加，在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。Bo磁畴：铁磁质中由于原子的强烈作用，在铁磁质中形成磁场很强的小区域——磁畴。磁畴的体积约为10-12m3

。§4.铁磁性理论4.2铁磁体的磁化机制一、磁畴的转向随着外磁场增加，能够提供转向的磁畴越来越少，铁磁质中的磁场增加的速度变慢，最后外磁场再增加，介质内的磁场也不会增加，铁磁质达到磁饱和状态。HBoabcd起始磁化曲线饱和磁化强度MS等于每个磁畴中原来的磁化强度，该值很大，这就是铁磁质磁性

r大的原因。

磁滞现象是由于掺杂和内应力等的作用，当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状，而表现出来。§4.铁磁性理论4.2铁磁体的磁化机制磁饱和状态磁滞损耗磁滞回线所包围的面积表征一个磁化周期内，以热的形式所消耗的功(J/m3)。最大的磁能积(BH)max它是磁滞回线在第二象限内磁感应强度和磁场强度乘积的最大值。§4.铁磁性理论4.2铁磁体的磁化机制二、磁滞损耗与最大磁能积磁化，未必一定要磁化到饱和后才改变外磁场方向。在右图中，封闭曲线即是未达到饱和时的磁滞回线。也可以在将材料磁化到任何一点时开始改变外磁场的方向，产生其它形式的滋滞回线，如右图中的封闭曲线LM。如果要将已磁化的铁磁体或亚铁磁体去磁，有效方法之一是使之经受一个振幅逐渐减小的交变磁场的作用。三、磁化程度§4.铁磁性理论4.2铁磁体的磁化机制(1)加热法当铁磁质的温度升高到某一温度时，磁性消失，由铁磁质变为顺磁质，该温度为居里温度tc。当温度低于tc时，又由顺磁质转变为铁磁质。铁的居里温度Tc=770°C

30%的坡莫合金居里温度Tc=70oC原因：由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧，提供了磁畴转向的能量，使铁磁质失去磁性。四、退磁方法(2)敲击法：通过振动可提供磁畴转向的能量，使介质失去磁性。如敲击永久磁铁会使磁铁磁性减小。(3)加反向磁场法：加反向磁场，提供一个矫顽力Hc,使铁磁质退磁。(4)加交变衰减的磁场：使介质中的磁场逐渐衰减为0，应用在录音机中的交流抹音磁头中。§4.铁磁性理论4.2铁磁体的磁化机制§4.铁磁性理论4.2铁磁性的物理本质(1)软磁材料具有较高的磁导率和较高的饱和磁感应强度；较小的矫顽力（矫顽力很小，即磁场的方向和大小发生变化时磁畴壁很容易运动）和较低磁滞损耗，磁滞回线很窄；在磁场作用下非常容易磁化；取消磁场后很容易退磁化象软铁、坡莫合金、硒钢片、铁铝合金、铁镍合金等。由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如变压器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软件磁性材料制成。§4.铁磁性理论4.4铁磁材料分类软磁材料主要应用制造磁导体，变压器、继电器的磁芯(铁芯)、电动机转子和定子、磁路中的连接元件、磁极头、磁屏蔽材料、感应圈铁芯、电子计算机开关元件和存储元件等。软磁材料的应用要求

要求软磁材料的电阻率比较高因为使用中除上述磁滞能量损失之外，还可能因磁场变化在磁性材料中产生电流（涡流）而造成能量损失。为了尽量减少后一种能量损失，要求磁性材料的电阻率较高，因此常用固溶体合金（如铁-硅、铁-镍合金）和陶瓷铁氧体作软磁材料。§4.铁磁性理论4.4铁磁材料分类§4.铁磁性理论4.4铁磁材料分类(2)硬磁材料硬磁材料又称永磁材料，难于磁化又难于退磁。主要特点具有较大的矫顽力，典型值Hc＝104～106A/m；磁滞回线较粗，具有较高的最大磁能积(BH)max；剩磁很大；这种材料充磁后不易退磁，适合做永久磁铁。硬磁性材料如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。§4.铁磁性理论4.4铁磁材料分类硬磁材料主要应用用于制造各种永磁体，以便提供磁场空间；可用于各类电表和电话、录音机、电视机中以及利用磁性牵引力的举重器、分料器和选矿器中。铝镍钴合金硬磁材料六方铁氧体硬磁材料稀土永磁材料一类是钕铁硼(Nd-Fe-B)系合金，是目前工业用硬磁材料最大磁能积最高者。其主要缺点是温度稳定性和抗腐蚀性稍差。一类是钴基稀土永磁材料，主要代表是SmCo5烧结永磁体和Sm2Co17多相沉淀硬化永磁材料。它们的缺点是脆，加工性稍差。§4.铁磁性理论4.4铁磁材料分类§4.铁磁性理论4.4铁磁材料分类(3)非金属氧化物----铁氧体铁氧体是含铁酸盐的陶瓷氧化物磁性材料，一般呈现出亚铁磁性。磁滞回线呈矩形，又称矩磁材料，剩磁接近于磁饱合磁感应强度具有高磁导率、高电阻率由Fe2O3和其他二价的金属氧化物（如NiO，ZnO等粉末混合烧结而成。可作磁性记忆元件§4.铁磁性理论4.4铁磁材料分类尖晶石铁氧体：属立方晶系，化学式为Fe3+(Fe2+M2+)O4磁铅石铁氧体：属六方晶系，与反尖晶石类似，AB12O19表示。最普通的六方铁氧体：PbFe12O19和BaFe12O19石榴石型铁氧体的结构属立方晶系化学一般式可写为M3Fe5O12，其中M代表稀土离子，如：衫、铕、钆或钇等。§4.铁磁性理论4.4铁磁材料分类§4.铁磁性理论4.4铁磁材料分类材料的电学1.电导的物理现象

1.1电导的宏观参数Flowofelectronsinthemetaltothepositiveelectrode,astheeffectofapplyingavoltageSimplepictureofmetallicbonding:highnumberofelectronsinbetweentheionsEnergyscheme:PositiveendoftherodhasalowerenergythanthenegativeendWhynotalltheelectronsmovetothepositiveterminal?对一截均匀导电体，存在如下关系：欧姆定律欧姆定律微分形式1.电导的物理现象

1.1电导的宏观参数AreaLengthi一、电阻率（电导率）二、表面电阻、体积电阻1.电导的物理现象

1.1电导的宏观参数1.对板状样品1.电导的物理现象

1.1电导的宏观参数2.对管状样品1.电导的物理现象

1.1电导的宏观参数3.对圆片状样品1.电导的物理现象

1.1电导的宏观参数1.二探针法（2-ProbeConductivityMeasurements）VLAR=Rsample+RcontactR=V/Ir

=(RA)/LICangiveerroneousvaluesifcontactresistance,Rcontact,isnotnegligiblewithrespecttoRsampleOhmeter特征：适用于高导电率材料响消除电极非欧姆接触对测量的影响1.电导的物理现象

1.1电导的宏观参数三、电阻测试方法I=V1/R1Rsample=V2/IRsample=(V2R1)/V1r

=Rsample(A/L)特征：样品尺寸较大一般用来测量半导体材料的方阻。LAIV2V1R1CurrentSourceOhmeters1.电导的物理现象

1.1电导的宏观参数2.四探针法（4-ProbeConductivityMeasurements）四、材料的电阻1.电导的物理现象

1.1电导的宏观参数ResistivitiesofRealMaterials1.电导的物理现象

1.1电导的宏观参数四、材料的电阻电流是电荷在空间的定向运动。任何一种物质，只要存在带电荷的自由粒子——载流子，就可以在电场下产生导电电流。金属中：自由电子无机材料中：电子（负电子/空穴）——电子电导离子（正、负离子/空穴）——离子电导1.电导的物理现象

1.2电导的物理特性一、载流子二、迁移率1.电导的物理现象

1.2电导的物理特性电子电导的特征是具有霍尔效应。置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势差，这种现象称霍尔效应。

霍尔系数（又称霍尔常数）RH

在磁场不太强时，霍尔电势差UH与激励电流I和磁感应强度B的乘积成正比，与霍尔片的厚度δ成反比，即式中的RH称为霍尔系数，它表示霍尔效应的强弱。1.电导的物理现象

1.2电导的物理特性三、霍尔效应1.电导的物理现象

1.2电导的物理特性霍尔效应的起源：源于磁场中运动电荷所产生的洛仑兹力，导致载流子在磁场中产生洛仑兹偏转。该力所作用的方向即与电荷运动的方向垂直，也与磁场方向垂直。JxEyHz1.电导的物理现象

1.2电导的物理特性

霍尔系数RH=μ*ρ，即霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率ρ与电子迁移率μ的乘积。霍尔系数RH有如下表达式：对于半导体材料：n型：p型：离子电导的特征是具有电解效应。利用电解效应可以检验材料是否存在离子导电可以半顶载流子是正离子还是负离子1.电导的物理现象

1.2电导的物理特性四、电解效应1.电导的物理现象

1.2电导的物理特性

纯金属电阻率理论研究是认识和理解电子与声子相互作用的最典型的例子之一,也是超导的理论基础。包括J.Bardeen在内的不少人对纯金属电阻率与温度奇异的依赖关系进行过深入的理论研究，但“处理方法、数学积分及至结果表达式都是相当令人生畏的。”“Themanipulation,integrationandresultingexpressionsareratherformidable.”[R.J.ElliotandA.F.Gibson,AnIntroductiontoSolidStatePhysicsanditsApplications,311(1976)]，这些研究内容难以以基础课的内容向学生们讲授，高低温电阻率温度依赖性的奇异特性，其物理机理也不甚明了。问题：能否用更简单明了的模型来揭示纯金属电阻率与温度的依赖关系？一、电阻率研究的重要性及前人的工作2.金属的导电性

2.1金属导电机制基础一第三章中晶格热容是一个宏观物理量，是晶格振动的统计平均效应。爱因斯坦采取了一个平均频率的简单模型，取得了很成功的结果。电阻率也是一个宏观物理量，是电子与声子作用的统计平均效应。是否可采取平均声子的模型来处理纯金属电阻率问题呢？所谓平均声子模型，是假定声子系统由平均声子来构成，在这个系统中，每个声子的动量等于原声子系统中声子的平均动量。我们知道，对电导有贡献的只是费密面上的电子，因此纯金属电阻率可看成是费密面上的电子与平均声子相互碰撞的结果。2.金属的导电性

2.1金属导电机制基础二

已知，立方晶系金属的电阻率

（1）

电子浓度，电子电荷e，而费密面上电子的有效质量可看成与温度无关。可见电阻率与温度的依赖关系，取决于弛豫时间的倒数与温度的依赖关系。由固体物理知识可知.2.金属的导电性

2.1金属导电机制

采用平均声子模型,上式简化成

（2）其中是一常数，是除态外，费密面上其它电子态的总和，是电子与一个平均声子碰撞所产生的散射角。因此，对的分析，就转换成对因子和的分析。2.金属的导电性

2.1金属导电机制二、金属自由电子论费密面附近电子的平均速度,是一常数;按照德拜模型,声子的速度为金属的声速,也是常数。所以。2.求考虑正常散射过程，由下图可知2.金属的导电性

2.1金属导电机制于是（2）式变成

电阻率变成

(3)因为是声子的平均动量，由此推出重要结论：纯金属的电阻率与声子浓度和声子平均动量的平方成正比。

2.金属的导电性

2.1金属导电机制

声子的平均动量

(5)

取变量变换

,2.金属的导电性

2.1金属导电机制

将以上诸式代入(3)式得

,(6)其中常数

2.金属的导电性

2.1金属导电机制

高温时,x=（

/T）0，

ex

1+x,得到

(7)

在甚低温时,x=（

/T）

,

得到

=17.6A(8)

可见由平均声子模型得到的理论结果与实验规律是相符的.2.金属的导电性

2.1金属导电机制本节是认识和理解电子与声子相互作用的最典型的例子之一。费密面上的电子遭受声子散射是纯金属具有电阻率的根源。纯金属的电阻率与声子浓度和声子平均动量的平方成正比。此结论把纯金属的电阻率与声子的参数联系了起来。小节2.金属的导电性

2.1金属导电机制三、马基申定则（Matthissen’sLaw）2.金属的导电性

2.1金属导电机制2.金属的导电性

2.2温度对电阻率的影响2.金属的导电性

2.3压力对电阻率的影响2.金属的导电性

2.4固溶体的导电性2.金属的导电性

2.4固溶体的导电性2.金属的导电性

2.4固溶体的导电性2.金属的导电性

2.4固溶体的导电性3.半导体的导电性

3.1半导体的能带结构3.半导体的导电性

3.1半导体的能带结构3.半导体的导电性

3.2本征半导体与杂质半导体一、本征半导体二、杂质半导体3.半导体的导电性

3.2本征半导体与杂质半导体3.半导体的导电性

3.3p-n结的整流特性一、p-n结的定义3.半导体的导电性

3.3p-n结的整流特性二、p-n结的结构3.半导体的导电性

3.3p-n结的整流特性三、p-n结的物理本质3.半导体的导电性

3.4晶体管的放大效应一、晶体管的类型3.半导体的导电性

3.4晶体管的放大效应二、晶体管的结构3.半导体的导电性

3.4晶体管的放大效应三、晶体管的工作原理4.材料的介电性

4.1电介质概述一、电介质的定义电介质的本质特征是以极化的方式传递、存储或记录电场的作用和影响，介电常数是表征电介质的最基本的参量。陶瓷的介电性能决定于感应极化的产生及其随时间的建立过程，而介电常数随频率和温度的变化是决定电介质应用的重要因素。在讨论电介质的极化时，通常针对各向同性线性均匀电介质在电场中的行为。所说的均匀是指电介质的性质不随空间坐标发生变化，所说的各向同性是指电介质的参数不随场量的方向发生变化，线性是指电介质的参数不随场量的数值发生变化。4.材料的介电性

4.1电介质概述4.材料的介电性

4.1电介质概述二、电介质材料高频电容器陶瓷（即I类介质陶瓷）和微波介质陶瓷，通常都是线性电介质。而铁电体（铁电陶瓷）则表现出电学非线性，通常称为非线性电介质。单晶材料为各向异性电介质，陶瓷材料通常被视为各向同性电介质，但经极化处理后的压电陶瓷则表现出各向异性。各向异性电介质通常用张量来描述其物理性质。4.材料的介电性

4.2电介质的极化一、电介质的极化定义导体中的自由电荷在电场作用下定向运动，形成传导电流。但在电介质中，原子、分子或离子中的正负电荷则以共价键或离子键的形式被相互强烈地束缚着，通常称为束缚电荷。注意：铁电体中自发极化的产生是不需要外加电场诱导的，完全是由特殊晶体结构诱发的。

在电场作用下，正、负束缚电荷只能在微观尺度上作相对位移，不能作定向运动。正负束缚电荷间的相对偏移，产生感应偶极矩。在外电场作用下,电介质内部感生偶极矩的现象，称为电介质的极化。电介质在电场作用下的极化程度用极化强度矢量P表示，极化强度P是电介质单位体积内的感生偶极矩，可表示为：极化强度的单位为库仑/米2(C/m2)宏观上无限小微观上无限大的体积元每个分子的电偶极矩4.材料的介电性

4.2电介质的极化说明：1.真空中P

=0

，真空中无电介质。2.导体内P

=0，导体内不存在电偶极子。注意:介质极化也有均匀极化与非均匀极化之分。3.电偶极子排列的有序程度反映了介质被极化的程度，排列愈有序说明极化愈烈4.材料的介电性

4.2电介质的极化4.材料的介电性

4.2电介质的极化二、极化类型弹性位移极化（瞬时极化）取向极化（弛豫极化）电子位移极化（ElectronicPolarizability）

Responseisfast,Responseisfast,τissmall离子位移极化（IonicPolarizability）

Responseisslower偶极子取向极化（DipolarPolarizability）

Responseisstillslower空间电荷极化(SpaceChargePolarizability)

Responseisquiteslow,τislarge4.材料的介电性

4.2电介质的极化4.材料的介电性

4.2电介质的极化4.材料的介电性

4.2电介质的极化4.材料的介电性

4.2电介质的极化原子和离子的电子位移极化率与温度无关。注意：离子位移极化率与正负离子半径和的立方成正比，与电子位移极化率有大体相同的数量级，随温度升高，离子间距离增大，相互作用减弱，力常数K减小，因此离子位移极化率随温度升高而增大，但增加甚微。偶极子取向极化率与温度成反比，随温度升高而下降。偶极子取向极化率比电子位移极化率大得多，约为10－38F.m2.。介电性能的温度特性对于介电材料的实际应用至关重要，如介电常数温度系数是衡量电介质陶瓷性能的重要指标之一。4.材料的介电性

4.2电介质的极化不同电介质因极化机制不同,通常表现出不同介电常数.

气体:单原子,电子位移极化,

r=1+n0

/

0

极性分子气体:

=

e+

=e+

02/3KT

非极性液体和固体电介质,

r=2

2.5

极性液体电介质,

=

e+

=

e+

02/3KT,

r>2.5

离子晶体一、基本介电关系在各向同性的线性电介质中,极化强度P与电场强度E成正比，且方向相同，即P=

0E

---电介质的极化率，对于均匀电介质

是常数，对于非均匀电介质则是空间坐标的函数。

定量表示电介质被电场极化的能力，是电介质宏观极化参数之一。4.材料的介电性

4.3电介质的物理参数基本介电关系：电位移矢量与电场强度和极化强度之间的关系为:D=

0E+P,适用于各类电介质。D=

0E+P＝

0E＋

0E＝（1＋

）

0E,令（1＋

）

0

＝

0

r=

，则有D=

E,仅适用于各向同性线性电介质

和

r分别为电介质的介电常数和相对介电常数。一、基本介电关系4.材料的介电性

4.3电介质的物理参数一、基本介电关系4.材料的介电性

4.3电介质的物理参数从微观上,极化强度是电介质单位体积中所有极化粒子偶极矩的向量和,P=n0.

,对线性极化,

=

Ee,

---原子分子离子的极化率,Ee---有效电场上式表示了电介质中与极化有关的宏观参数(

、

r、E）与微观参数(

、n0、Ee)之间地关系。

电介质极化的宏观参数与微观参数的关系

4.材料的介电性

4.3电介质的物理参数二、介电常数在交变电场下，由于介质的极化建立需要一定时间，在实际电介质中会产生损耗，因此介电响应需用复介电常数描述其中，表示损耗，称为损耗因子，是表示电介质损耗的特征参数，其中

为电导率。在实际应用中，通常用损耗角正切表示电介质在交变电场下的损耗，4.材料的介电性

4.3电介质的物理参数三、介电弛豫弛豫过程：一个宏观系统由于周围环境的变化或受到外界的作用而变为非热平衡状态，这个系统再从非平衡状态过渡到新的热平衡态的整个过程就称为弛豫过程。弛豫过程实质上是系统中微观粒子由于相互作用而交换能量，最后达到稳定分布的过程。弛豫过程的宏观规律决定于系统中微观粒子相互作用的性质。因此，研究弛豫现象是获得这些相互作用的信息的最有效途径之一。4.材料的介电性

4.3电介质的物理参数四、介电损耗电介质在电场作用下的往往会发生电能转变为其它形式的能（如热能）的情况，即发生电能的损耗。常将电介质在电场作用下，单位时间消耗的电能叫介质损耗。

电介质在电场作用下的往往会发生电能转变为其它形式的能（如热能）的情况，即发生电能的损耗。常将电介质在电场作用下，单位时间消耗的电能叫介质损耗。

4.材料的介电性

4.3电介质的物理参数4.材料的介电性

4.4电介质的击穿击穿场强——电介质所能承受的不被击穿的最大场强。击穿电压——电介质（或电容器）击穿时两极板的电压。电介质的击穿一般外电场不太强时，电介质只被极化，不影响其绝缘性能。当其处在很强的外电场中时，电介质分子的正负电荷中心被拉开，甚至脱离约束而成为自由电荷，电介质变为导电材料。当施加在电介质上的电压增大到一定值时，使电介质失去绝缘性的现象称为击穿(breakdown)。5.材料的超导性

5.1超导特性什么是超导体？1.零电阻将超导体冷却到某一临界温度（TC）以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象。不同超导体的临界温度各不相同。例如，汞的临界温度为4.15K（K为绝对温度，0K相当于零下273℃），而高温超导体YBCO的临界温度为94K。5.材料的超导性

5.1超导特性2.完全抗磁性当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强度为零。超导体的这种特殊性质被称为“迈斯纳效应”。迈斯纳效应与零电阻现象是超导体的两个基本特性，它们既互相独立，又密切联系。

5.材料的超导性

5.1超导特性3.超导态的临界参数温度（TC）——超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。临界电流密度（JC）——通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。临界磁场（HC）——施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导体的超导性。以上三个参数彼此关联，其相互关系如右图所示。

5.材料的超导性

5.2超导体分类目前已查明在常压下具有超导电性的元素金属有32种（如右图元素周期表中青色方框所示），而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种（如右图元素周期表中绿色方框所示）。

第I类超导体第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、鎘、锡、铟等，该类超导体的溶点较低、质地较软，亦被称作“软超导体”。其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态，并且具有完全抗磁性。第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值。5.材料的超导性

5.2超导体分类5.材料的超导性

5.2超导体分类第II类超导体除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。第II类超导体和第I类超导体的区别主要在于：第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态（混合态）第II类超导体的混合态中有磁通线存在，而第I类超导体没有；第II类超导体比第I类超导体有更5.材料的超导性

5.2超导体分类第II类超导体根据其是否具有磁通钉扎中心而分为理想第II类超导体和非理想第II类超导体。理想第II类超导体的晶体结构比较完整，不存在磁通钉扎中心，并且当磁通线均匀排列时，在磁通线周围的涡旋电流将彼此抵消，其体内无电流通过，从而不具有高临界电流密度。非理想第II类超导体的晶体结构存在缺陷，并且存在磁通钉扎中心，其体内的磁通线排列不均匀，体内各处的涡旋电流不能完全抵消，出现体内电流，从而具有高临界电流密度。在实际上，真正适合于实际应用的超导材料是非理想第II类超导体。5.材料的超导性

5.2超导体分类材料的光学1光是电磁波2光的折射与反射3光的吸收与散射4光的偏振应用电磁场理论说明光的基本现象和规律光波与物质在界面处的相互作用光波在介质中与物质原子的相互作用光矢量和光的各种偏振态•几何光学(geometricaloptics)•波动光学(waveoptics)•量子光学(quantumoptics)回顾与总结光的现象光的微粒说光的波动说光的电磁说光的波粒二象性光的直线传播光的传播速度光的反射光的折射光的干涉光的衍射电磁波谱光谱?§1.光的基本性质

引言：（1）微粒学说(corpusculartheory)（2）波动学说(undulatorytheory)（3）光——具有波粒二象性的物质粒子性：光子(Photon)

：E=hν=hc/λ一电磁波是矢量波电磁波＝交变电磁状态的传播设一平面电磁波由麦克斯韦理论可得：真空中的电磁波§1.光的基本性质1.1电磁辐射

同理：当电场振动沿轴正向传播时，有反映该振动的平面简谐波用麦氏电磁场方程组可推出§1.光的基本性质1.1电磁辐射

在真空中：

在介质中：§1.光的基本性质1.1电磁辐射

折射率(refractiveindex)二电磁波的性质(1)电磁波是横波振动量与波速构成相互垂直的右手螺旋关系。(2)电磁波的偏振性分别在各自的平面上振动。旋光现象。§1.光的基本性质1.1电磁辐射

(3)电场与磁场同相变化振幅之间满足电、磁场分量与电磁波传播方向互相垂直§1.光的基本性质1.1电磁辐射

(4)电磁波的能量§1.光的基本性质1.1电磁辐射

•电磁波的能流密度•坡印廷矢量•电磁波的强度§1.光的基本性质1.1电磁辐射

电磁波具有各种频率：无线电，微波，红外线，可见光，紫外线，射线和射线等。•可见光(visiblelight)——能够引起人的视觉的电磁波。§1.光的基本性质1.2电磁波谱

光色波长(nm)

频率(Hz)中心波长(nm)

红760~622660

橙622~597610

黄597~577570

绿577~492540

青492~470480

兰470~455460

紫455~400430可见光七彩颜色的波长和频率范围人眼最为敏感的光是黄绿光，即附近。§1.光的基本性质1.2电磁波谱

电磁波光谱§1.光的基本性质1.2电磁波谱

无线电波－波长比可见光长得多，不能引起人的视觉，可以引起电子的振荡。由于波长很长，一个金属网笼，甚至桥梁上的钢架就可以将其阻止。微波－波长范围分布从毫米到几十厘米，他们在食物里很容易被水分子吸收，可是食物迅速被加热。红外线（IR）－分布在微波和可见光之间，且仅能够在它聚集热的地方探测到。蛇和其他一些生物对红外线很敏感；红外线不能透过玻璃，这一特性可以解释温室效应：晴天时，经过温室玻璃的可见光被植物吸收，而红外线被再次辐射，被玻璃捕获的红外线引起温室内部的温度升高，整个宇宙充满了宇宙大爆炸时残留的冷却物质发出的红外辐射。§1.光的基本性质1.2电磁波谱

紫外线（UV）：频率高于可见光的，不能引起视觉，对生命有危害，来自太阳的紫外线几乎被大气中的臭氧完全吸收，臭氧保护着地球的生命，少量透过大气的紫外线会晒黑皮肤或使进行日光浴的人体产生晒斑。X射线：波长比紫外线还短的电磁波，它们很易穿过大多数物质。致密的物质、固体材料比稀疏物质容易吸收更多的X射线，这就是为什么在X射线照片上显现的是骨骼而不是骨骼周围的组织。其波长可与原子尺寸相比拟。§1.光的基本性质1.2电磁波谱

γ射线和宇宙射线：波长最短，波长尺寸约为原子核大小量级γ射线产生于核反应及其他特殊的激发过程宇宙射线来自地球之外的空间。§1.光的基本性质1.2电磁波谱

在固体材料中出现的光学现象的电磁辐射与固体材料中的原子、离子或电子相互作用的结果。从宏观上讲，当光从一种介质进入另一种介质时，回发生光的透过、吸收和反射。设入射到固体表面的光辐射能流率为φ0，透过、吸收和反射光的光辐射能流率为φT，φA和φR，则有§1.光的基本性质1.3光与固体的相互作用

光辐射能流率：表示单位时间内通过单位面积（与光线传播方向垂直）的能量。光与固体相互作用的本质有两种方式：电子极化电子能态转变§1.光的基本性质1.3光与固体的相互作用

电子极化电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量；在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的每一个原子都发生相互作用引起电子极化，即造成电子云与原子核的电荷中心发生相对位移；所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同时光速减小，后者导致折射。§1.光的基本性质1.3光与固体的相互作用

§1.光的基本性质1.3光与固体的相互作用

电子能态转变电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一种能态的过程；材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子激发到较高能级上去，电子发生的能级变化∆E与电磁波频率有关：∆E=hν受激电子不可能无限长时间地保持.在激发状态，经过一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波，即自发辐射。§2.光的反射与折射

2.1反射定律与折射定律光的反射和折射反射定律三线共面；反射角等于入射角折射定律三线共面；两媒质界面上光的折射和反射光速：,真空:折射率:折射定律:①三线共面；②反射率R:§2.光的反射与折射

2.1反射定律与折射定律一、惠更斯原理：为了说明光的传播定律，惠更斯提出了一个普遍原理媒质中波动传到的各点，都可以看作是发射子波的波源，而在其后的任意时刻，这些子波的包络面就是新的波面。也就是说，光波波前（最前沿的波面）上的每一点都可看作球面次波源，每一次波源发射的球面波以光波的速度v传播，经过时间∆t之后形成球面半径为v∆t的球面次波。如此产生的无数个次波的包络就是∆t时间后的新波前。该原理适用于机械波和电磁波§2.光的反射与折射

2.2折射率与传播速度的关系§2.光的反射与折射

2.2折射率与传播速度的关系二、折射定律：材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。光密介质：在折射率大的介质中，光的传播速度慢；光疏介质：在折射率小的介质中，光的传播速度快。材料的折射率从本质上讲，反映了材料的电磁结构（对非铁磁介质主要是电结构）在光波作用下的极化性质或介电特性。二、折射定律：正是因为介质的极化，“拖住”了电磁波的步伐，才使得其传播速度变得比真空中慢。铁磁性材料非铁磁性材料§2.光的反射与折射

2.2折射率与传播速度的关系光疏介质和光密介质全反射：当光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于临界角时，光线被100%反射的现象。此时不再有折射光线，入射光的能量全部回到第一介质中。临界角：光纤导光原理：全反射§2.光的反射与折射

2.3光的全反射光纤结构示意图：纤芯：5

75μm掺杂了的SiO2，n一定或随半径增加而减小。包层:

总直径为100

200μm,折射率稍小于纤芯的掺杂了的SiO2。涂敷层：硅铜或丙烯酸盐，隔离杂光。护套：尼龙或有机材料，增加强度，保护光纤。纤芯包层涂敷层护套§2.光的反射与折射

2.3光的全反射多普勒效应：波源或观察者相对于媒质运动而使观察者接受到的波的频率有所变化的现象。频率计算：波源不动，观察者运动，即：，观察者认为接受到的波数变了。观察者不动，波源运动，即：，观察者认为接受到的波长变了。§2.光的反射与折射

2.4多普勒效应波源与观察者同时运动，即：，四种情况：波源和观察者不在一直线上运动光源与观察者的相对速度为接近：远离§2.光的反射与折射

2.4多普勒效应§３介质对光的吸收在光束通过物质时，它的传播情况将要发生变化。首先光束越深入物质，它的光强将越减弱，这是由于一部分光的能量被物质所吸收，而另一部分光向各个方向散射所造成的，这就是光的吸收和散射现象。其次，光在物质中的速度将小于光在真空中的速度，并将随频率而改变，这就是光的色散现象，光的吸收、散射和色散这三种现象，都有是由于光与物质的相互作用引起的，实质上是由光与原子中的电子相互作用引起的。这些现象是不同物质光学性质的主要表现，对它们的讨论可以为我们提供关于原子、分子和物质结构的信息。本章侧重于对现象及其唯象规律的描述，并用经典电子论对这些现象作进一步的解释。定义由于光是一种能量流，在光通过材料传播时，会引起材料的电子跃迁或使原子振动，从而使光能的一部分变成热能，导致光能的衰减，这种现象称为介质对光的吸收。吸收系数§３介质对光的吸收

3.1基本性质光通过物质时，光波中的振动着的电矢量，将使物质中的带电粒子作受迫振动，光的部分能量将用来提供这种受迫振动所需要的能量。这些带电粒子如果与其它原子或分子发生碰撞，振动能量就会转变为平动动能，从而使分子热运动能量增加，物体发热。光的部分能量被组成物质的微观粒子吸取后转化为热能，从而使光的强度随着穿进物质的深度而减小的现象，称为光的吸收（absorption）。§３介质对光的吸收

3.2

吸收定律一吸收定律-布格定律如图所示，光强为I0的单色平行光束沿x轴方向通过均匀物质，在经过一段距离x后光强已减弱到I，再通过一无限薄层dx后光强变为I+dI(dI0)。实验表明，在相当宽的光强度范围内，-dI相当精确地正比于I和dx，即

-dI=αaIdxx+dxldxxII+dI光的吸收规律式中αa是与光强无关的比例系数，称为该物质的吸收系数（absorptioncoefficient）。于是，上式是光强的线性微分方程，表征了光的吸收的线性规律。§３介质对光的吸收

3.2

吸收定律

为了求出光束穿过厚度为l的物质后光强的改变，可将上式改写为然后对x积分，即可得换言之，若入射光强为I0，则通过l的物质后的光强为称为布格定律（Bouguerlaw）或朗伯定律。该定律是布格（P.Bouguer，1698—1758）在1729年发现的，后来朗伯（J.H.Lambert，1728—1777）在1760年又重新作了表述。6-2§３介质对光的吸收

3.2

吸收定律实验表明，当光被透明溶剂中溶解的物质吸收时，吸收系数αa与溶液的浓度C成正比，即αa=AC，其中A是一个与浓度无关的常量。这时可以写成

称为比尔定律（Beerlaw）。根据比尔定律，可以测定溶液的浓度，这就是吸收光谱分析的原理。比尔定律表明，被吸收的光能是与光路中吸收光的分子数成正比的，这只有每个分子的吸收本领不受周围分子影响时才成立。事实也正是这样，当溶液浓度大到足以使分子间的相互作用影响到它们的吸收本领时就会发生对比尔定律的偏离。§３介质对光的吸收

3.2

吸收定律二吸收定律–比尔定律材料对光的吸收机理：电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的倒数处在同一个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要；电子受激吸收光子而越过禁带；电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光；所以，只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能量差值相等时，光量子才可能被吸收。同时，材料中的电子从较低能态跃迁到高能态。光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中表现出的能量交换过程。§３介质对光的吸收

3.3

吸收的物理机制可见光中波长最短的是紫光，波长最长的是红光：所以，Eg<1.8eV的半导体材料，是不透明的，因为所有可见光都可以通过激发价带电子向导带转移而被吸收。Eg=1.8

3.1的非金属材料，是带色透明的，因为只有部分可见光通过激发价带电子向导带转移而被材料吸收。§３介质对光的吸收

3.3

吸收的物理机制禁带较宽的介电固体材料也可以吸收光波，但吸收机理不是激发电子从价带跃迁到导带，而是因其杂质在禁带中引进了附加能级，使电子能够吸收光子后实现从价带到受主能级或从施主能级到导带的跃迁。§３介质对光的吸收

3.3

吸收的物理机制除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。任何一种物质，它对某些波长范围内的光可以是透明的，而对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。例如，在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象为一般吸收；但是对于波长范围为3.5—5.0μm的红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择吸收。换言之，石英对可见光和紫外线的吸收甚微，而对上述红外光有强烈的吸收。§３介质对光的吸收

3.4一般吸收和选择吸收

又例如，普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线主紫外线都有强烈的吸收，是不透明的。因此在红外光谱仪中，棱镜常用对红外线透明的氯化钠晶体和氟化钙晶体制作；而紫外光谱仪中，棱镜常用对紫外线透明的石英制作。实际上，任何光学材料，在紫外和红外端都有一定的透光极限。

任何物质都有这两种形式的吸收只是出现的波长范围不同而已。

6-3§３介质对光的吸收

3.4一般吸收和选择吸收用具有连续谱的光（例如白光）通过具有选择吸收的物质，然后利用摄谱仪或分光光度计，可以观测到在连续光谱的背景上呈现有一条条暗线或暗带，这表明某些波长或波段的光被吸收了，因而形成了吸收光谱（absorptionspectrum）。§３介质对光的吸收

3.5吸收光谱物质的发射谱（emissionspectrum）有：线状谱（linespectrum），带状谱（bandspectrum）和连续谱等。大致说来，原子气体的光谱是线状谱，而分子气体、液体和固体的光谱是带状谱，吸收光谱的情况也是如此。值得注意的是，同一物质的发射光谱和吸收光谱之间有严格的对应关系，即物质自身发射哪些波长的光，它就强烈吸收这些波长的光。§３介质对光的吸收

3.5吸收光谱按照经典的电