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1、第三章 磁功能材料,磁功能材料概念和基本理论 磁功能材料的介绍 磁功能材料的相关器件,磁功能材料概念和基本理论,磁学量的定义以及基本理论,磁极： 永磁体有两个磁极，N 极和S 极。同性相斥, 异性相吸。两个距离为r，磁极强度分别为m1和m2的磁极间的相互作用力为:,为真空磁导率,磁矩：一个圆电流的磁矩定义为 M = iS, 式中i 是电流强度，S是圆电流回线包围的面积。其方向可由右手定则来确定。,磁化强度M: 一个宏观磁体由许多具有固有磁矩的原子组成。当原子磁矩同向平行排列时，宏观磁体对外显示的磁性最强。当原子磁矩紊乱排列时，宏观磁体对外不显示磁性。宏观磁体单位体积在某一方向的磁矩称为 磁化强
2、度M:,磁感应强度B：在外磁场作用下，物质内部原子磁矩呈现出一定的有序排列，相当于产生一个附加的磁场。物质内部外磁场和附加磁场的总和称为磁感应强度B。,J为磁极化强度。,磁化率 ： = M / H,磁导率 ： = B / H,原子磁性 宏观物质的磁性来源于原子的磁性，原子磁性包括原子核外电子的磁性和原子核的磁性，但原子核磁矩仅为电子磁矩的11836.5，所以原子磁矩主要来源于电子磁矩。孤立状态下原子磁矩：电子除了围绕原子核作轨道运动外，还作自旋运动。原子磁矩是电子轨道磁矩和自旋磁矩的总和。根据量子力学的结果，3d 过渡族金属和 4f 稀土金属的原子磁矩为：J = gJ B J ( J +1)1
3、/2,其中,gJ称为朗德因子，J为原子总角动量量子数， L为原子总轨道量子数，S为原子总自旋量子数， B 为Bohr磁矩。,(2) 晶体中的原子磁矩：过渡金属的情况：孤立原子的磁矩 晶体中原子的磁矩原因：孤立原子组成金属后，4s电子公有化，3d电子层成为最外层电子。在晶格点阵上的离子处于周围近邻离子产生的晶体场(称为晶场)中。在晶场的作用下，晶体中原子3d电子轨道磁矩被晶场固定了，不随外磁场转动（轨道“冻结” ），对原子磁矩无贡献。金属原子主要由电子的自旋磁矩来贡献。稀土金属的情况：孤立原子的磁矩 晶体中原子的磁矩原因：晶体中4f电子壳层被外层的5s和5p电子壳层所屏蔽，晶场对4f电子轨道磁矩
4、的作用甚弱或者没有作用，所以4f金属的电子轨道磁矩和自旋磁矩对原子都有贡献。,过渡金属（3d电子的影响）,稀土元素,元素周期表,小资料：什么是稀土？稀土就是化学元素周期表中镧系元素：镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素：钪(Sc）和钇(Y）共17种元素，称为稀土元素(Rare Earth）。,稀土元素最初是从瑞典产的比较稀少的矿物中发现的，“土”是按当时的习惯，称不溶于水的物质，故称稀土。 根据稀土元素原子电子层
5、结构和物理化学性质，以及它们在矿物中共生情况和不同的离子半径可产生不同性质的特征，十七种稀土元素通常分为二组。轻稀土（又称铈组）包括：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆。 重稀土（又称钇组）包括：铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。,固 体 磁 性,通过磁化率的测量，发现大多数物质的磁化率都远小于1，一般为10-710-5, 这些物质被称为弱磁性物质。其中磁化率为正的，称为顺磁性物质，如钠、铝、氧气等；磁化率为负的，称为抗磁性物质，如铜、铋、大多数有机材料和生物材料。 少数物质的磁化率远大于1，如铁、镍和四氧化三铁等，称为强磁性物质。强磁性物质的磁性种类很多，实际应用也很多，强磁性物质又称为磁性材
6、料。,判断固体中的固有磁矩是否为0?,抗磁性材料,是,判断热运动能是否磁矩中的交换作用能？,铁磁性、反铁磁性或亚铁磁性材料,顺磁性材料,否,否,是,固 体 磁 性抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性和亚铁磁性,晶体中磁畴内部原子磁矩的排列,抗磁性 (diamagnetism),当物质受到外加磁场的作用时，如果产生与外磁场方向相反的磁化，即磁化率为负值，则称此种性质为抗磁性。,抗磁性一般可分为三类：一般抗磁性（任何物质都具有）。将任一物质置于外磁场中，由于电磁感应产生微弱的与外磁场方向相反的感生磁矩。一切物质都存在着抗磁性效应。但在多数的情况下，此微弱的抗磁性常被较强的顺磁磁化效应所掩盖。金属中导电
7、电子抗磁性。由于电子在磁场中运动形成量子化的朗道能级，使电子系统的能量比未加磁场时升高了，等效于呈现抗磁性。导电电子的抗磁磁化率等于其自旋顺磁磁化率的1/3，故导电电子呈现顺磁性。超导体的完全抗磁性。,朗道抗磁性(Landau diamagnetism),Px,Py,Px,Py,朗道抗磁性,顺磁性 (paramagnetism),顺磁性是指材料在外磁场的作用下表现出与外磁场方向相同但数值很小的磁化率。,顺磁性一般可分为：其原子或分子具有固有磁矩，但固有磁矩之间没有相互作用或相互作用很小(热运动能)，因而磁矩之间不能形成磁有序排列(如铁磁有序的情况)。温度高于居里点的铁磁材料和亚铁磁材料，以及温
8、度高于Neel点的反铁磁材料所呈现的顺磁性。非过渡族非稀土族的金属(如碱金属)，它们无自发磁化，其传导电子之间无交换作用，在外磁场的作用下，它们的传导电子发生极化才呈现出与外磁场同向的磁化强度，这种顺磁性称为Pauli顺磁性，其磁化率与温度无关。,铁磁、亚铁磁材料的单畴微粒呈现出的顺磁性。当这些微粒的体积减少到一定程度时，微粒的热运动能将超过难磁化和易磁化之间的磁晶各向异性能的位垒，于是微粒的磁矩就不再固定在易磁化方向，而是随时间作无规则的变化，而微粒的表观磁化强度就变为零。在外磁场作用下，这些微粒倾向于沿外磁场方向排列，从而呈现出顺磁性，这种顺磁性叫做超顺磁性。,Pauli顺磁性（或传导电子
9、顺磁性 ）的解释,Pauli顺磁性（或传导电子顺磁性 ）的解释,B,当外加磁场时，自旋方向与外场方向相同的电子能量减少了BB，自旋方向与外场方向相反的电子能量增加了BB。,磁场造成能量的平移在图中画得很明显，实际上是很小的。,Pauli顺磁性（或传导电子顺磁性 ）的解释,B,体系平衡时，两种磁矩取向的电子应该有相同的F 值，即要求一部分磁矩和外场相反的电子翻转磁矩，再填充到和外场相同的状态上。电子自旋取向变化只发生在费米面附近。,总的磁矩方向平行于外场方向，因此体现出顺磁。,Pauli顺磁性（或传导电子顺磁性 ）的解释,顺磁性物质磁化率与温度的关系居里定律,大量的气体、液体和固体的顺磁性，近似
10、服从由居里提出的磁化率与温度成反比的经验定律：,不符合居里定律的情形，往往可以在相当宽的温度范围内符合居里-外斯定律：,在常温和一般磁场强度时，,由实验常数c可确定固有磁矩J。,铁磁性 (ferromagnetism),铁磁性材料：常温下，铁、钴、镍 低温下，Tb, Ho, Eu, Tm化合物：La1-xCaxMnO3 (0.2x f ，热运动将会破坏磁有序。,这就是居里-外斯定理,x,x,铁磁材料的最低激发态：自旋波,铁磁体的基态：在绝对零度时，所有自旋同向排列在低温下，铁磁体有一定的几率处于低的激发态最低的激发态是什么？ 自旋间没有相互作用时：只有一个自旋反转自旋间存在相互作用时：自旋波每
11、个自旋都与近邻的自旋相耦合，即所有自旋运动是耦合在一起的。从量子力学观点，由于反转的自旋可以处在各个不同的格点上，它们是能量简并的N个量子态，相互作用的微扰有可能使它们组合成能量更低的量子态，即自旋波状态。,自旋波模型 磁振子 黄昆 固体物理P417,磁振子（自旋波）,声子（晶格波）,集体运动,自旋波理论,自旋波理论,自旋波理论,自旋波理论,这相应于自旋绕z轴做进动，这种进动在晶格中的传播就是自旋波。它表明一个特定自旋的反向对能量不利。反之，如果让所有自旋分担这一反向，就可构成能量低得多的激发态。,自旋轴绕z轴转动,z,z,z,z,自旋波理论,热激发使铁磁体中出现部分自旋的反向，而自旋间的相互
12、作用使反向的自旋不固定在某些原子上，而是在自旋体系中传播，形成自旋的集体运动。可以应用波动或准粒子来描述这种集体运动，分别称为自旋波或磁振子。,磁畴假说,理论与实验均已证明，在居里温度以下、在没有外磁场的作用下，铁磁体内部分成若干个小区域，在每一个小区域内原子磁矩彼此有序地排列，这种现象称为自发磁化，这一小区域称为磁畴。 为什么会自发磁化呢？ 3d 金属中的自发磁化 4f 金属中的自发磁化 3d 金属与 4f 金属化合物的自发磁化 金属氧化物的自发磁化,3d 金属中的自发磁化3d 金属（如铁、钴、镍）: 当3d电子云重叠时，相邻原子的3d电子存在交换作用，它们每秒钟以108的频率交换位置。其交换作用能 Eex 与两个电子自旋磁矩的取向有关, 表示为： Eex = -2Aij cos, 其中为电子自旋角动量， 是相邻原子3d电子自旋磁矩的夹角，A为交换积分常数。在平衡态，相邻原子3d电子自旋磁矩的夹角应遵循能量最小原理。,
