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1、1,材料物理,第五章 材料的磁学,西南科技大学 材料科学与工程学院,2,材料物理,我想跟大家说的是，人的生命的道路其实是很不平坦的，靠你一个人绝对是走不完的，这个世界上只有你跟别人在一起，为了同一个目标，一起做事情的时候，才能把这件事情做成，一个人的力量很有限，但是一群人的力量是无限的，当五个手指伸出来的时候，它是五个指头，但是当你把五个手指握起来的时候，它是一个拳头！希望所有在座的同学们，能够记住一点的是，未来除了是你自己成功，一定要跟别人一起成功，跟别人团结在一起，形成我们，你才能够把事情做成功！,3,第五章 材料的磁学,臣心一片磁针石 不指南方不肯休,文天祥 渡扬子江,4,第五章 材料的
2、磁学,地磁场强度很弱, 在最强的两极其强度不到10-4T, 平均强度约为0.6x10-4T,地磁场的起源？,古地磁研究： 在过去的7600万年间，地球曾发生过171次磁极倒转。,5,第五章 材料的磁学,ISSUES TO ADDRESS. What are the atomic reasons for magnetism? How are magnetic materials classified? How do we measure magnetic properties? Materials design for magnetic storage. Recent progress in m
3、agnetic materials.diluted semiconductors,6,5.1 材料的磁性,无限长载流直导线：,方向是切于与导线垂直的且以导线为轴的圆周,电流产生磁场的形式,磁 场 强 度,r,1820年 Oersted,H,7,5.1 材料的磁性,直流环形线圈圆心：,方向由右手螺旋法则确定。,无限长直流螺线管：,n：单位长度的线圈匝数,8,5.1 材料的磁性,磁感应强度(magnetic induction, B)发生变化，这是由于材料的磁导率不同。,磁导率,9,5.1 材料的磁性,磁化率,磁化强度,真空磁导率,真空介电常数,极化率,极化强度,susceptibility,po
4、larization,magnetization,magnetic permeability,Dielectric constant,10,5.1 材料的磁性,退磁场材料的磁化状态，不仅依赖于它的磁化率，也依赖于样品的形状。 有限几何尺寸的磁体在外磁场中被磁化后，表面将产生磁极，从而使磁体内部存在与磁化强度M方向相反的一种磁场，起减退磁化的作用，称为退磁场Hd。,其中N为退磁因子，只与磁体几何形状和尺寸有关。,11,5.1 材料的磁性,简单几何形状磁体的退磁因子N 对于旋转椭球体，三个主轴方向退磁因子之和：,球 体：N=1/3细长圆柱体：Na = Nb = 1/2, Nc = 0薄圆板体： N
5、a = Nb = 0, Nc = 1,12,5.1 材料的磁性,磁矩 m (仿照静电学),磁体无限小时，体系定义为磁偶极子,磁偶极矩： 方向：-m指向+m 单位：Wbm,13,5.1 材料的磁性,14,5.1 材料的磁性,等效为环绕电路流动的电荷,单位：A m2,表征磁偶极子磁性强弱与方向,其磁矩：,15,5.1 材料的磁性,电子的轨道运动相当于一个恒定的电流回路，必有一个磁矩，但自旋不能用电流回路解释，因此，最好将自旋磁矩视为基本粒子的固有磁矩。,16,5.1 材料的磁性,电子轨道磁矩（由电子绕核的运动所产生）按波尔原子模型，以周期T沿圆作轨道运动的电子 相当于一闭合圆形电流i,其产生的电子
6、轨道磁矩：,轨道角动量,17,5.1 材料的磁性,电子轨道运动产生的磁矩与轨道角动量在数值上成正比，方向相反。,由量子力学：动量矩应由角动量代替：,其中l0，1，2n-1 ，,轨道磁力比,18,5.1 材料的磁性,l0，即s态，Pl0， l0 l1，即p态,玻尔磁子，电子磁子的最小单位,19,5.1 材料的磁性,角量子数 l0，1，2n-1 （n个取值）磁量子数 ml0、 1、 2、 3 l （2l+1个取值） 在填充满电子的次壳层中，各电子的轨道运动分别占了所有可能的方向，形成一个球体，因此合成的总角动量等于零，所以计算原子的总轨道角动量时，只考虑未填满的那些次壳层中的电子这些壳层称为磁性电
7、子壳层。,l3,20,5.1 材料的磁性,电子自旋磁矩（本征磁矩）：自旋自旋磁矩实验证明：电子自旋磁矩在外磁场方向分量等于一个B，取正或取负。,自旋角动量,21,5.1 材料的磁性,自旋量子数,在外场方向分量,自旋磁矩与自旋角动量的关系,自旋磁力比,22,5.1 材料的磁性,电子总磁矩可写为：,23,5.1 材料的磁性,(亚)铁磁,顺磁,抗磁,磁性的分类,24,5.1 材料的磁性,25,5.1 材料的磁性,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。,26,5.1 材料的
8、磁性,27,5.1 材料的磁性,C为居里常数，TP为顺磁性居里温度。,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.,顺磁朗之万理论：原子磁矩之间无相互作用，为自由磁矩，热平衡态下为无规则分布，受外加磁场作用后，原子磁矩的角度发生变化，沿着接近于外磁场，方身作择优分布，因而引起顺磁磁化强度。,28,5.1 材料的磁性,顺磁性,29,5.1 材料的磁性,即在TTN（奈尔温度）时， af 最大。,TTc时，若H=0，则无非零解， 若要有非零解，则需加H。此时,Curie-Weiss定律的推导,43,5.2 铁磁性和顺磁性理论,整理后：,居里常数,顺磁居里温度,Cu
9、rie-Weiss定律,44,5.2 铁磁性和顺磁性理论,说明： Weiss分子场理论的结论是：Tp=Tc 实际情况是： TpTc 原因是铁磁性物质在TTc后仍短程有序。,45,5.2 铁磁性和顺磁性理论,M0与Ms的区别：a、饱和磁化强度M0：原子磁矩在H作用下 趋于H方向，即使再增加H，磁化强度不再增 加，此时M趋近于M0。b、自发磁化强度Ms：把饱和磁化强度外推 到H=0时的磁化强度的值。,46,5.3 反铁磁性和亚铁磁性理论,Neel 假设：反铁磁体中磁性离子构成晶格，可分为两个相等而又相互贯穿的次晶格A与B（A位、B位）。A位离子的只有B位离子作近邻，次近邻才是A（对B位亦然）。 仿
10、照Weiss分子场理论，同时考虑到最近邻间的反平行耦合，则作用在A、B位的分子场分别为：,定域分子场论,47,5.3 反铁磁性和亚铁磁性理论,最近邻互作用的分子场系数,次近邻互作用的分子场系数,次晶格的磁化强度,定域分子场,48,5.3 反铁磁性和亚铁磁性理论,若A、B位离子同类且等量,考虑外加场：,应用顺磁性理论，可求出热平衡时某一次晶格的磁化强度。,对于A次晶格：,49,5.3 反铁磁性和亚铁磁性理论,求解反铁磁性的特性,1. 反铁磁性消失温度-奈尔温度TN的求得,在高温且H0时，MA、MB可用布里渊函数的高温近似描写：,对于B次晶格：,50,5.3 反铁磁性和亚铁磁性理论,令：,51,5
11、.3 反铁磁性和亚铁磁性理论,在TTN时，各次晶格开始出现自发磁化，说明H0 时，有非零解。,最近邻相互作用越强，次近邻相互作用越弱，则反铁磁性物质的奈尔温度越高,52,5.3 反铁磁性和亚铁磁性理论,2. TTN时，反铁磁性物质的特性,自发磁化消失，转变为顺磁性，在外场H作用下，沿H方向感生出一定M，只要出现磁矩，由于磁矩之间相互作用，便存在定域分子场。,53,5.3 反铁磁性和亚铁磁性理论,由此可解出MA与MB 。由于二者与H同向,渐进居里点,定域分子场作用占主导地位，每个次晶格的磁矩有规则地反平行排列。在外场H0时，次晶格有自发磁化，但宏观磁性为零，只有在H不为零时，才表现出宏观磁性。,
12、3. TTN时，反铁磁性物质的特性,54,5.3 反铁磁性和亚铁磁性理论,亚铁磁性,指由次晶格之间反铁磁性耦合，宏观呈现强磁性有序物质的磁性。亚铁磁性条件：每一次晶格中必须有足够浓度的磁性离子，以使另一次晶格的自旋保持反平行排列。,TTc时,呈顺磁性，但不服从居里外斯定律。,55,5.3 反铁磁性和亚铁磁性理论,典型的亚铁磁性物质当属铁氧体，通常采用陶瓷烧结工艺制备。铁氧体是离子化合物，它的磁性来源于所含离子的磁性。,56,5.3 反铁磁性和亚铁磁性理论,尖晶石铁氧体,M2+=Co2+、Ni2+、Fe2+、Mn2+、Zn2+过渡元素。,O2-半径大，晶格结构就以O2-作为密堆积，金属离子半径小，填充于密堆积的间隙中，尖晶石晶格结构的单胞中有两种间隙： 四面体间隙（A位64个）：间隙小，填充较小尺寸的金属离子。 八面体间隙（B位32个）：间隙大可填充较大尺寸的金属离子。,
