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 magnetic 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,polarization,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： Na = 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,Curie-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：,51,5.3 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。,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。,