磁性物理..ppt

* 第八章 磁性物理 §8.1 固体磁性的一般论述 §8.1.1 磁性的起因 整个分子磁矩是其中各个电子的轨道磁矩和自旋磁矩以及核的自旋磁矩的矢量和（核自旋磁矩常可忽略）。 原子中电子参与两种运动：自旋及绕核的轨道运动，对应有自旋磁矩和轨道磁矩。 N S 物质的磁性来源于原子的轨道磁矩和自旋磁矩 晶体中： 轨道磁矩 自旋磁矩 外磁场 物质的磁性 晶体中原子轨道磁矩或者自旋磁矩的直接或间接相互作用，以及磁矩与外磁场的响应特性，形式上形成了各种物质的磁性。 §8.1.2 固体的磁化率 1）磁场强度和磁感应强度 真空下磁感应强度B0正比于磁场强度H，即 真空磁导率 将固体置于强度为H的磁场中，固体被磁化，固体自身因磁化产生磁感应强度B1，故总磁感应强度为 2）磁感应强度和磁化强度 实验上可测量的量是磁化强度M ，而不是因磁化所产生的磁感应强度B1，两者之间成正比，即 磁化强度定义为外加强度为H的磁场作用下单位体积内感应产生的磁偶极矩 ，即： （均匀固体） （不均匀固体） 或 3）磁化率 固体因磁化所产生的磁感应强度B1正比于真空磁感应强度B0，即 比例系数?是一个无量纲的物理量，称为磁化率 将 和 代入有 或者 磁化率直接反应了固体材料被磁场磁化的难易程度，是表示固体磁性的重要物理量。 根据磁化率的大小和正负，可把固体分成三类： 抗磁体、顺磁体、铁磁体（包括反铁磁体和亚铁磁体）。 §8.1.3 固体磁性的分类 1）抗磁体 外磁场中所产生的磁矩或磁化强度很小，并与外磁场方向相反，因此，磁化率是负的很小的数； 磁化率?0的物体称为抗磁体 主要特点 磁化率与外磁场无关； 磁化率与温度无关。 抗磁体最本质的特征是物体中所有原子或离子都没有固有磁矩 这种顺磁体的磁化率和温度的关系满足居里定律： 2）顺磁体 顺磁体是磁化率?为很小正数的材料 顺磁体最本质的特征是物体中包含有浓度可观的因不满原子壳层而具有固有磁矩的离子，称之为顺磁离子。 无外场时，这些顺磁离子的磁矩取向是杂乱无章的，各磁矩的矢量和为零，故不表现出磁性 当外加磁场时，各固有磁矩倾向于和外加磁场相同的方向，因此，表现出磁性 与由顺磁离子引起的顺磁性不同，金属的磁化率和温度无关 大多数金属均是顺磁体 金属中含有大量自由电子，每个电子有向上和向下两个自旋态，因此有自旋磁矩。 无外场时，电子在两个自旋态的概率相等，因此，总体上不表现出磁性 当外加磁场时，自旋磁矩方向与外加磁场平行的状态被电子占据的概率增大，因此，总磁矩与外磁场方向相同 注意到：在外加磁场时，自由电子因轨道发生改变而产生抗磁磁矩，但抗磁磁矩的值为总顺磁磁矩的三分之一，因此，金属自由电子气的净磁矩是顺磁的 3）铁磁体 铁磁介质中产生的附加磁场与外场方向相同，但磁介质中的场要远比外场大，是外场的几百倍到几万倍。 铁磁体是磁化率特别大的正数的材料，比顺磁磁化率大5-6个量级，常见的铁磁体有铁、钴、镍及其合金。 铁磁体只有温度低于某个临界温度TC（铁磁居里温度）才存在，而当温度高于TC时，则变成顺磁体，其磁化率满足居里-外斯定律： 铁磁体最本质的特征是物体中含有因不满原子壳层而引起的固有磁矩，这些磁矩彼此之间存在交换作用，使得原子的固有磁矩倾向于相同的方向取向，因而表现出铁磁性。 铁磁体主要是源于原子磁矩间的交换作用，因此，即使没有磁场，材料也会有自发磁化强度 在外加磁场下表现出特有的顺磁性，且有显著的各向异性，因而，磁化率是个小的正数 4）反铁磁体 反铁磁体最本质的特征是物体中含有因不满原子壳层而引起的固有磁矩，这些磁矩彼此之间存在交换作用，但和铁磁体不同，交换作用使得相邻的磁矩倾向于相反方向的取向，结果不表现出宏观的磁性。 反铁磁体仅仅在温度低于某个临界温度（聂尔温度）TN下才存在，当温度高于温度TN时，由反铁磁转变为顺磁，但磁化率随温度的关系为： 温度低于TC时行为类似于铁磁体，但磁化率不大，自发磁化强度也不高，高于居里温度时候，逐渐变成顺磁 5）亚铁磁体 固体中含有两种大小不等固有磁矩的原子或离子，这些磁矩彼此之间存在交换作用，交换作用使得相邻的磁矩倾向于相反方向的取向，但由于两种磁矩大小不等，结果表现出宏观的磁性。 比例系数 称为轨道运动的旋磁比 原子中电子参与两种运动：自旋及绕核的轨道运动，对应有自旋磁矩和轨道磁矩。 轨道磁矩 原子核外电子的轨道运动相当于一个闭合回路电流，具有一定的轨道磁矩 自旋磁矩 与电子自旋角动量成正比 §8.2 固体的顺磁性 N S §8.2.1 原子（离子）的磁性 称之为兰德因子 原子中满壳层电子的总磁矩总和为零，对原子的固有磁矩没有贡献，所以只须考虑不满的壳层。 未满壳层只有一个电子，则原子的磁矩为 其中： 为电子的总角动量 未满壳层有几