课件4第三章：自发磁化理论.ppt

* 第三章：自发磁化理论 磁性物理学 * 本章学习要点 掌握铁磁性物质的基本特征; 掌握分子场理论，定域分子场理论的内容及其应用； 了解交换作用的机制，了解描述自发磁化的其他理论模型； 掌握铁磁体的自发磁化强度的温度特性。 3-1 铁磁性物质的基本特征 一、磁有序概念 1、晶体结构有序：在晶体中， 原子按照某些可以重复排列的规则占据晶格位置，称为有序排列。 有序排列可以延伸到整个整个晶体范围—长程有序 有序排列只能延伸几个原子尺度范围—短程有序 2 、磁结构有序：在物质内部磁矩的空间取向在任意一个小区域内，由于某种作用呈现有序的排列。 例如铁磁有序，反铁磁有序，亚铁磁有序等。 顺磁性磁矩 ——磁无序 铁磁性磁矩 —磁有序 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? H=0 H=0 二、铁磁性物质的基本特征 1、铁磁体内存在按磁畴分布的自发磁化 2、磁化率相当大， 可达10～106数量级，加很小的外场即可磁化至饱和（原因即是存在自发磁化）。 3、M—H之间不是单值函数关系，且呈现磁滞现象，具有剩磁。 MHc ?0M B H BHc Br 铁磁性物质的磁滞回线 4、存在磁性转变温度Tc——居里温度 TTC, 遵从居里-外斯定律 TTC, 遵从布洛赫定律 5、在磁化过程中表现出磁晶各向异性与磁致伸缩现象。 磁晶各向异性：铁磁性单晶体在不同的方向磁化效果不同； 磁致伸缩：铁磁材料磁化时，在垂直于磁场和平行于磁场 的方向发生几何尺寸的变化 3-2 外斯分子场理论 一、两个假设 1. 磁畴假设 2. 分子场假设 估算分子场的强度：铁的原子磁矩为2.2?B=2.2×1.17×10-29，居里温度为103度，而热运动能kT=1.38×10-23×103。假定这个作用等同一个磁场的作用，设为Hmf，那么 2.2 ?B×Hmf ?kT Hm?109Am-1(?107Oe) B ?1000 T 顺磁性物质的原子或离子具有一定的磁矩，这些原子磁矩耒源于未满的电子壳层(例如过渡族元素的3d壳层)。在顺磁性物质中，磁性原子或离子分开的很远，以致它们之间没有明显的相互作用，因而在没有外磁场时，由于热运动的作用，原子磁矩是无规混乱取向。当有外磁场作用时，原子磁矩有沿磁场方向取向的趋势，从而呈现出正的磁化率，其数量级为c=10-5?10-2。 顺磁物质的磁化率随温度的变化 c(T)有两种类型: 第一类遵从居里定律： c=C/T C称为居里常数 第二类遵从居里-外斯定律： c=C/(T-qp) qp称为顺磁居里温度 1、顺磁性居里定律 二、朗之万顺磁性理论和布里渊修正 假定顺磁系统包含N个磁性原子，每个原子具有的磁矩?J，当温度在绝对0度以上时，每个原子都在进行热振动，原子磁矩的方向也作同样振动。在绝对温度T(K)，一个自由度具有的热能是kT/2，k是波尔兹曼常数，为1.38x10-23JK-1。原子磁矩在外磁场作用下，静磁能U= - ?0 ?J H。 计算系统的磁化强度：从半径为一个单位的球心画单位矢量表示原子磁矩系统的角分布，没有磁场时磁矩方向均匀的分布在球面上(球面上的点是均匀分布)。 2、朗之万顺磁性理论 当施加磁场H后，这些端点轻微地朝H集中，一个与H成q角的磁矩的势能为U。因此，磁矩取这个方向的几率与玻尔兹曼因子 成比例。另一方面，一个原子磁矩与磁场夹角在q和q+dq之间的概率，与图中阴影面积成正比，既2psinqdq。因此，一个原子磁矩与磁场夹角在q和q+dq之间的实际概率为 因为这样一个原子磁矩，在平行于磁场方向的磁极化强度为?J cos?，统计平均整个磁矩系统对磁化强度的贡献为 如果令?0 ?J H /KT =a且cosq=x，则有-sinqdq=dx，代入上式 这里称括号内的函数为郎之万函数，并用L(?)表示。 对??1郎之万函数可展开为 如果只保留第一项得到： 朗之万理论是建