B磁性物理基础 物质各种磁性08.ppt

物质磁性分类的原则 1.2 金属的抗磁性 许多金属具有抗磁性，而且一般其抗磁磁化率不随温度变化。 金属抗磁性来源于导电电子。根据经典理论，外加磁场不会改变电子系统的自由能及其分布函数，因此磁化率为零。 2.1 郎之万顺磁性理论 假定顺磁系统包含N个磁性原子，每个原子具有的磁矩 M(Wbm)，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=MH。 3.3铁磁金属的能带论 自发磁化强度表示不施加外磁场，由分子场引起的磁化强度。当H=0时 式(1)在 I 与x 的图中，对 T 是一根斜线，随温度T从00到高温，斜线与x的夾角从00逼近900。BJ(?)与斜线的交点，即为方程的解。 ….(1) …….(2) 当斜线( 1 )与BJ( x )在原点的切线重合时,切线所对应的温度T=?，即为材料的居里点。 3.2用分子场讨论以下几个问题 (1).自发磁化强度随温度的变化 ( 图解法 ) q称为居里温度，m称为有效原子磁矩 从测量宏观量居里温度?就能得到分子场系数w。 此时BJ(x)也为一条斜线，它与式(1)斜线重合的温度设为?，可求解?： 对于铁，?=1063k,M=2.2MB,N=8.54x1028m-3,J=1,得 当T=0时，x=?，此时BJ( x )=1 估算分子场为： 静磁相互作用产生的罗伦兹场： 当x?1时，BJ(x) 展开，并取第一项 为0度的自发磁化强度 利用J=1/2，1，?的布里渊函数的计算值与实验结果比较。得到 (1)J=1/2与实验结果符合的较好，说明原子磁矩的贡献主要来自于自旋。 (2)居里点是分子场系数w的一个很好的量度。 (3)低温部分的偏差，可用自旋波激发理论耒解释,T3/2定律。高温部分的偏差，应符合I/I0~T2的关系。 自发磁化强度与温度的关系(点为铁、镍的实验值)；实线为布里渊函数的计算值。 因而可得到 ?=Cw , 磁化率的表达式就是居里-外斯定律。 注意：1) 以上的理论分析由分子场得到的铁磁性居里点和居里-外斯得到的居里点是一致的，但实际的物质是不一致的；2) 在居里点磁化强度并不为零，将由短程序耒解释；3) 在实际物质中，由居里温度以上的顺磁磁化率得到的有效原子磁矩与铁磁自发磁化强度得到的有效原子磁矩是不一致的。 由高温磁化率求得有效磁矩 Fe: 3.15 MB ( 2.2MB ) Co: 3.15MB ( 1.7MB ) Ni: 1.61MB ( 0.6MB ) (2).居里温度以上的磁化率 T Tc, 外加磁场 H，x ?1时 ； ； ； (3).居里温度?f与交换积分J的关系 根据铁磁性分子场理论居里温度可表示为 一对自旋Si和Sj之间的交换能为 (J0为铁磁性) 对于z个近邻原子 是z个的平均值 外斯Weiss分子场 Si受到的静磁能 当两个能量Ee=Em相等时 代入分子场系数w 对特殊晶格,外斯Weiss详细计算 Z为近邻原子数 简单立方为6 体心立方为8 简单立方(S=1/2) 体心立方(S=1/2) (S=1) 得到 交换积分J与交换劲度常数A的关系 a是晶格常数，n单胞中的原子数 简单立方晶体 n=1 体心立方晶体 n=2 面心立方晶体 n=4 对于3d过渡金属及合金中，由于轨道冻结，它的磁矩仅依赖自旋磁矩。每个电子具有一个玻尔磁子μB,所以每个原子的磁矩只能是玻尔磁子的整数倍，这为铁氧体中Fe2+为4个玻尓磁子，Fe3+为5μB,被实验所证实。但是，实验测得金属Fe ,Co ,Ni 的原子磁矩分别为2.2μB,1.7μB和0.6μB，原子磁矩怎么会是非整数呢？这只能用能带论耒解释。在金属中，导电电子或称自由电子是被量子化，每个状态由于泡利不相容原理只能被正和负的两个电子占据。在零度K时，N个电子占据的最高能级及费密能级Ef与N的关系为 对顺磁性有贡献的电子仅是在费密面附近的电子. 温度不为零时 g( E )称态密度函数 T=0 T=T f(E) Ef E f (E)费米-狄拉克分布函数 在铁磁金属中，分子场(交换场)Hm约107Oe,比通常的外加磁场强102到103,因此能带的劈裂比顺磁金属大得多。正自旋和负自旋能带中的电子数为 由这个能带极化引起的磁化强度为 4s自由电子有部分成为3