[理学]材料物理-2-材料的磁性.ppt

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[理学]材料物理-2-材料的磁性

许多物质在受到外磁场作用后,感生出与磁化磁场同方向的磁化强度,磁化率>0,但数值很小,仅显示微弱磁性。这种磁性称为顺磁性。 顺磁性物质:稀土金属和铁族元素的盐类、除Be以外的碱金属和碱土金属以及在居里温度以上的铁磁元素Fe、Ni、Co。 具有未填满的电子壳层,所以顺磁性物质有一个固有原子磁矩,但各原子磁矩的方向混乱,对外不显示宏观磁性,在磁化磁场作用下,原子磁矩转向磁场方向,感生出与外磁场方向一致的磁化强度M。在外磁场中,顺磁性物质显示微弱的磁性。 顺磁性 铁磁性物质只要在很小的磁场作用下就能被磁化到饱和,不但磁化率>0,而且数值大到10-106数量级,其磁化强度M与磁场强度H之间的关系是非线性的复杂函数关系。这种类型的磁性称为铁磁性。 磁性很强,通常所说的磁性材料主要是指这类物质。 磁滞现象 铁磁性物质只有在居里温度以下才具有铁磁性;在居里温度以上,由于受到晶体热运动的干扰,原子磁矩的定向排列被破坏,使得铁磁性消失,这时物质转变为顺磁性。 铁磁性 当T>TN时,顺磁性 当T<TN时,磁化率降低,并逐渐趋于定值。 这类物质的磁化率在温度等于TN的地方存在极大值。 TN奈耳温度。 内部磁矩反平行排列,相临近的两种相反方向的磁矩相互抵消,使得总磁矩为零。 反铁磁性物质有过渡族元素的盐类及化合物,如MnO、Cr2O3、 CoO等。 反铁磁性 亚铁磁性是未抵消的反铁磁性结钩的铁磁性。 宏观上:磁性与铁磁性相同,仅仅是磁化率的数量级稍低一些,大约为100一103数量级。 内部磁结构上:与反铁磁性的相似,具有相反排列的磁矩,但相反排列的磁矩不等量。 典型的亚铁磁性材料有尖晶石型铁氧体、石榴石型铁氧体,稀土钴金属化合物和一些过渡族金属、非金属化合物等。 亚铁磁性 抗磁性物质及抗磁性理论 抗磁性物质 抗磁性经典理论 抗磁性量子理论 2.6.1 抗磁性物质 2、抗磁性物质: (1)惰性气体 (2)碱金属离子 (3)氟族离子 (4)不含过渡族元素的离子晶体 (5)不含过渡族元素的共价化合物 (6)某些非金属 (7)几乎所有的有机化合物和生物组织 3、居里抗磁定律: 抗磁磁化率不随温度变化的现象称为经典抗磁性,经典抗磁性遵守的χ-T关系称之为居里抗磁性定律。 2.6.2 抗磁性经典理论 虽说 Langevin 的经典理论也引用了量子力学的结果(原子磁矩)并取得了相当的成功,但涉及原子内电子的运动是需要用量子力学的方法来处理才更为妥当,1932年范弗莱克(Van Vleck)完成了物质顺磁性和抗磁性的量子理论,他的这一工作发表在一本书中: 《The theory of electric and magnetic susceptibilities》 oxford 1932 这一理论工作非常复杂和繁琐,我们只能很扼要地介绍其思路和结论,不做具体的推导。 2.6.3 抗磁性量子理论:Van Vleck 顺磁性 本节在CGS单位制下推导 按照量子力学,一个含有z个电子但原子磁矩为零的原子,在磁场作用下其电子的哈密顿量为: 只考虑 z 方向存在均匀磁场时,上式可以得到简化,哈密顿量分为两部分: 未受磁场微扰部分: 磁场作用下的微扰部分: 抗磁性的量子力学理论 先求解未受磁场作用的薛定格方程,给出本征能量和本征函数: 再按照微扰方法,以此本征函数为基函数,计算出一级和二级微扰能量,合并为一个原子的总微扰能量 假定单位体积有N个原子,则根据热力学关系,系统的磁化强度为: 于是,给出了磁化率的表达式: 量子力学计算抗磁磁化率公式 右式第一项为抗磁磁化率,如电子在核外分布是球对称的,可以取: 则有: 第二项是激发态引起的顺磁磁化率,当离子电场是球对称时,该项为零。如果球形对称的条件被破坏了,它虽不为零但数值一般很小,只起到减小抗磁磁化率绝对值的作用。 利用量子力学给出的计算抗磁磁化率的公式,原则上适用于任何原子或离子,但准确求解并不容易,只有氢原子才可以给出准确的定量数值,对其它离子求解都很难给出准确数值,不过数量级是正确的。 与经典理论的结果是一致的。 范弗莱克 John Hasbrouck van Vleck (1899年3月13日—October 27, 1980) 美国物理学家。

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