顺磁性抗磁性已学测量.pptxVIP

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4.4顺磁性和抗磁性

顺磁体和抗磁体有什么用?

顺磁性的描述对磁体现象的理解有极其重要的意义:描述顺磁性要比描述铁磁性简单得多,而且在非常简单的模型基础上发展起来的顺磁性理论相当合理,这些简单理论与实验观察的结果符合得非常好。在极限情况下顺磁体的原子磁矩可以看成是没有相互作用的(即顺磁性的),这样的近似极大地简单化了模型。

抗磁体一般说来没有多少实际用途,这是由磁特性决定的,超导体是一个例外,它是=-1的完全抗磁体。

4.4.1顺磁体

顺磁性与铁磁性不同,它不是一个集体现象,对顺磁性的研究使我们能够考察几乎处于孤立状态的原子磁矩。采用朗之万函数的经典描述,或者是采用布里渊函数的量子力学模拟。

呈现顺磁性的材料通常是由含有奇数个电子的原子和分子组成的,于是就有一个未配对的电子自旋,产生净余的磁矩。它们包括含有部分填充内壳层的原子和离子,比如过渡族元素。某些含有偶数个电子的元素也是顺磁性的。

顺磁体主要分为三种类型。

顺磁磁化率随温度的变化

许多顺磁体的磁化率与温度成反比。此关系称为居里定律:

其中T是绝对温度而C是一个常数,称为居里常数。

顺磁磁化率随磁场的变化

只要磁场不是非常强,受到磁场作用的顺磁体的磁化强度M就与磁场H成正比。也就是说,磁化率实际上是常数,大小在10-3~10-5的范围。

在大多数情况下自旋间没有耦合或耦合很弱,因此在良好的近似下可以认为它们是孤立的。这样做的理由是热运动能量足够高,使得零场中的磁矩是随机取向的。当施加磁场时,磁矩开始平行取向,但是对所有实际施加的磁场强度而言,转到磁场方向的部分仍然很少。

顺磁磁化率随磁场的变化

一种典型顺磁体的磁化强度随温度和磁场的变化示于图4.7中。在中等程度的强场下磁化率仍然是常数,只有在非常高的磁场强度下才出现饱和。此变化关系可以用朗之万函数以经典方式表示为

n是单位体积的原子数,m是每个原子的磁矩,kB是玻尔兹曼常数,T是绝对温度。

顺磁磁化率随磁场的变化

由此可导出磁化率的近似表达式

其中

就是居里常数,上式在高温区给出很好的结果。用布里渊函数会得到一个更为基础的表达式。

正常顺磁性物质

特点:原子或离子具有一定的磁矩。这种磁矩的来源是:

(1)原子或离子中包含有未满的电子壳层,像某些过渡元素的化合物及少数过渡元素的金属或合金,如MnSO4·4H2O等;

(2)包含奇数个电子的原子或分子,如Na及有机化合物中的自由基等;

(3)少数含有偶数个电子的化合物,如O2、有机化合物中的双自由基等;

正常顺磁性物质

少数物质服从居里定律:

大多数物质服从居里-外斯定律:

在极强外磁场或足够低的T下,还表现出顺磁饱和、低温磁性反常等特性。

温度高于临界温度时的铁磁、反铁磁和亚铁磁物质

高于Tc的FM、高于TN的AF表现为顺磁性,服从C-W定律:

对FM,Tc>0,称顺磁居里点;对AF,Tc<0,称渐近居里点。

高于Tc的亚铁磁性物质也表现也顺磁性,但随T的变化复杂,只有当T远高于Tc时,随T的变化才接近C-W定律。

磁化率与温度无关的顺磁性物质

碱金属Li、Na、K、Rb属于这一类,其约为10-7~10-6。

其顺磁性来源于传导电子。

4.4.5抗磁体

如果原子的电子壳层是填满的(无净磁矩),就不能表现出顺磁性或铁磁性。当受到磁场作用时,其感生的磁化以楞次定律所述的方式反抗外加磁场,因此它们的磁化率是负值。

抗磁性的经典朗之万理论给出抗磁体的磁化强度随外加磁场的变化关系,即磁化率为

其中n是单位体积的原子数,Z是每个原子的电子数,r2是均方根原子半径,通常为10-21m2。抗磁磁化率基本上与温度无关。

超导体

超导体是用途广泛的抗磁体;但是,它们又是唯一的一类抗磁体,其磁化率来自于材料中反抗外加磁场的宏观循环电流而不是来自于紧束缚电子的轨道运动变化。因此它们代表了一种非常特殊的情况。由于在其临界温度以上它们不再是完全抗磁体,所以其磁化率显然与温度有关。

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