固体物理-5固体的磁性质-1

第四章固体的磁特性外磁场强度H-磁感应强度B磁感应强度B的单位-特斯拉(Tesla，N)(1886~1943)克罗地亚裔美国电机工程师，曾发明变压器和交流电动机在磁极周围的空间中存在磁场。磁性物质的相互吸引等就是通过磁场进行的磁感应强度B：1T=10000Gs磁感应强度也被称为磁通量密度或磁通密度。磁场的强弱可以用假想的磁力线数量来表示，磁力线密的地方磁场强，磁力线疏的地方磁场弱。单位截面上穿过的磁力线数目称为磁通量密度定义为磁感应强度B被真空磁导率m0除再减去磁化强度M。H的大小表示该点磁场的大小，方向与磁力线方向一致磁场强度H：(A/m)MHB00mm固体的磁性磁性是一种极为普遍的现象，小至原子、原子核和电子，直至更深的物质层次，大至地球、月亮和太阳等天体，都具有磁性。磁性是物质的基本属性固体磁性涉及十分广泛的领域，磁性材料有着广泛的技术应用物质放在不均匀的磁场H中会受到磁力的作用。在相同的不均匀磁场中，由单位质量的物质所受到的磁力方向和强度，来确定物质磁性的强弱原子的磁性——物质磁性之源因为原子核比电子重2000倍左右，其运动速度仅为电子速度的几千分之一，故原子核的磁矩仅为电子的千分之几，可以忽略不计孤立原子的磁矩决定于原子的结构原子由于电子轨道磁矩和自旋磁矩不能全抵消而具有固有磁矩时，磁矩的排布方式决定总磁矩物质在外磁场中的磁化情况mm00limNVMV磁化率与磁性的类别固体的磁性是以磁化率来描写的磁化率定义：00//BMHMmM是单位体积中的磁矩磁化是指使原来不具有磁性的物质获得磁性的过程感生的M又会产生磁感应强度：MHB00mm外磁场H撤掉后物质的磁感应强度，由M的状态决定根据磁化率的大小区分物质磁性普通材料抗磁性：0，约10-6，几乎与温度无关磁性材料顺磁性：0，约10-4~10-6铁磁性：1，约10~106亚铁磁性：0，小于铁磁性材料反铁磁性：0，约10-4本章提纲人类认识和利用磁性的历史（略）原子中的磁矩固体的磁性抗磁性顺磁性铁磁性亚铁磁性、反铁磁性自旋电子学与核磁共振超导科学与技术6原子基本物理原子是由原子核和电子构成的（卢瑟福）原子核拥有几乎所有的质量、正电荷电子拥有与原子核平衡的负电荷电子运动的稳定性问题（波尔）经典模型:无法解释电子做加速运动并保持稳定量子理论认为电子拥有•轨道角动量L，自旋角动量S•轨道角动量守恒总轨道角动量守恒总角动量守恒（L-S耦合J）：•适合于电子之间作用大于自旋-库伦相互作用原子的磁性物质是由原子构成的，原子的磁性是物质磁性的基础电子绕原子核作圆轨道运转和绕本身的自旋运动都会产生“电磁涡旋”而形成磁性描述载流线圈或微观粒子磁性的物理量。普通平面载流线圈的磁矩定义为:磁偶极矩—磁矩：nSImI为电流强度；S为线圈面积；n为与电流方向成右手螺旋关系的单位矢量物质是由原子构成的，原子的磁性是物质磁性的基础电子的轨道磁矩：电子轨道运动产生的磁矩mL电子绕原子核旋转如同一个环形电流，其磁矩为：磁矩=环形电流×环形面积TeILmTLdtmmrvdtmdtdtdrrdrATTT221212121000220T：运动周期L：轨道角动量df电子的轨道磁矩物质是由原子构成的，原子的磁性是物质磁性的基础电子的轨道磁矩：电子轨道运动产生的磁矩mL电子绕原子核旋转如同一个环形电流，其磁矩为：磁矩=环形电流×环形面积TeILmTLdtmmrvdtmdtdtdrrdrATTT221212121000220T：运动周期L：轨道角动量dfLmeL2m负号表明电子轨道磁矩的方向和轨道角动量的方向相反磁旋比电子的轨道磁矩物质是由原子构成的，原子的磁性是物质磁性的基础电子的轨道磁矩：电子轨道运动产生的磁矩mL磁矩=环形电流×环形面积量子力学告诉我们：角动量取量子化数值：lLLmeL2mBLlLmemm2meB2m波尔磁子表示角动量为一个量子单位时的磁矩电子绕原子核旋转如同一个环形电流，其磁矩为：电子的轨道磁矩电子的自旋磁矩电子的自旋运动也会产生一个磁矩，但旋磁比不同于轨道运动。自旋运动的旋磁比为）（me-SmeSm自旋磁矩：sS自旋角动量BSmms2meB2m波尔磁子原子的总磁矩实际原子中有许多电子，其总的角动量J由所有电子的轨道角动量和自旋角动量合成（守恒量），即：SLSLJiiii原子的总磁矩：SLmmmJ和m有夹角，使得m绕J进动。由于进动频率很高，只有沿J的分量可以观察到，而垂直分量对时间的平均值为零原子的磁性——物质的磁性因为原子核比电子重2000倍左右，其运动速度仅为电子速度的几千分之一（旋磁比与质量成反比），故原子核的磁矩仅为电子的千分之几，可以忽略不计孤立原子的磁矩决定于原子的结构。在晶体中，电子的轨道磁矩受晶格的作用，其方向是变化的，不能形成一个联合磁矩，对外没有磁性作用。因此，物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而是主要由自旋磁矩引起。每个电子自旋磁矩的近似值等于一个波尔磁子原子中如果有未被填满的电子壳层，其电子的自旋磁矩未被抵消，原子就具有“永久磁矩”。例如，铁原子的原子序数为26，共有26个电子，在5个轨道中除了有一条轨道必须填入2个电子（自旋反平行）外，其余4个轨道均只有一个电子，且这些电子的自旋方向平行，由此总的电子自旋磁矩为4原子的固有磁矩原子满壳层无固有磁矩电子的自旋磁矩累加为零轨道磁矩相加也为零只有未满壳层对原子磁矩有贡献内层电子不满壳层•顺磁离子（d壳层过渡族；f壳层稀土族）价电子•通常s轨道，无轨道角动量磁矩，仅自旋磁矩•金属、半导体15进动与感生磁矩关于进动F外力矩：rMFrMdtMLd角动量的变化：dLdLdtdtsinMddtL磁场和原子互作用产生的感生磁矩外磁场对磁矩产生力矩：磁力矩使得角动量L发生变化，L的末端产生一个角速度为W的圆周运动——拉莫进动LdtLdW0BdtLdLmLmeL2mmBe20W磁场和原子互作用产生的感生磁矩外磁场对磁矩产生力矩：磁力矩使得角动量L发生变化，L的末端产生一个角速度为W的圆周运动——拉莫进动LdtLdW0BdtLdLmLmeL2mmBe20W拉莫进动是在原来轨道运动之上的附加运动。这个附加运动引起的附加电流产生相应的磁矩，方向和磁场方向相反原子的磁矩在忽略原子核的磁矩3贡献后，原子磁矩主要来源有三个：电子轨道磁矩1电子自旋磁矩2感生磁矩4本章提纲人类认识和利用磁性的历史原子中的磁矩固体的磁性抗磁性顺磁性（一般性）特殊：铁磁性特殊：亚铁磁性、反铁磁性自旋电子学与核磁共振超导科学与技术21按磁性分类包含顺磁离子的固体顺磁离子指d壳层不满的过渡族元素或f壳层不满的稀土族元素常见的磁性材料不含顺磁离子的固体一般的金属、半导体、离子晶体磁化率与磁性的类别固体的磁性是以磁化率来描写的磁化率定义：00//BMHMmM是单位体积中的磁矩磁化是指使原来不具有磁性的物质获得磁性的过程感生的M又会产生磁感应强度：MHB00mm外磁场撤掉后物质的磁感应强度，由M的状态决定物质的磁化mm00limNVMV感应磁矩物质的磁化与周围环境（晶格或邻近的磁矩）之间必定存在着能量的交换，使磁化强度矢量的进动受到阻力，绕着外磁场进动的幅角会逐渐减小，则磁矩m最终趋近磁场方向——磁化的过程物质的磁化由于阻尼的存在，使得进动的角度越来越小mm00limNVMV磁化率与磁性的类别固体的磁性是以磁化率来描写的磁化率定义：00//BMHMmM是单位体积中的磁矩磁化是指使原来不具有磁性的物质获得磁性的过程感生的M又会产生磁感应强度：MHB00mm外磁场撤掉后物质的磁感应强度，由M的状态决定磁性的类别：顺磁性、抗磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性磁化率为正的物质称为顺磁物质（外磁场使物体产生与其方向一致的磁化强度）磁化率定义：00//BMHMmM是单位体积中的磁矩顺磁性顺磁性由于电子轨道磁矩和自旋磁矩不能全抵消而具有固有磁矩，在外磁场中固有磁矩有平行于磁场方向排列的趋势，从而显示出顺磁性，所以，顺磁性具有正磁化率不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。但在无外加磁场时，由于顺磁物质的原子做无规则的热振动，宏观看来，没有磁性；在外加磁场作用下，每个原子磁矩比较规则地取向，物质显示极弱的磁性。磁化强度与外磁场方向一致顺磁性CT居里定律：随温度升高，磁化率减小。这是热运动影响磁矩按磁场方向排列的结果。假设原子间无互作用，没有外磁场时，热运动使得原子的磁矩取向混乱，宏观上不显示磁性。但当有外磁场作用时，各原子磁矩趋向磁场方向排列的几率大些，使得磁矩在磁场方向的平均值不为零，显示出宏观磁性；由于温度升高，使磁矩按磁场方向排列的几率变小，导致磁化率减小由于电子轨道磁矩和自旋磁矩不能全抵消而具有固有磁矩，在外磁场中固有磁矩有平行于磁场方向排列的趋势，从而显示出顺磁性，所以，顺磁性具有正磁化率顺磁性顺磁性物质的磁化率一般很小，室温下约为10-5。一般含有奇数个电子的原子或分子，电子未填满壳层的原子或离子，如过渡元素、稀土元素、钢系元素，还有铝铂等金属，都属于顺磁物质，但是磁化率差别很大由于电子轨道磁矩和自旋磁矩不能全抵消而具有固有磁矩，在外磁场中固有磁矩有平行于磁场方向排列的趋势，从而显示出顺磁性，所以，顺磁性具有正磁化率顺磁性由于电子轨道磁矩和自旋磁矩不能全抵消而具有固有磁矩，在外磁场中固有磁矩有平行于磁场方向排列的趋势，从而显示出顺磁性，所以，顺磁性具有正磁化率抗磁性物质的原子（离子）的磁矩为零，即不存在永久磁矩。当抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电子轨道改变，感生一个与外磁场方向相反的磁矩，表现为抗磁性。所以抗磁性来源于原子中电子轨道状态的变化。抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率一般约为-10-5，为负值抗磁性磁化率为负的物质称为抗磁物质（外磁场使物体产生方向相反的磁化强度）例如：Bi、Cu、Ag、Au磁化率定义：00//BMHMmM是单位体积中的磁矩物质的磁化mm00limNVMV感应磁矩抗磁性磁化率为负的物质称为抗磁物质（外磁场使物体产生方向相反的磁化强度）磁化率定义：00//BMHMmM是单位体积中的磁矩由于所有的物质都含有做轨道运动的电子，因而只要外加磁场存在，感生磁场就会存在，所以一切物质都含有抗磁性饱和电子结构的电子层被填满，它们的各电子轨道角动量和自旋角动量互相抵消，显示不出固有磁矩，在外磁场中仅有感生磁矩产生，因而显示抗磁性未饱和的电子壳层结构也有抗磁性，但固有磁矩产生的顺磁性远大于抗磁性，从而使抗磁性显示不出来对诸如Fe、Co、Ni等物质，在室温下磁化率可达10-3数量级，称这类物质的磁性为铁磁性。铁磁性铁磁性物质即使在较弱的磁场内，也可得到极高的磁化强度，而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性。其磁化率为正值但当外场增大时，由于磁化强度迅速达到饱和，其磁化率变小磁化率定义：00//BMHMmM是单位体积中的磁矩外斯理论铁磁性理论，是以外斯提出的下面两个假设为核心的：（1）一块具有宏观尺度的铁磁样品。一般说来包含了许多自发磁化了的小区域，叫做磁畴。每个磁畴大约有1015个原子。这些磁畴的磁化方向各不相同，互相抵消，因此，总的磁化强度为零。外场的作用是促使不同磁畴的磁化方向取得一致，从而使铁磁体表现出宏观磁化强度（2）在每一个磁畴里，存在一定的强相互作用，使元磁矩自发地平行排列起来，形成自发磁化。磁畴外斯理论铁磁性理论，是以外斯提出的下面两个假设为核心的：（1）一块具有宏观尺度的铁磁样