第十三講 鐵磁性

第三章材料的磁學(xué)性能顧修全本章內(nèi)容基本磁學(xué)性能鐵磁性鐵磁體的技術(shù)磁化過程鐵磁材料的測量與應(yīng)用磁性材料的研究熱點第二節(jié)鐵磁性物理本質(zhì)自發(fā)極化反鐵磁性亞鐵磁性磁相互作用外斯假說1.鐵磁性的物理本質(zhì)(外斯假說)皮埃爾.外斯（1865-1940），法國物理學(xué)家。他創(chuàng)建了幾乎整個鐵磁性理論，他的理論還被應(yīng)用到亞鐵磁性理論中，因此被譽為“現(xiàn)代磁學(xué)之父”。他幾乎全部的工作都是在斯特拉斯堡大學(xué)完成的。鐵磁體的磁化曲線分子場假說鐵磁材料在0~Tc存在與外加磁場無關(guān)的自發(fā)磁化原子磁距克服熱運動的無序效應(yīng)，自發(fā)地平行一致取向在分子場作用下磁疇假說無外場時，各磁疇自發(fā)磁化到飽和，且磁化方向隨機分布，宏觀的總磁距為0對應(yīng)的區(qū)域為磁疇自發(fā)磁化是按區(qū)域分布的熱運動破壞了分子場對原子磁距有序取向的作用能：分子場強度居里溫度磁疇與疇壁分子場假說磁疇假說自發(fā)磁化理論技術(shù)磁化理論解釋了鐵磁性的本質(zhì)解釋了鐵磁體在外磁場中的行為現(xiàn)代磁學(xué)理論鐵磁性的主要特征高的飽和磁化強度磁化率數(shù)值很大，并且是溫度與磁場的函數(shù)存在磁性轉(zhuǎn)變的特征溫度——居里溫度磁化強度和外磁場之間不是單值函數(shù)，即存在磁滯現(xiàn)象大多具有磁晶各向異性和磁滯伸縮效應(yīng)。第二節(jié)鐵磁性物理本質(zhì)自發(fā)極化反鐵磁性亞鐵磁性磁相互作用外斯假說2.鐵磁質(zhì)的自發(fā)磁化鐵磁質(zhì)的磁化是自發(fā)產(chǎn)生的，磁化過程只不過是把鐵磁質(zhì)本身的磁性顯示了出來，而不是由外界向鐵磁質(zhì)提供磁性的過程。鐵磁質(zhì)的自發(fā)磁化是由于電子間的靜電相互作用產(chǎn)生的。根據(jù)鍵合理論，當(dāng)原子相互接近時，電子云要相互重疊，電子要相互交換位置。交換力的作用迫使相鄰原子的自旋磁矩產(chǎn)生有序的排列。鐵磁材料的原子組態(tài)和原子磁矩鐵、鈷、鎳原子的外層電子境充規(guī)律自然界中的鐵磁性材料都是金屬，它們的鐵磁性來源于原子未被抵消的自旋磁矩和自發(fā)磁化。金屬要具有鐵磁性，它的原子只有未被抵消自旋磁矩還不夠，還必須使自旋磁矩自發(fā)地同向排列，亦即產(chǎn)生自發(fā)磁化。分子場的起源？海森堡：分子場是量子力學(xué)交換作用的結(jié)果。鐵磁性自發(fā)磁化起源于電子間的靜電交換相互作用。核a核b電子a電子brRrbrarBarAb以H2為例波函數(shù)a0原子的玻爾半徑又當(dāng)R→無限小時，兩個H相互靠近形成H2，此時電子是全同的，無法區(qū)別屬于那個原子系統(tǒng)的波函數(shù)應(yīng)為它們的線性組合。原子軌道線性組合成分子軌道(LCAO-MO)H2系統(tǒng)的波函數(shù)當(dāng)忽略電子的自旋與軌道之間以及自旋與自旋之間的磁相互作用時，系統(tǒng)的哈密頓為：二電子動能原子核與電子靜電作用能原子核作用能電子靜電作用能哈密頓算子經(jīng)微擾計算，其對稱和反對稱態(tài)的能量本征值為：庫侖靜電能：交換積分：交換積分：電子－電子、原子核—電子間靜電交換作用。討論：H2的A<0,→ES<EA→電子自旋反平行取向最穩(wěn)定（能量低）對其它體系，若A>0,→ES>EA

→電子自旋平行取向→自發(fā)磁化。結(jié)論：靜電交換作用影響自旋的排列。

A>0，平行取向（鐵磁性排列），能量低；

A

<0，反平行取向（反鐵磁性排列），能量低。對于基態(tài)，要求Eex<0（以滿足能量最低原則）1.若A<0,則，Sa與Sb相反，自旋反平行為基態(tài)（反鐵磁性或亞鐵磁）；2.若A>0，自旋平行為基態(tài)（鐵磁性）；3.若A=0，系統(tǒng)能量與近鄰電子磁性殼層中電子相對取向無關(guān)，因此物質(zhì)呈順磁性。交換作用能u=a/r0鐵磁性反(亞)鐵磁性順磁性順磁性Aa:晶格常數(shù)r0:未滿殼層半徑FeCoNiMn統(tǒng)一的表達式鐵磁性產(chǎn)生的充要條件：交換能A—交換能積分常數(shù)Ψ—兩相鄰原子的兩個電子自旋磁矩之間的夾角交換能取決于交換積分A和夾角ψ。原子內(nèi)部要有未填滿的電子殼層，Rab/r>3使A>0。物質(zhì)中的原子有磁矩原子磁矩間有相互作用自發(fā)磁化鐵磁性原子內(nèi)層電子交互作用積分常數(shù)A

>

0，使彼此的自旋磁矩同向排列形成自發(fā)磁化。鐵、鈷、鎳因其交換積分A具有較大的正值，因此有較強的自發(fā)磁化傾向。一些稀土元素雖然也具有自發(fā)磁化傾向，但其A值很小，相鄰原子間的自旋磁矩同向排列作用很弱，原子振動極易破壞這種同向排列，即它們的居里點很低，所以在常溫下呈現(xiàn)為順磁性。第二節(jié)鐵磁性物理本質(zhì)自發(fā)極化反鐵磁性亞鐵磁性磁相互作用外斯假說3.反鐵磁性鐵磁性反鐵磁性亞鐵磁性xxxTTTTCTNTS反鐵磁性的基本特征反鐵磁晶體可以看做是由兩個亞點陣組成，每個亞點陣的離子磁矩平行排列而相互間的磁矩方向卻反平行。即MA+MB=0，自發(fā)磁化強度為零。亞鐵磁晶體同反鐵磁晶體相同，只是兩個亞點陣磁矩的方向相