磁学性能铁磁性以及其物理本质.ppt
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1、关于磁学性能铁磁性及其物理本质第一张,PPT共三十六页,创作于2022年6月3.3.13.3.1铁磁质的自发磁化铁磁质的自发磁化 物质具有铁磁性的基本条件:物质具有铁磁性的基本条件:(1)物质中的原子有未填满的电子壳层,是物质中的原子有未填满的电子壳层,是必要条件必要条件(2)自旋磁矩必须自发排列在同一方向上,即自发磁化是产自旋磁矩必须自发排列在同一方向上,即自发磁化是产生铁磁性的生铁磁性的充分条件充分条件。“分子场分子场”来源于电子间的静电相互作用。来源于电子间的静电相互作用。实验证明铁磁质自发磁化的起因是源于原子实验证明铁磁质自发磁化的起因是源于原子未被抵消的未被抵消的电子自旋磁矩,电子自
2、旋磁矩,而轨道磁矩对铁磁性几乎无贡献。而轨道磁矩对铁磁性几乎无贡献。第二张,PPT共三十六页,创作于2022年6月根据键合理论可知,原子相互接近形成分子时,电子云根据键合理论可知,原子相互接近形成分子时,电子云要相互重叠,电子要相互交换位置。要相互重叠,电子要相互交换位置。对于过渡族金属,原子的对于过渡族金属,原子的3d的状态与的状态与4s态能量相差不大,态能量相差不大,因此它们的电子云也将重叠,引起因此它们的电子云也将重叠,引起s、d状态电子的再分配。状态电子的再分配。即发生了交换作用。交换作用产生的静电作用力称为交即发生了交换作用。交换作用产生的静电作用力称为交换力。换力。交换力的作用迫使
3、相邻原子的自旋磁矩产生有序排列。其交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序排列。其作用就像强磁场一样,外斯作用就像强磁场一样,外斯“分子场分子场”即来源于此。即来源于此。因交换作用而产生的附加能量成为交换能。因交换作用而产生的附加能量成为交换能。第三张,PPT共三十六页,创作于2022年6月当磁性物质内部相邻原子电子的交换能积分常数为正当磁性物质内部相邻原子电子的交换能积分常数为正(A0,=0)时,相邻原子磁矩将同向平行排列(能量最低),从而时,相邻原子磁矩将同向平行排列(能量最低),从而实现自发磁化。实现自发磁化。这就是铁磁性产生的原因,即充分条件。这就是铁磁性产生的原因,即充分条件。这种
4、相邻原这种相邻原子的电子交换效应,其本质仍是静电力迫使电子自旋磁矩平行排子的电子交换效应,其本质仍是静电力迫使电子自旋磁矩平行排列,作用的效果好像强磁场一样。列,作用的效果好像强磁场一样。(A 0,=180)时,则反向平行排列,呈反铁磁性。时,则反向平行排列,呈反铁磁性。交换能交换能A为交换能积分常数,为交换能积分常数,为相邻原子的两个电子自旋磁为相邻原子的两个电子自旋磁矩之间的夹角。矩之间的夹角。系统稳定本着能量最低原则。系统稳定本着能量最低原则。交换能积分常数交换能积分常数A不仅与电子运动状态的波函数有关,还不仅与电子运动状态的波函数有关,还强烈依赖于原子核间的距离和未填满壳层半径有关。强
5、烈依赖于原子核间的距离和未填满壳层半径有关。第四张,PPT共三十六页,创作于2022年6月当当Rabr3,A0,满足自发磁化,满足自发磁化的条件,的条件,为铁磁性为铁磁性当当 Rabr 太大,太大,原子之间的距离太大,原子之间的距离太大,电子云不重叠或重叠太少,不能满足自发电子云不重叠或重叠太少,不能满足自发磁化的条件,磁化的条件,为顺磁性为顺磁性。当当 Rabr 3,A0,则反向,则反向 排列,排列,为为反铁磁性反铁磁性铁磁性产生的充要条件:铁磁性产生的充要条件:原子内要有为填满的电子壳层,满足原子内要有为填满的电子壳层,满足RabRabr 3r 3使使A0A0。前者指的是原子本征(固有)磁
6、矩不为零;前者指的是原子本征(固有)磁矩不为零;后者指的是要有一定的晶体结构。后者指的是要有一定的晶体结构。Rab-原子间距原子间距r-未未填满的电子层半径填满的电子层半径第五张,PPT共三十六页,创作于2022年6月铁磁性产生的条件:铁磁性产生的条件:原子内部要有末填满的电子壳层;原子内部要有末填满的电子壳层;及及Rabr之比大于之比大于3使交换积分使交换积分A为正。前者指的是原为正。前者指的是原子本征磁矩不为零;后者指的是要有一定的晶体结构。子本征磁矩不为零;后者指的是要有一定的晶体结构。铁磁质受热原子间距离增大,电子间交换作用减铁磁质受热原子间距离增大,电子间交换作用减弱,自发磁化减弱,
7、当高于一定温度时交换作用被破弱,自发磁化减弱,当高于一定温度时交换作用被破坏,表现为顺磁性,这个转变温度被称为坏,表现为顺磁性,这个转变温度被称为居里温度居里温度。第六张,PPT共三十六页,创作于2022年6月第七张,PPT共三十六页,创作于2022年6月3.3.2 3.3.2 反铁磁性和亚铁磁性反铁磁性和亚铁磁性 如果交换积分如果交换积分A A0 0时,则原于磁矩取反向平行排列时,则原于磁矩取反向平行排列能量最低。如果相邻原子磁矩相等,由于原子磁矩反能量最低。如果相邻原子磁矩相等,由于原子磁矩反平行排列,原子磁矩相互抵消,自发磁化强度等于零。平行排列,原子磁矩相互抵消,自发磁化强度等于零。这
8、样一种特性称为反铁磁性。这样一种特性称为反铁磁性。研究发现,纯金属研究发现,纯金属-Mn-Mn、CrCr等是属于反铁磁性。还有等是属于反铁磁性。还有许多金属氧化物如许多金属氧化物如MnOMnO、CrCr2 2O O3 3、CuOCuO、NiONiO等也属于反铁磁等也属于反铁磁性。性。反铁磁性反铁磁性 第八张,PPT共三十六页,创作于2022年6月亚铁磁性物质由磁矩大小不同的两种离子亚铁磁性物质由磁矩大小不同的两种离子(或原子或原子)组组成,相同磁性的离子磁矩同向平行排列,而不同磁性的离成,相同磁性的离子磁矩同向平行排列,而不同磁性的离子磁矩是反向平行排列。由于两种离子的磁矩不相等,反子磁矩是反
9、向平行排列。由于两种离子的磁矩不相等,反向平行的磁矩就不能恰好抵消,二者之差表现为宏观磁矩。向平行的磁矩就不能恰好抵消,二者之差表现为宏观磁矩。具有亚铁磁性的物质绝大部分是金属的氧化物,是非金属具有亚铁磁性的物质绝大部分是金属的氧化物,是非金属磁性材料,一般称为铁氧体。磁性离子间并不存在直接的交换磁性材料,一般称为铁氧体。磁性离子间并不存在直接的交换作用,而是通过夹在中间的氧离子形成间接的交换作用,称为作用,而是通过夹在中间的氧离子形成间接的交换作用,称为超交换作用。超交换作用。亚铁磁性亚铁磁性 交换积分交换积分A A0 0,则原于磁矩取反向平行排列能量最低。,则原于磁矩取反向平行排列能量最低
10、。如果相邻原子磁矩不等,原子磁矩不能相互抵消,存在自发如果相邻原子磁矩不等,原子磁矩不能相互抵消,存在自发磁化。这样一种特性称为亚铁磁性磁化。这样一种特性称为亚铁磁性。第九张,PPT共三十六页,创作于2022年6月铁磁性铁磁性反铁磁性反铁磁性亚铁磁性亚铁磁性反铁磁性和亚铁磁性的物质可以看作由两套亚点阵组成,每反铁磁性和亚铁磁性的物质可以看作由两套亚点阵组成,每个亚点阵中的离子磁矩同向平行排列,不同亚点阵反向平行。个亚点阵中的离子磁矩同向平行排列,不同亚点阵反向平行。第十张,PPT共三十六页,创作于2022年6月3.4 3.4 磁晶各向异性和各向异性能磁晶各向异性和各向异性能对于铁磁单晶的研究发
11、现,沿不同晶向的磁化曲线对于铁磁单晶的研究发现,沿不同晶向的磁化曲线不同。这种在单晶体的不同晶向上磁性能不同的性质,不同。这种在单晶体的不同晶向上磁性能不同的性质,称为磁性的各向异性。称为磁性的各向异性。磁各向异性磁各向异性100110111第十一张,PPT共三十六页,创作于2022年6月第十二张,PPT共三十六页,创作于2022年6月相邻原子间电子轨道还有交换作用,由于自旋相邻原子间电子轨道还有交换作用,由于自旋-轨道轨道相互作用,电荷的分布为旋转椭球性,非对称性与自旋方向相互作用,电荷的分布为旋转椭球性,非对称性与自旋方向密切相关,所以自旋方向相对于晶轴的转动将使交换能改变,密切相关,所以
12、自旋方向相对于晶轴的转动将使交换能改变,同时也使原子电荷分布的静电相互作用能改变,导致磁各向同时也使原子电荷分布的静电相互作用能改变,导致磁各向异性。异性。第十三张,PPT共三十六页,创作于2022年6月3.5 3.5 磁致伸缩与磁弹性能磁致伸缩与磁弹性能铁磁性物质的尺寸和形状在磁化过程中发生形变的現象,铁磁性物质的尺寸和形状在磁化过程中发生形变的現象,叫磁致伸缩。叫磁致伸缩。产生原因:产生原因:原子磁矩有序排列时,电子间的相互作用导致原子间距的原子磁矩有序排列时,电子间的相互作用导致原子间距的的自发调整。的自发调整。当磁致伸缩引起的形变受到限制,在材料内部将产生应当磁致伸缩引起的形变受到限制
13、,在材料内部将产生应力,因而存在一种弹性能,称为力,因而存在一种弹性能,称为磁弹性能磁弹性能。第十四张,PPT共三十六页,创作于2022年6月第十五张,PPT共三十六页,创作于2022年6月 铁磁体在磁场中具有的能量称为静磁能,它包括铁磁体在磁场中具有的能量称为静磁能,它包括铁磁体与外磁磁场的相互作用能和铁磁体在自身退磁铁磁体与外磁磁场的相互作用能和铁磁体在自身退磁场中的能量,后者常称为退磁能。场中的能量,后者常称为退磁能。铁磁体的形状各向异性是由退磁场引起的,当铁铁磁体的形状各向异性是由退磁场引起的,当铁磁体磁化出现磁极后,这时在铁磁体内部由磁极作用磁体磁化出现磁极后,这时在铁磁体内部由磁极
14、作用而产生一个与外磁化场反向的磁场,因它起到退磁而产生一个与外磁化场反向的磁场,因它起到退磁(减弱外磁场)的作用,故称为退磁场,用(减弱外磁场)的作用,故称为退磁场,用H Hd d表示。表示。Hd=-NM N N为退磁因子,与材料的几何形状、尺寸有关;为退磁因子,与材料的几何形状、尺寸有关;M M 磁化强度。磁化强度。3.6 3.6 铁磁体的形状各向异性及退磁能铁磁体的形状各向异性及退磁能第十六张,PPT共三十六页,创作于2022年6月退磁场作用在铁磁体上的退磁能为:退磁场作用在铁磁体上的退磁能为:第十七张,PPT共三十六页,创作于2022年6月3.7 3.7 磁畴的形成与磁畴结构磁畴的形成与
15、磁畴结构因物质由许多小磁畴组成的。在未受到磁场作用时,磁因物质由许多小磁畴组成的。在未受到磁场作用时,磁畴方向是无规则的,因而在整体上无外加磁场时不显示磁畴方向是无规则的,因而在整体上无外加磁场时不显示磁性性形成原因:形成原因:由于原子磁矩间的相互作用,晶体中相邻原子的磁偶极子由于原子磁矩间的相互作用,晶体中相邻原子的磁偶极子会在一个较小的区域内排成一致的方向。会在一个较小的区域内排成一致的方向。磁畴磁畴未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域。未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域。3.7.1 磁畴与磁畴壁磁畴与磁畴壁 第十八张,PPT共三十六页,创作于2022年6月磁畴壁:磁
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- 关 键 词:
- 磁学 性能 铁磁性 以及 物理 本质
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