铁磁性与反铁磁性
磁性材料有哪些分类
磁性材料有哪些分类磁性材料具有磁有序的强磁性物质,广义还包括可应用其磁性和磁效应的弱磁性及反铁磁性物质。
磁性是物质的一种基本属性。
物质按照其内部结构及其在外磁场中的性状可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性物质。
铁磁性和亚铁磁性物质为强磁性物质，抗磁性和顺磁性物质为弱磁性物质。
磁性材料按性质分为金属和非金属两类，前者主要有电工钢、银基合金和稀土合金等,后者主要是铁氧体材料。
按使用又分为软磁材料、永磁材料和功能磁性材料。
功能磁性材料主要有磁致伸缩材料、磁记录材料、磁电阻材料、磁泡材料、磁光材料，旋磁材料以及磁性薄膜材料等，反映磁性材料基本磁性能的有磁化曲线、磁滞回线和磁损耗等。
永磁材料,经外磁场磁化以后，即使在相当大的反向磁场作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性。
对这类材料的要求是剩余磁感应强度Br高，矫顽力BHC(即抗退磁能力)强，磁能积(BH)即给空间提供的磁场能量)大。
相对于软磁材料而言，它亦称为硬磁材料。
永磁材料有合金、铁氧析口金属间化合物三类。
①合金类：包括铸造、烧结和可加工合金。
铸造合金的主要品种有:A1Ni(Co)、FeCr(Co)x FeCrMo x FeAIC x FeCo(V)(W);烧结合金有：Re-Co(Re代表稀土元素)、Re-Fe以及AINi(Co),FeCrCo等；可加工合金有：FeCrCo s PtCo s MnAIC.CuNiFe和AIMnAg等，后两种中BHC较低者亦称半永磁材料。
②铁氧体类：主要成分为MO6Fe2O3,M代表Ba、SnPb或SrCa、1aCa等复合组分。
③金属间化合物类：主要以MnBi为代表。
永磁材料有多种用途。
①基于电磁力作用原理的应用主要有：扬声器、话筒、电表、按键、电机、继电器、传感器、开关等。
②基于磁电作用原理的应用主要有：磁控管和行波管等微波电子管、显像管、钛泵、微波铁氧体器件、磁阻器件、霍尔器件等。
③基于磁力作用原理的应用主要有：磁轴承、选矿机、磁力分离器、磁性吸盘、磁密封、磁黑板、玩具、标牌、密码锁、复印机、控温计等。
交换耦合铁磁和反铁磁
交换耦合铁磁和反铁磁1.引言1.1 概述概述交换耦合铁磁和反铁磁是材料科学领域中的重要研究方向。
交换耦合指的是通过材料内部的交换相互作用实现的磁性耦合现象，而铁磁和反铁磁则是常见的磁性材料类型。
在交换耦合铁磁材料中，交换相互作用将铁磁性颗粒相互连接，使其在外界磁场作用下呈现统一的磁化方向。
这种铁磁相互连接的效应可以应用于磁性材料的储存、传输和传感等方面。
交换耦合铁磁材料由于具有较大的矫顽力和饱和磁化强度，被广泛应用于磁存储领域，如硬盘驱动器和磁带等。
而反铁磁材料则是一种在外界磁场作用下呈现反平行磁化方向的材料。
在这种材料中，相邻磁性原子的磁矩呈现相互抵消的关系，从而产生零磁矩的效果。
反铁磁材料在信息存储领域也有着重要的应用，例如磁性传感器和磁记录材料等。
本文将详细介绍交换耦合铁磁和反铁磁的性质、结构以及其在材料科学中的应用。
首先，将对交换耦合铁磁和反铁磁的基本概念和原理进行阐述。
然后，将针对这两种材料的制备方法和表征技术进行介绍。
最后，将重点关注交换耦合铁磁和反铁磁在磁性材料领域的应用前景，并对未来的研究方向进行展望。
通过对交换耦合铁磁和反铁磁的深入了解，不仅可以为材料科学领域中的磁性材料研究提供参考，还可以为磁存储技术和磁传感器技术的发展提供理论基础和技术支持。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以如下所示：2. 文章结构本文主要介绍了交换耦合铁磁和反铁磁的相关概念、性质和应用。
具体结构如下：2.1 交换耦合铁磁在此部分中，将详细介绍交换耦合铁磁的基本概念和定义。
首先，将介绍交换耦合的概念，包括交换能和交换场的定义以及其作用机制。
接着，将讨论铁磁材料的基本性质，如磁矩、居里温度以及铁磁材料的分类。
在此基础上，将具体介绍交换耦合铁磁的特性和研究方法，包括磁化曲线的分析、磁畴结构以及交换耦合现象的测量方法。
最后，将探讨交换耦合铁磁的应用领域，如磁存储器件、磁传感器等。
2.2 反铁磁在此部分中，将详细介绍反铁磁的基本概念和性质。
磁极间互相作用的规律
磁极间互相作用的规律1.前言磁极间互相作用是物理学中一个重要的现象。
在生活中，我们经常用到磁铁，如将磁铁把钥匙挂在冰箱门上、用磁铁吸附磁性物质等等。
本文将介绍磁极间互相作用的规律，以及磁力的计算方法和应用领域。
2.磁性的基本概念磁性是一种物质特性，指物质受磁场作用后具有吸引或排斥其他磁性物质的属性。
用磁场的大小和方向可以描述空间中任一点的磁场性质。
根据磁场的性质，磁性物质可以分为五类。
第一类：顺磁性物质。
顺磁性物质是指处于磁场中，呈磁矩方向在磁场方向和磁化强度成正比关系的物质。
常见的顺磁性物质有氧气、铝、铜等。
第二类：抗磁性物质。
抗磁性物质是指处于磁场中，呈磁矩方向和磁场方向相反的物质。
常见的抗磁性物质有黄铜、银、金、铜等。
第三类：铁磁性物质。
铁磁性物质是指处于磁场中，呈磁矩方向和磁场方向相同，而且磁化强度很大，成正比关系的物质。
常见的铁磁性物质有铁、镍、钴等。
第四类：反铁磁性物质。
反铁磁性物质是指处于磁场中，磁化强度和磁场强度成反比的物质。
常见的反铁磁性物质有Cr、Mn、Fe等。
第五类：亚铁磁性物质。
亚铁磁性物质是指处于磁场中，呈磁矩方向和磁场方向偏离，但磁化强度非常小的物质。
常见的亚铁磁性物质有铬、铝、银等。
3.磁极的基本概念磁极是指磁体的两个极端点，分别为南极和北极。
在磁场中，南极与北极之间互相作用，产生吸引或排斥力。
南极与南极之间、北极与北极之间产生相互排斥的力；南极与北极之间、北极与南极之间产生相互吸引的力。
根据这个相互作用的规律，最早确定了地球的磁南北极的位置。
4.磁极之间的互相作用规律在磁场中，磁极之间互相作用的规律可以通过下面的两个实验来观测。
实验一：两个北极互相排斥将两个北极放在一起，它们会互相排斥，如图1所示。
实验二：一个北极和一个南极相互吸引将一个北极和一个南极放在一起，它们会互相吸引，如图2所示。
从这两个实验可以看出，同名磁极之间互相排斥，异名磁极之间互相吸引，这就是磁极间互相作用的规律。
铁磁性与反铁磁性
温度的影响
铁磁性
随着温度的升高，铁磁性材料会逐渐失去其磁性，这种现象称为磁性转变。在居里点以 上，材料变为顺磁性。
反铁磁性
反铁磁性材料在温度降至尼尔点以下时，会表现出强烈的反铁磁性。随着温度的升高， 反铁磁性逐渐减弱，并在尼尔点以上完全消失。
压力的影响
铁磁性ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
压力对铁磁性的影响较为复杂。在一定 范围内，压力的增加会使铁磁性增强。 但超过一定范围，压力会导致铁磁性减 弱甚至消失。
铁磁性的物理意义
磁畴结构
铁磁材料内部存在自发磁化和磁畴结构，这些结构在磁场作用下会发生磁畴翻 转，导致磁化强度的变化。
磁化机制
铁磁材料的磁化机制主要包括交换相互作用和各向异性相互作用，这些相互作 用决定了材料的磁学性质。
铁磁性的应用
电机和发电机
铁磁材料在电机和发电机中作为 定子和转子的一部分，利用其高 磁导率和磁感应强度实现能量的
铁磁性与反铁磁性
目录
CONTENTS
• 铁磁性简介 • 反铁磁性简介 • 铁磁性与反铁磁性的比较 • 铁磁性与反铁磁性的影响因素 • 铁磁性与反铁磁性的研究进展
01 铁磁性简介
CHAPTER
定义与特性
定义
铁磁性是指某些材料在磁场中被强烈 磁化，表现出高磁导率和磁滞回线的 特性。
特性
铁磁材料具有高磁导率、高磁感应强 度和磁滞回线宽等特性，使得它们在 磁场中能够产生较大的磁化强度。
新材料发现
通过实验研究，人们发现了许多具有优异铁磁性 和反铁磁性性能的新型材料，为实际应用提供了 更多选择。
温度对铁磁性和反铁磁性的影响
实验研究进一步揭示了温度对铁磁性和反铁磁性 物质的影响，有助于深入理解其物理机制。
磁性物理学第一章物质磁性概述-磁性物理
如氧、铝、铂等金属，以及某些非金属如氮、氧等。
顺磁性特点
顺磁性物质的磁化率比抗磁性物质大，但仍然是微弱的。它们同样 不会自发磁化，且在外磁场撤去后无剩磁。
铁磁性物质
01
铁磁性定义
铁磁性是指物质在外磁场作用下，能产生很强磁化现象，且可以自发磁
化形成磁畴。
02
铁磁性物质举例
如铁、钴、镍及其合金等。
物质磁性影响因素分
04
析
温度对物质磁性影响
居里温度
物质磁性随温度变化的重要参数，当温度高于居里温度时，铁磁性物质转变为顺 磁性。
磁化率与温度关系
对于顺磁性物质，磁化率随温度升高而降低；对于铁磁性物质，在居里温度以下 磁化率随温度升高而降低，在居里温度以上转变为顺磁性。
压力对物质磁性影响
压力效应
磁性分类
根据物质在磁场中的表现，可分为铁 磁性、亚铁磁性、反铁磁性、顺磁性 和抗磁性等。
物质磁性来源
电子自旋磁矩
电子自旋产生的磁矩是物质磁性的主要来源。
电子轨道磁矩
电子绕原子核运动时产生的磁矩，对物质磁性有 贡献但通常较小。
原子核自旋磁矩
原子核自旋产生的磁矩，对物质磁性的贡献极小， 通常可忽略不计。
尔元件等，实现非接触式测量和自动控制。
磁记录材料应用领域
硬盘驱动器
磁记录材料用于制造硬盘驱动器的存储介质，实现数据的长期可 靠存储。
磁带
利用磁记录材料的磁化特性，制造磁带等线性存储设备，用于数 据的备份和归档。
磁卡
磁记录材料用于制造各种磁卡，如信用卡、门禁卡等，实现身份 识别和交易安全。
总结与展望
物质在压力作用下，原子间距减小，电子云重叠增加，导致 交换作用增强，从而影响物质的磁性。
铁磁性与反铁磁性
无机材料化学(第11讲物质的磁性分类)
（1）磁滞回线
磁化过程中磁化强度与磁场强度的关系曲线。 （磁化曲线）
OAB 起始磁化曲线 Ms 饱和磁化强度 Mr 剩余磁化强度
或称剩磁 Hc 矫顽磁场或矫顽力 BD 去磁－退磁曲线
磁滞回线
H为铁磁质中的合磁化强度
磁滞回线还可以表示成Biblioteka ～H的关系曲线，其形状和M～H类似。
因为铁磁质中，M的数值比H 大得多（102～106倍），
反铁磁质的磁化率x>0，一般为10-3~10-6，μr>1。 在磁场中表现为弱磁性。 具有反铁磁性的物质（反铁磁体）有： （1）氧化物：MnO、FeO、α-Fe2O3、Cr2O3、NiO等； （2）部分金属：Mn、Cr、Pt、Pd等； （3）其它化合物：FeS2、MnS、NiF2、FeF2等及部分
铁氧体, 如 ZnFe2O4(反尖晶石)等。
3.3.3 物质的磁性分类
根据磁化率 x 值 或 相对磁导率μr (μr = 1+x ) 的 大小及变化规律，物质的磁性可分为以下五类：
逆磁性（或抗磁性） 顺磁性 铁磁性 反铁磁性 亚铁磁性
1. 逆磁性（或抗磁性）
具有逆磁性的物质在磁场中的磁化很弱， x<0，约为 -10-6 ~ -10-4，μr 是略小于1的数。
磁化强度 M 与磁场强度 H 方向相反，( M = x H )
且一般情况下x不随温度变化。
逆磁性物质主要有如下几类：
（1）惰性气体； （2）不含过渡元素的离子晶体，如 NaCl、KCl 等； （3）不含过渡元素的共价化合物（如CO2）和所有有机化合物； （4）某些金属和非金属，如 Bi、Zn、Cu、 Hg、Pb 、Si、P等。
(4) 铁磁居里温度
升高温度时，热运动可以瓦解磁畴内磁矩有规则的 排列，使磁畴全部破坏的最低温度即为 居里点 TC (居里温度），这时铁磁体转变为顺磁性物质，居里 点体现分子热运动对磁畴形成的干扰。
3.5 反铁磁性的“分子场”理论
次近邻的分子场系数可正可负，这里假定：ii 0
所以，最近邻和次近邻产生的分子场是同方向的。
按照Weiss分子场理论,两个次点阵的磁化强度可以写作：
MA
1 2
NgJ
J
B BJ
A
,
MB
1 2
NgJ
J BBJ
B ,
A
0JgJ B
kBT
H H mA
H
H
//
M //
H cos
M
H sin
H
// cos2 sin2
对于多晶材料，晶粒自旋轴是混乱分布的，因此要
对 在整个范围内取平均
// cos2
sin2
1 3
//
2 3
在不考虑次近邻作用时，可以利用a，b 中的结果：
MA
C
2T
H AB M B ii M A
MB
C
2T
H AB M A ii M B
M
MA
MB
C 2T
2H
ABM
iiM
M H
C T
1
AB
2
ii
M H
C
C
Neel 还指出，同铁磁体在自发磁化消失的居里温度会发 生反常的行为一样，反铁磁体在这个温度也会发生类似 比热反常等行为。
反铁磁体的比热和热膨 胀系数在 TN 附近都有明 显的反常现象，都证实 了Neel 的预见。
铁磁、反铁磁、顺磁、抗磁
铁磁性铁磁性Ferromagnetism过渡族金属（如铁）及它们的合金和化合物所具有的磁性叫做铁磁性，这个名称的由来是因为铁是具有铁磁性物质中最常见也是最典型的。
钐(Samarium)，钕(neod ymium)与钴的合金常被用来制造强磁铁。
铁磁理论的奠基者，法国物理学家P.-E.外斯于1907年提出了铁磁现象的唯象理论。
他假定铁磁体内部存在强大的“分子场”，即使无外磁场，也能使内部自发地磁化；自发磁化的小区域称为磁畴，每个磁畴的磁化均达到磁饱和。
实验表明，磁畴磁矩起因于电子的自旋磁矩。
1928年W.K.海森伯首先用量子力学方法计算了铁磁体的自发磁化强度，给予外斯的“分子场”以量子力学解释。
1930年F.布洛赫提出了自旋波理论。
海森伯和布洛赫的铁磁理论认为铁磁性来源于不配对的电子自旋的直接交换作用。
铁磁性材料存在长程序，即磁畴内每个原子的未配对电子自旋倾向于平行排列。
因此，在磁畴内磁性是非常强的，但材料整体可能并不体现出强磁性，因为不同磁畴的磁性取向可能是随机排列的。
如果我们外加一个微小磁场，比如螺线管的磁场会使本来随机排列的磁畴取向一致，这时我们说材料被磁化[1]。
材料被磁化后，将得到很强的磁场，这就是电磁铁的物理原理。
当外加磁场去掉后，材料仍会剩余一些磁场，或者说材料"记忆"了它们被磁化的历史。
这种现象叫作剩磁，所谓永磁体就是被磁化后，剩磁很大。
当温度很高时，由于无规则热运动的增强，磁性会消失，这个临界温度叫居里温度(Curie temperature)。
如果我们考察铁磁材料在外加磁场下的机械响应，会发现在外加磁场方向，材料的长度会发生微小的改变，这种性质叫作磁致伸缩(magnetostriction)。
产生铁磁性条件：铁磁质的自发磁化：铁磁现象虽然发现很早，然而这些现象的本质原因和规律，还是在本世纪初才开始认识的。
1907年法国科学家外斯系统地提出了铁磁性假说，其主要内容有：铁磁物质内部存在很强的“分子场”，在“分子场”的作用下，原子磁矩趋于同向平行排列，即自发磁化至饱和，称为自发磁化；铁磁体自发磁化分成若干个小区域(这种自发磁化至饱和的小区域称为磁畴)，由于各个区域(磁畴)的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以大块铁磁体对外不显示磁性。
一什么是抗磁性顺磁性铁磁性和亚铁磁性作图表示前四种其磁化率
固体物理（二）复习纲要一 什么是抗磁性、顺磁性、铁磁性和亚铁磁性,反铁磁性；作图表示前四种其磁化率与温度的关系，并给出每一种满足理想形式的一种实际材料二 什么是固体的介电、压电、热释电和铁电性，给出它们间的关系；三 给出GMR 、TMR 和CMQ 的异同点。
四 用外斯经典分子场理论的结果解释至少3个铁磁性的特征性质。
五 用朗道的平均场理论分别解释铁电体的一级或二级相变、相变潜热与极化率χe 与温度T 的关系，对二级相变还需给出Pr-T 的关系.六 利用Laugerin 的理论导出局域电子顺磁性固体磁化强度与磁场和温度的一般性质M （B 、T ）进而讨论高温弱场条件下和低温强场条件下的规律七 分别求Fe 、Co 、Ni （以及Fe 、Fe +2，Fe +3）原子基态、朗德g 因子以及μJ八 利用Lamore 进动讨论局域电子的抗磁性磁化率χ九 用双电流模型解释GMR 的物理机制。
十．原子氢的抗磁磁化率。
氢原子的基态（s 1）波函数是()02130a re a --=πψ，其中cm me a 822010529.0-⨯== 。
按照波函数的统计解释，电荷密度2),,(ψρe z y x -=。
试证明该态的2023a r =，并计算原子氢的摩尔抗磁磁化率。
十一.某种顺磁性气体，单位体积内的原子浓度为N ，0=L ，21=S ，试计算在温度T 和磁场H 下的两个能级上的原子浓度，以及磁化强度。
十二.某种顺磁性气体，它的每个原子具有永久磁矩μ 。
在外磁场H 的作用下，假定这些原子磁矩可以是任意取向的。
试计算这种气体的磁化强度。
十三 利用经典统计，计算N 个固有电偶极钜为组成的固体的总磁化强度（设其电偶极钜间相互作用可以忽略），并证明弱场高温每个电偶极子的取向极化率与温度成反比。
1(when 1:cth )3x x x <=。
铁磁性与反铁磁性
如何来解释？ （自旋波理论）
.
8
绝对零度下的饱和磁化强度:
nB是有效磁子数
.
9
Fe 原子: Fe[26]
2s2 2p6
3s2
3p6
nB=4
实际观测值nB往往不是整数，原因: 1.自旋-轨道耦合，+/- 轨道磁矩 2. 在顺磁性离子实周围感生的 3.亚铁磁性物质的自旋磁矩不是整数。
MnO中Mn2+离子排列
.
21
奈尔温度以下的磁化率
.
22
.
23
反铁磁性磁波子: 反铁磁性磁波子的色散关系:
长波近似下，
铁磁性
.
24
6.铁磁畴
.
25
畴壁的3类: 布洛赫畴壁（bloch）
尼尔畴壁（Neel）
（枕木状）
介于二者之间的畴壁
z
y
x
Bloch畴壁: 磁化方向自旋相对于畴壁 的法线成分连续变化。磁化强度在厚 度方向上像竹帘打捻一样实现反转， 多见于块状磁体
动量守恒: 能量守恒:
.
14
4.亚铁磁序
在磁结构的本质上它和反铁磁物质相似, 但宏观表现上却更接 近于O·Fe2O3
Fe3O4的自旋排列。
.
15
铁氧体就是典型的具有亚铁磁性序的材料
尖晶石结构: Fe3O4, MnFe2O4, CoFe2O4 石榴石结构: A3Fe5O12, (A=Y,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Yb ) 磁铅石结构: BaFe12O19, PbFe12O19, SrFe12O19, 钙钛矿结构: LaFeO3,
.
3d6
4s2
10
铁磁性与反铁磁性
原子核
3
物质磁性分类的原则
A.是否有固有原子磁矩？B.是否有相互作用？ C.是什么相互作用？
1. 抗磁性：没有固有原子磁矩 2. 顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用 3. 铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用 4. 反铁磁性：有磁矩，直接交换相互作用 5. 亚铁磁性：有磁矩，间接交换相互作用 6. 自旋玻璃和混磁性：有磁矩，RKKY相互作用 7. 超顺磁性：磁性颗粒的磁晶各向异性与热激发的竞争
a
4
1.铁磁序
M：单位体积的磁矩。 BE=λM
对于顺磁体： M=χPB χP= M / B = C / T
对于铁磁体： M=χP（Ba + BE） χ= M / Ba = C / （T-Cλ）
Χ=C/ T-TC , TC=Cλ
λ = TC/C ：平均场常数。
铁：λ≈5000
BE≈λM =103Ta
a
17
YIG晶体中3种位置：
6个氧构成A位置（V8）、
4个氧构成D位置（V4） 、
8个氧构成C位置（V12）
A
金属离子被O2－形成的
亚点阵包围：
Y3＋→C；Fe3＋ →A＋D
D
C
石榴石晶胞中共160个原
子（离子）：O原子96个 石榴石晶体结构示意图
构成亚点阵；A原子16个；
D位24个；C位24个
a
应用： 生物领域。生物中的单畴粒子与外部磁场之间 的相互作用，鸟类的迁徙，蜜蜂的飞行。 仪器：扫描隧道显微镜的探针
18
亚铁磁体的居里温度及其磁化率
a
19
亚铁磁性体自发磁化随温度的变化
MS Q型
TC
MS P型
TC
MS R型
5 材料的磁学性能
外磁场。
顺磁体的原子或离子是有磁矩的(称为原子固有磁矩，它是电子 的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和)，其源于原子内未填满的电子 壳层(如过渡元素的d层，稀土金属的f层)，或源于具有奇数个电
子的原子。但无外磁场时，由于热振动的影响，其原子磁矩的取 向是无序的，故总磁矩为零。
当有外磁场作用，则原子磁矩便排向外磁场的方向，总磁矩便大
材料名称 氧化铝 铜 金 水银 硅 银
当有介质时，介质被磁化后，其产生的磁场强度M和源
磁场强度H对运动电荷共同产生作用，此时磁感应强度
和Ｂ磁场强度H有何关系？
B 0 ( H M )
令 则
0 (1 ) H 0 (1 ) B H
式中的μ为介质的磁导率，单位为H/m，是磁性材料 最重要的物理量之一，其也反映了介质磁化的能力。
亚铁磁性物质由磁矩大小不同的两种离子(或原子)组成，
矩，这就是亚铁磁性（ferrimagnetism）。
尼尔点是反铁磁性转变为顺磁性的温度(有时也称为反铁磁 物质的居里点Tc) 。
尼尔点
图5-14 三种磁化状态示意图
5.3.3 磁畴 铁磁性（ferromagnetism）材料所以能使磁化 强度显著增大（即使在很弱的外磁场作用下， 也能显示出强弱性），这是由于物质内部存在 着自发磁化的小区域——磁畴（magnetic domain）的缘故。
外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性， 这种磁性称为铁磁性。
过渡金属铁、钴、镍和某些稀土金属如钆、 钇、钐、铕等都具有铁磁性。 此材料的磁化率可高达103，M>>H
5.2 抗磁性与顺磁性
任何物质都是由原子组成的，而原子又是由带正
电荷的原子核(简称核子)和带负电荷的电子所构
材料物理性能铁磁性
生的。根据键合理论，当原子相互接近(jiējìn)时，电子云
要相互重叠，电子要相互交换位置。交换力的作用
迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序的排列。
共五十二页
铁磁材料的原子(yuánzǐ)组态和原子(yuánzǐ)磁矩
自然界中的铁磁性材料(cáiliào)都是金属，它们的铁磁性来源于原
共五十二页
统一(tǒngyī)的表
达式
交换(jiāohuàn)作
用能
1
e2
E 2 E0 K A 2 A( S a Sb )
2
R
Eex 2 A Sa .Sb
对于基态，要求Eex<0（以满足
能量最低原则）
A
铁磁性
顺磁性
Co
Ni
1. 若A<0,则，Sa与Sb相反，自旋反平行
常温下呈现为顺磁性。
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共五十二页
共五十二页
第二节 铁磁性
• 物理本质(běnzhì)
外斯假说(jiǎ shuō)
• 自发极化
• 反铁磁性
• 亚铁磁性
• 磁相互作用
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3. 反铁磁性
x
x
x
TC
铁磁性
T
TN
反铁磁性
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T
TS
T
亚铁磁性
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反铁磁性的基本特征
共五十二页
反铁磁性与亚铁磁性的特点
• 反铁磁晶体可以看做是由两个亚点阵组成，每个亚点
阵的离子磁矩平行排列而相互间的磁矩方向(fāngxiàng)却
反平行。即MA + MB = 0，自发磁化强度为零。
材料物理性能-磁性能
1831—1879
居里定律
发明了磁秤（磁天平），实现了对弱磁性的测量。
根据大量的实验结果，总结出著名的居里定律。
抗磁体的磁化率不依赖磁场强度且一般不依赖于温度； 顺磁体的磁化率不依赖磁场强度且与温度成反比； 铁在某一温度（居里温度）以上失去磁性。
压电效应的发现； 放射性物质研究，发现了镭。
由此说明了地磁的成因和物质的磁性。
（1775-1836）
发现四 提出了分子电流假说。
揭示了物质磁性的本质。
电和磁本质上是统一的。
电磁感应现象
1831年，由法拉第发现。
俗称磁生电，直接导致了发电机的
发明，影响非常深远。
其它成果： 1834年，发现了电解定律，开创 了电化学学科。 发现了物质的抗磁性。 提出了电磁场这一概念。 法拉第，英国科学家
居里定律
居里-外斯定律
C T C T
3.相变及组织转变的影响
当材料发生同素异构转变时，晶格类型及原子间距
发生变化，会影响电子运动状态而导致磁化率的变 化。例如，正方晶格的白锡转变为金刚石结构的灰 锡时，磁化率明显变化。当材料发生其他相变时， 也会影响磁化率，影响的规律比较复杂。
Ht H H
磁场强度的单位是A/m (安/米)。 磁化强度 M ：材料被磁化后，单位体积的磁矩 1 M mi V 磁化强度的单位是A/m (安/米)。mi为原子固有磁矩。
H M
磁化率χ：表征物质本身的磁化特性，量纲为1，其值可正、 可负。
M H
磁导率μ：反映了磁感应强度与外磁场强度的关系，即当 外磁场增加时磁感应强度增加的速率。
顺磁磁化过程示意图
(a)无磁场 (b)弱磁场 (c)强磁场
固体物理学：第七章-第九节-反铁磁性
A代表自旋三重态(S=1，铁磁)，而b代表自旋单重态 (S=0，反铁磁)。他们的能量分别为（直接是Mn和O的 格点能相加），两者能量相等：
超交换作用可以看做中介氧离子的电子参与的虚跃迁 过程，并且导致动态交换。首先不考虑多体效应，计 算电子通过氧离子在两个Mn格位间的有效单电子跃迁 矩阵元，它对应于以下的跃迁过程：
初态
中间态
终态
上述过程的跃迁矩阵元为： 称为电荷转移能，
由于跃迁是通过氧离子作为媒介完成的，跃迁的最 后结果是氧离子的状态未发生变化，但是Mn离子之 间确完成了一个跃迁，跃迁矩阵元为teff，这样计算 三重态和单重态的电子跃迁图像简化为：
上述的零级基态能量是简并的，由于氧离子状态未变， 所以可以不考虑氧离子的能量。
但是当0<T<TN时，计算表明随着温度升高，平行磁 化率平滑地增加，在奈耳点：
下图是MnF2的实验结果
3. 超交换作用(superexchange)
过渡金属的盐类，比如MnO，磁性Mn离子中间存在 氧离子，所以两个Mn相距较远，波函数不能重叠，因 此海森堡的交换作用（直接交换）极其微弱。Kramers 提出磁性离子的交换作用可以通过中间的非磁性离子 作为媒介而产生，称为超交换作用。
2. 反铁磁序
反铁磁体的定压比热容Cp在奈耳点出现反常，似乎 表明反铁磁体在奈耳点有一个从磁有序到有序的二 级相变。
X射线衍射表明，MnO具有NaCl结构，晶格参数 0.443纳米。但是慢中子衍射表明，在奈耳温度以上， 两者衍射峰没什么区别。但是在奈耳温度以下，中 子衍射出现了一些X射线没有的峰，此时得到的晶格 常数为0.885纳米，相当于元胞扩大一倍。
变价、铁磁、金属
3种典型的反铁磁结构
区别在于中子具有自旋，它不但能检测晶体结构， 还能检测磁结构。所以可以肯定在奈耳温度以下， 相邻的Mn原子出现了反平行的磁矩，相当于两个Mn 原子不等价了，所以元胞扩大了一倍。
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