第二章磁性的起源讲义

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第二章磁性的起源.

第二章磁性的起源.
二、电子自旋磁矩 自旋→自旋磁矩
实验证明:电子自旋磁矩在外磁场方向分量等于一 个μB,取正或取负。

μ
s
H

μ B


e 2m

e m2
自旋角动量:
PS SS 1
在外场方向分量:Ps H
ms

2
(自旋磁量子数:ms


1) 2
自旋磁矩与自旋角动量的关系为:
2、La系收缩:指La系元素的原子与离子半径随原子序 数的增加而逐渐缩小。
3、稀土离子的有效波尔磁子
J=gJ J (J 1)B
因为受外面 5s25p66s2电子的屏蔽作用,稀土离子中的4f电 子受到外界影响小,离子磁矩与孤立原子相似。
Sm3+与Eu3+除外,原因是他们不能满足hv>>kBT。
2. 计算原子总自旋角动量时,只考虑未填满次壳层中 的电子。
3. 电子总磁矩可写为:
g e P P,g : Lande因子
2m
g 1,来源于轨道运动;
g 2,来源于自旋;
1 g 2, 来源于二者
第二节 原子磁矩
由上面的讨论可知,原子磁矩总是与电子的角动量联
• 过渡元素的原子或离子组成物质时,轨道角动量冻结,
因而不考虑L
• 孤立Fe原子的基态(6.7 μB)与大块铁中的铁原子(2.2 μB) 磁矩不一样。
• 物质中:
Fe3+的基态磁矩为5 μB
Mn2+
5 μB
Cr2+
4μB
Ni2+
2 μB
Co2+
3 μB
Fe2+
4 μB (有几个未成对电子,就有几个μB)
其产生的μl电 子iA 轨 道2磁 e矩 :r2

材料物理性能课件-3.2磁性起源和原子磁矩

材料物理性能课件-3.2磁性起源和原子磁矩
l = 0,1,2,…,n-1共n个值,
角动量 pl 的绝对值为
pl l(l 1)
对应角动量的磁矩的绝对值是
l
l(l 1) e 2me

B
e 2me
则 l l(l 1) B
角动量和磁矩在空间是量子化的,其在外磁场方
向的分量不连续,间断值取决于磁量子数ml,即 有
( pl )HLeabharlann ml(l )H ml B
PJ的绝对值为 PJ J ( J 1)
PS S(S 1)
PL L(L 1)
原子的总角量子数J由S和L合成。J可取J=L+S,L+S1,…∣ L-S∣ 个可能值。 当L>S时J可取从(L+S)到(L-S)共(2S+1)个可能值; 当L<S时,J可取从(S+L)到(S-L)共(2L+1)个可能值。
(⑴)电子壳层与磁性 多电子原子中,决定电子所处的状态的准则有两条:
一是泡利(W.Pauli)不相容原理,即在已知体系中,同一 (n、l、ml、ms)量子态上不能有多于一个电子。
二是能量最小原理,即体系能量最低时,体系最稳定。
多电子原子中电子分布规律:
第一、由n、l、ml和ms,四个量子数确定以后,电子 所处的位置随之而定。这四个量子数都相同的电子不 多于一个。
J
2J (J 1)
J (J 1) B

g
1
J
(J
1)
S(S 1) 2J (J 1)
L(L
1)
称为朗德因子或光谱分裂因子
J
g
J ( J 1) B
原子磁矩在外场方向的投影为:
( J )H mJ gB
mJ = 0,±1,±2, …,±J,共有(2J+1)个

第二章 磁学性能 第一讲

第二章 磁学性能 第一讲

U m B
磁场强度
根据产生磁场的方式,有两种表达式:
电流产生的磁场
一个每米有N匝线圈,通以电流强度为i (A)的无线 长螺线管轴线中央的磁场强度。
H Ni
( A/m)
磁铁在其周围产生的磁场
极强为m1的磁极,在距离 r 处产生的磁场强度是 单位极强 (m2=1wb) 在该处所受到的作用力 m1 F H k 2 ( A/m) m2 r
Ek K 0 K1 ( 2 2 2 2 2 2 ) K 2 2 2 2
(6.24)
K1、K2为晶体各向异性能常数。 铁在20℃时的值约为4.2×104J/m3,钴的值 为4.1×105J/m3,镍的值为-0.34×104J/m3。
磁性基本量总结
1.磁学基本量:
2.磁性参数与介电参数的比较
A/m
磁 感 应 强 度
特斯拉:T
1)H(A/m) ---E (V/m) : 导致极化的外部驱动力的量度; 2)B ( VS/m2) ----P (C/m2):材料对外部作用场的响应的量度; 3) X() ----------- Xe 无量纲,描述材料对外部作用场的响应; 4) μ0---------------ε0 建立材料的相应参数和尺度参比量
TN
T
四、铁磁性 (1)很容易被磁化到饱和(只 需要很小的磁场) (2) f > 0,且为101~106 (3)也存在一个临界温度TC
(4)M-H呈非线性关系
代表性物质:11种金属元素和 众多的化合物和合金
铁磁性
X>>1, 在较低的温度下,铁磁物质中相邻原子磁偶极矩之间的交 换作用,其强度可以克服热起伏的影响,结果没有外部磁场的作用下, 相邻的偶极子也彼此整齐的排列。 例:纯铁--- B0=10-6T时,其磁化强度M=104A/m FeSO4(顺磁性), B0=10-6T时,其磁化强度M=0.001A/m

磁性物理学(第二章讲稿)PPT课件

磁性物理学(第二章讲稿)PPT课件
原子的总动量由电子的轨道角动量和自旋 角动量以矢量叠加方式合成,主要由:L- S,jj和LS+jj 耦合三种
L-S耦合:各电子的轨道运动间有较强的相
互作用∑li → L,∑si →S , J=S+L
发生与原子序数较小的原子中(Z<32)。 j-j耦合:各电子轨道运动与本身的自旋相互
作用较强,∑(li+si) → ji,∑ji →J ,Z>82 LS+jj耦合: 32<Z<82 铁磁体中,原子的总角动量大都属于L-S耦合
3.洪特规则(Hund’s Rule) (适合于L-S耦合) 目的:确定基态的电子组态和动量矩。 I. 在Pauli原则允许下,S取最大值,
S= ∑ms Ⅱ.总轨道量子数L在上述条件下可能的最
大值, L= ∑ml III.次壳层未半满时, J=|L-S|; IV. 次壳层半满或超过一半时,J=L+
3s2
3p6
3d10
b.原子中电子基态分布服从规则:
泡利不相容原理
能量最低原理
c.电子填充方式(依电子组态能量高低)
1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s
结论:满壳层电子的总动量矩和总磁矩为零,只有未
成对的电子磁矩对原子的总磁矩作贡献,未满壳层——
磁性电子壳层
2.角动量耦合
(μS)┴在一个进动周期中平均值为零。
∴ 原子的有效磁矩等于μL与μS 平行于PJ的
分量和,即:
PJ
PS
J
L
s
PJ
PL
PL L(L 1), PS S(S 1), μL
μS
L L(L 1)B , s S(S 1)B μJ
μL-S

磁性材料基础知识-ppt课件

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求其轴线上一点 p 的磁感强度的方向和大小.
Idl
r
dB
B
o
R
p B
x
*
x
I
dB 0

Idl r2
解: 根据对称性分析
毕奥—萨伐尔定律的应用2
Idl
sin R
R
o
r
x
dB
*p x
r2 R
B0I

r 2 x2
sindl
l r2
dB x
dB 0

Idl r2
dB xdsBin4 π 0Isri2 n dl
0I dl
2πR l
I B
dl
oR
l
l 设 l 与 I 成右螺旋
关系
3.3 安培环路定理-应用
求载流螺绕环内的磁场 (已知 n N I)
1) 对称性分析;环内 B 线为同心圆,环外 B 为零.
2 )选 回路(顺时针圆周) .
lB d Bl 2 0π NR I B 0 NI
2π R
d
令L2πRB0NIL
内部交流报告
磁性材料基础知识
提纲
1 磁性材料的发展简史
2 磁学基本常识
磁性来源 磁学基本概念 磁性材料分类
3 电磁学主要定律-恒稳/交变磁场
4 磁性材料性能分析
5 磁性材料应用实例
精品资料
• 你怎么称呼老师? • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点,你
是否会认为老师的教学方法需要改进? • 你所经历的课堂,是讲座式还是讨论式? • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒,也不怕那风雨狂,只怕先生骂我
一、磁性材料发展简史(续)
• 1946年 Bioembergen发现NMR效应 • 1948年 Neel建立亜铁磁理论

磁性材料基础知识 ppt课件

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磁路的欧姆定律:
FNiHlB l lS R m m
磁路的欧姆定律:
Bl l
FNiHl S R m m
自感 L Ψ i N iΦ N (F i m ) N (N i m )i N 2 m
N ——线圈匝数
Λm——自感磁通所经磁路的磁导
自感的大小与匝数的平方和磁路的 磁导成正比;
铁心线圈的自感要比空心线圈的大 得多;
类 硬(永)磁材料 Hc>1000A/m(12.5Oe)
按化学组成分类: 金属(合金);无机(氧化物);有机化合物
按维度分类: 纳米(零维;一维;二维);微晶;非晶;块体
提纲
1 磁性材料的发展简史
2 磁学基本常识
磁性来源 磁学基本概念 磁性材料分类
3 电磁学主要定律-恒稳/交变磁场
4 磁性材料性能分析
3.2 磁场高斯定律
1、内容
通过任意闭合曲面的磁通量必等于零。
2、解释
BdS0
S
磁感应线是闭合的,因此 有多少条磁感应线进入闭 合曲面,就一定有多少条
磁感应线穿出该曲面。 B
S
B
3、说明
•磁场是无源场; 电场是有源场 •磁极相对出现,不存在磁单极; 单独存在正负电荷
3.3 安培环路定理
1、内 容 B
V
A A·mm -1 1
J m和M亦有如下关系:
Jm=µ0M
2.1 磁性来源
(a)无外磁场情况
铁磁材料内部的 磁畴排列杂乱无章, 磁性相互抵消,因此
对外不显示磁性。
磁畴是怎 么形成的

铁磁材料之所以具有高导磁 性,是因为在它们的内部具有 一种特殊的物质结构—磁畴。
(b)有外磁场情况

第二章磁性的起源

第二章磁性的起源
第二章 磁性的起源
第一节 电子的轨道磁矩和自旋磁矩 第二节 原子磁矩 第三节 稀土及过渡元素的有效玻尔磁子 第四节 轨道角动量的冻结(晶体场效应) 第五节 合金的磁性
第一节 电子的轨道磁矩和自旋磁矩
物质的磁性来源于原子的磁性,研究原子磁性是研究 物质磁性的基础。
原子的磁性来源于原子中电子及原子核的磁矩。 原子核磁矩很小,在我们所考虑的问题中可以忽略。 电子磁矩(轨道磁矩、自旋磁矩) ——→原子的磁矩。 即:
子之间的相互作用引起了磁矩的变化。因此计算 宏观物质的原子磁矩时,必须考虑相互作用引起 的变化。
5、决定多电子原子基态的量子数L、S与J,可依照 Hund’s Rule计算如下:
I. 在Pauli原则允许下,S取最大值,S= ∑ms II. 总轨道量子数L在上述条件下可能的最大值,
Ps=-
s Ps
其中: s
e m
,为自旋磁力比,且: s
2 l
的绝对值:
s
s
SS 1 e 2
m
SS 1B
1. 总自旋磁矩在外场方向的分量为:
μ s H =2msB , ms 1/ 2,最大分量 :[μ s H ]max 2SB
2. 计算原子总自旋角动量时,只考虑未填满次壳层中
的电子。
∑li → L,∑si →S , J=S+L
发生与原子序数较小的原子中(Z<32)。
b) j-j耦合:各电子轨道运动与本身的自旋相互作 用较强,∑(li+si) → ji,∑ji →J ,Z>82
c) LS+jj耦合: 32<Z<82
★无论那种耦合, J=gJ J (J 1)B 均成立。
4、组成分子或宏观物体的原子的平均磁矩一般不等 于孤立原子的磁矩。这说明原子组成物质后,原
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磁性物理学
第二章 磁性的起源
2)磁荷
磁介质的最小单元是磁偶极子 介质没有被磁化,磁偶极子的取向无规, 不显磁性; 处于磁场中, 产生一个力矩,磁偶极 矩转向磁场的方向,各磁偶极子在一定 程度上沿着磁场的方向排列,显示磁性
磁性物理学
第二章 磁性的起源
2、现代观点:物质的磁性来源于组成物质中原子的磁性
(2) 对于满壳层的电子排布来说,电子的自旋运动占据了所有可
能的方向,因此总的自旋量子数S为零,从而导致总轨道磁矩S
为零,计算某原子的磁矩时,只考虑磁性电子壳层中的电子
磁性物理学
第二章 磁性的起源
i e e T 2
其产生的电子轨道磁矩:
μl
iA 2
e
r2
1 er 2
2
又∵轨道动量矩:
l
e 2m
pl
将轨道磁矩与 pl mvr mr 2
动量矩之间建 立关系:
l l pl
轨道旋磁比: l
e 2m
磁性物理学
第二章 磁性的起源
众所周知,电子轨道运动是量子化的,因而只有分立的轨 道存在,换言之、角动量也应该是量子化的,并由下式给出
第二章 磁性的起源
第一节 电子的轨道磁矩和自旋磁矩 第二节 原子磁矩 第三节 稀土及过渡族元素的有效玻尔磁子 第四节 轨道角动量的冻结 第五节 铁磁合金的磁性
磁性物理学
第二章 磁性的起源
1、早期观点 1)安培分子电流
在磁介质中分子、原子存在着一种环形电 流——分子电流,分子电流使每个物质微 粒都成为微小的磁体 在没有被磁化时,分子电流杂乱无章排列, 不显磁性;加入磁场,分子电流沿磁场方 向规则排列,显磁性
(4)电子自旋的方向由自旋量子数 s 决定 s=±½
Note:这四个参数组合在一起就构成一个确定的量 子态,每一个量子态上只能有一个电子
磁性物理学
第二章 磁性的起源
磁性物理学
第二章 磁性的起源
多电子原子中电子分布规律: ➢ 泡利不相容原理
(1)由n、l、m、s四个量子数所确定的量子态最多只能 容纳一个电子; (2)n、l、m三个量子数相同的电子最多只能有两个; (3)n、l两个量子数相同的电子最多只有2l(l+1)个; (4)n相同的电子最多只能有2n2个
只是电子的电荷特性,而忽略
了电子自旋的一面。但当器件
的尺度减小到纳米量级时,由
于量子效应,现有电子学器件
的发展将趋于极限。而量子尺
度下电子的自旋属性可以得到
电子是电荷与自旋的统一载体 充分的显示,如果能有效地利
用电子自旋的特性,必将使电
NOTE:要研究材料的磁性,必须探 子学器件的功能得到根本性的
讨体系的电子特性
Note:角动量和磁矩在外磁场方向的分量也不连续,只能有 一组确定的间断值,这些间断值取决于磁量子数m(相当于
电子轨道平面与磁场方向具有一些不连续的倾角)
pl
H
ml
l H
l cos
l
pl H
pl
l

Pl
l
H
H
ml
ml B
ml
l l 1
ml B
磁性物理学
第二章 磁性的起源
说明:
(1) 对于多电子体系来说,只需要用总的轨道角量子数L来代 替上式中的l,而总的轨道角量子数等于各个电子轨道角量子 数的矢量和;
pl l( l 1 )
h 1.0551034 (JS)
2
l
e 2m
l( l 1)
玻尔磁子
令B
e 2m
9.2731024 [ A m2 ] 1023 [ A m2 ]
角动量的磁矩在空
l B l( l 1 )
间也是量子化
NOTE:电子轨道磁矩不是玻尔磁子的整数倍
磁性物理学
第二章 磁性的起源
(2) 对于满壳层的电子排布来说,电子的轨道运动占据了所有 可能的方向,因此总的轨道角量子数L为零,从而导致总轨道
磁矩L为零
(3) 计算某原子的轨道磁矩时,只考虑未填满的那些次壳层中 的电子——这些壳层称为磁性电子壳层
磁性物理学
第二章 磁性的起源
二、电子的自旋磁矩s
当今光电子和微电子材料
的研究和应用领域关注的大多
改善和提高。
磁性物理学
第二章 磁性的起源
☺自旋→自旋磁矩
与自旋相联系的自旋角动量的绝对值为:
ps s( s 1)
其中s值只能取1/2
类似于轨道角动量,自旋角s
1 2
实验证明:电子自旋磁矩在外磁场方向分量等于一个
B,取正或取负:
s H
B
e 2m
核外电子结构用四个量子数表征:n.l.m.s ( 多电子体系 ) (1)电子轨道大小由主量子数n决定,由它决定电子的 能量
n = 1, 2, 3, 4,………的轨道群 又称为K, L, M, N,…….的电子壳层
(2)轨道的形状由角动量量子数 l 决定,由它决定电子 的轨道角动量的绝对值 Pl l l 1
1) 电子的自旋运动
2) 电子的轨道运动:核外电子的运动相当于 一个闭合电流,具有一定的轨道磁矩
3) 原子核的磁矩
材料的磁性主要来源于电子的轨道磁矩和自旋磁矩。原子核的 磁矩很小,只有电子的几千分之一,通常可以略去不计
磁性物理学
第二章 磁性的起源
预备知识
原子的经典玻尔模型:Z个电子围绕原子核做圆周运动
分析说明:Cr、Fe原子的核外电子分布情况
➢ 能量最低原理:电子自旋倾向于在同一方向排列
磁性物理学
第二章 磁性的起源
第一节 电子的轨道 磁矩和自旋磁矩
Orbital and spin magnetic moment of electron
磁性物理学
第二章 磁性的起源
一、电子的轨道磁矩l
按波尔原子模型,以单电子体系原子为例说明: 以周期T作轨道运动的一个电子相当于一闭合圆形电流i
l = 0, 1, 2, 3,……..n-1 又称为s, p, d, f, g,……..电子
磁性物理学
第二章 磁性的起源
(3)电子轨道在空间的取向由决定磁量子数 m,由它决定电
子的轨道角动量Pl 在空间任意指定方向(如外磁场H的方向)
的投影值
Pl H m
m = l, l-1, l-2,……0,…..-(l-1), -l
e m
2
磁性物理学
第二章 磁性的起源
∴自旋磁矩和自旋角动量的关系可以表示为:
μs
=- e
H
m
ps H
μs
e m
ps=- s
ps
自旋旋磁比:
s
e m
2 s s 1B
说明:(1) 对于多电子体系来说,只需要用总的自旋量子数S来
代替上式中的s,而总的自旋量子数等于各个电子自旋量子数的 矢量和;
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