铁磁性ppt课件

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• 为解决这个矛盾，Weiss提出第二个假设：
• 在居里点以下铁磁体分成许多微小的区域，在这 些区域中存在着与铁磁体所处温度对应的自发磁 化强度，这种区域为磁畴。
磁性材料中常见的磁畴形状：条形畴，树枝状畴和迷宫畴
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• 由于热运动的无序性，在没有外场的时候，铁磁 体内部各磁畴的自发磁化强度混乱取向，相互抵 消，致使整个磁体的宏观磁化强度为零。
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• 当两个氢原子距离很远时，因为无相互作用，电子的 自旋取向是互不干扰的，此时每个原子都处于基态， 其能量为E0。
• 当两原子接近后，在核与核、电子与电子之间、核与 电子之间产生了新的静电相互作用，
氢分子模型
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• 氢分子的能量已经不是简单等于两个原子基态能量 E0之和，而是
E2E0 E1
• 只有在外场的影响下，磁畴中磁化强度的取向和 磁畴体积才会发生变化，使磁体中出现宏观的磁 化强度。
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• 尽管Weiss假设对铁磁学有十分重要 的意义，但限于当时物理学的发展 水平，它只是一种表象理论，并没 有揭示两个基本假设的物理意义。
• 1929年，海森堡证明，相邻原子间 有静电交换作用，并通过量子力学 方法计算了铁磁体的自发磁化强度 ，Weiss理论才以量子交换力作为相 互作用力的起源，解释了铁磁性的 物理本质。
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自发磁化
• 原子结构表明，Fe、Co、Ni和其相邻元素Mn、Cr 等原子磁性并无本质差别，凝聚成晶体后，其磁性 都来源于3d次壳层中电子没有填满的自旋磁矩，然 而前者是铁磁性的，后者是非铁磁性的。
• 材料是否具有铁磁性的关键不但在于组成材料的原 子本身所具有的磁矩大小，还在于形成凝聚态后原 子的相互作用。
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• 式中C和A的表达式为
C
e2k( 1 r12
1 ra2
r1b1)a(1)2gb(2)2d1d2
A e 2 k (r 1 1 2 r 1 a 1 r 1 b 2 )a ( 1 )b (2 )a (2 )b ( 1 )d1 d2
kBTc BHat
H at kB T Bc10 1 20 3 29 103109A/m
• 式中，kB=1.3803×1023J/K为玻尔兹曼常数，
μB=1.1653×10-29Wb·m为玻尔磁子。
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• 显然，原子范围内提供不了这样大的磁场。因而， 引起原子磁矩自发排列的力肯定不是原子磁矩之间 磁的相互作用力。
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Weiss假设
• Weiss提出第一个假设：磁体中存在与外场无关的自 发磁化强度，在数值上等于技术饱和磁化强度Ms， 而且这种自发磁化强度的大小与物体所处环境的温 度有关。对于每一种铁磁体都有一个完全确定的温 度，在该温度以上，物质就完全失去了其铁磁性。
➢ 在外磁场为零的时候，铁磁体不存在磁化强度； ➢ 根据Weiss的第一个假设，铁磁体似乎是应该有; ➢ 这个矛盾显然是由另外一些原因所造成的。
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• 实际铁磁体的居里温度在数百K甚至上千K。
• 引起铁磁体内原子磁矩排列整齐，并使有序状态保 持到如此高的温度的力量显然比磁相互作用力要大 千百倍。
物质 Fe Co Ni Gd Dy MnBi
一些铁磁体的居里温度Tc
Tc/K
物质
1043
CrO2
1388
MnO·Fe2O3
627
FeO·Fe2O3
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• 如果物质的χ大于0，且数值很大，这类物质为铁磁 性物质，如Fe、Co、Ni等。
• 铁磁性材料具有很强的磁性，在技术具有广泛的应 用，通常所指的磁性材料就是这类材料。
电工纯铁
金属钴
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金属镍
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• 研究表明，铁磁性和顺磁性具有相同的来源。
• 对顺磁体来说，要使顺磁体中由于热扰动而排列混乱 的磁矩在室温下达到接近于整齐排列的状态，需要 8×108A/m的强磁场，目前的极限磁场很难达到如此 高的强度。
磁学与磁性材料（2）
Magnetism and Magnetic Materials
材料科学与工程学院 李军
铁磁性
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• 铁磁性的物理本质
➢Weiss假说 ➢自发磁化 ➢铁磁性的判据 ➢亚铁磁性和反铁磁性 ➢铁磁体的特征
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• 铁磁材料中的磁自由能
➢静磁能 ➢退磁能 ➢磁晶各向异性能 ➢磁致伸缩与磁弹性能
• E1为能量补充项，它不但与粒子的库仑作用有关， 还与电子自旋的相对取向有关。
➢ 考虑到电子自旋平行及反平行时系统的能量不同。用E1 和E2分别表示这两种状态的氢分子能量，则上式可写成
e2 E1 2 E 0 k rab C A 自旋平行
e2 E 2 2 E 0 k rab
C A
自旋反平行
• 对铁磁体来说，它的磁化强度容易改变，只需在很小 的磁场下（1×103A/m）就可以达到技术饱和；磁场 去除后，这种排列仍然可以保持下去。
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• 铁磁性研究的核心问题就是为什么铁磁体 的原子磁矩比顺磁体容易整列？
物质内部原子磁矩的排列 a:顺磁性 b:铁磁性 c:反铁磁性 d:亚铁磁性
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铁磁性的物理本质
• 人们把注意力转向静电力。但是，建立在Newton力 学和Maxwell电磁力学上的经典电子论也不能揭示 铁磁体自发磁化的本质。
• Heisenberg和Frank按照量Baidu Nhomakorabea理论证明，物质内相邻 原子的电子间有一种来源于静电的相互作用力。由 于这种交换作用对系统能量的影响，迫使各原子的 磁矩平行或反平行排列。
292
NiO·Fe2O3
88
CuO·Fe2O3
630
MgO·Fe2O3
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Tc/K 386 573 858 858 728 713
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• 既然铁磁体有居里温度，说明在这个临界温度，原 子热运动能已经和自发磁化等效磁场与原子磁矩之 间的能量相等。
• 在居里点，原子的热运动能为kBTc的数量级，静磁 能也应在kBTc的数量级。
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• 在有电子壳层参加的原子现象范围内，通常有两种 类型的力：磁相互作用力和静电力。
• 为解释Weiss的第一个假设，人们试图用原子磁矩 之间的磁相互作用力来解释原子磁矩出现的自发平 行取向。
• 磁相互作用力的能量与热运动的能量相比太小了， 根据计算，在磁相互作用力下，物体只需加热到 1K就可以破坏原子磁矩的自发平行取向，因而物 体的居里温度应在1K左右。