分子场讲义

4.3分子场理论
1.铁磁性和亚铁磁性材料
铁磁性和亚铁磁性材料的磁化率，磁化强度远大于顺磁性物质，就使铁磁性材料具有十分有用的强磁性，对现代技术和工业有及其重要的作用。

解释磁滞回线上的各种磁性参数。

为什么它们有强磁性？
因为原子磁矩是平行排列，比较顺磁和铁磁的原子磁矩排列不同。

2.外斯分子场唯象理论
注意说明外斯思考问题的方式，唯象的意义
1）铁磁物质内部存在很强的“分子场Hm”它使原子磁矩同向平行排列，即材料有自发磁化强度Ms：Hm=λMs
2）铁磁体的自发磁化分成若干磁畴，由于磁体中各磁畴的磁化方向不一致，所以大块磁体对外不显示磁性。

注意讲解用统计理论从微观量推出宏观磁性参数的一般方法。

•根据分子场理论，设有一个分子场Hm使铁磁体自发磁化，铁磁体的自发磁化强度Ms与分子场Hm成正比，即•Hm=λMs•式中λ为分子场系数。

在温度大于0K时，由于原子的热振动，分子场仅能使原子磁矩在一定程度上平行排列。

设单位体积中磁性原子数为N，在分子场和外磁场作用下铁磁体的宏观磁化强度随温度和磁场的变化用玻尔兹曼统计可得：
M＝ NJg m B B J(y) (1)
解该方程得出的主要结论：加深理解该方程意义。

一、如果外加磁场为零，式（1）和（2）没有共同的解，即自发磁化强度MS为零，材料表现出顺磁性。

该温度Tc称居里温度，
二、在T<Tc的任何温度下，自发磁化总是存在，材料表现出铁磁性。

当T->0K 时，BJ(y)->1，Ms(T->0)=NJ gμB，温度升高，自发磁化强度逐渐降低。

下图表示了居里温度附近的磁化强度随温度变化的实验曲线。

用热扰动和分子场力的作用解释该曲线
三、在T>Tc后材料表现出顺磁性。

材料的磁化率服从居里一外斯定律。

注意强调Tc对工程材料的意义。

3.产生自发磁化的本质
铁磁性，亚铁磁性和反铁磁性材料的原子磁矩为什么要平行或反平行排列？什么力作用使它平行排列？
注意讲解思考方式。

这个相互作用是什么？首先要估计这个相互作用有多强。

思路为：在居里温度，分子场的作用和热扰动的作用相等。

=2.2x1.17x10-29，居里温度为103度，而热运动能
铁的原子磁矩为2.2μ
B
kT=1.38x10-23x103。

假定这个作用等同一个磁场的作用，设为Hm，
=xHmµkT ;
那么2.2μ
B
Hm»109Am-1(»107Oe)
用现在我们人类能得到的最大磁场来说明该磁场有多么大！
古代科学家费尽脑子，该力从何处来？
思考思路（重点）：估计在原子中电子可能受到的力产生的能量，和分子场产生的作用能大小相比较。

磁矩间相互作用？
万有引力？
库仑静电力？
•当1924-1926年建立了描述微观电子运动的量子力学理论后，1928年海森堡和弗伦克尔几乎同时地分别提出了分子场来源于相邻原子间电子自旋的交换作用的理论。

这种交换作用是一种量子力学效应，是属于静电性质的。

•在原子组成物质后，当各电子的电子云重叠时，根据量子力学理论可以导出各电子之间存在静电的相互交换作用，引起的交换作用能Eex：•Eex=-2A Sa·Sb
强调引起直接交换作用的条件：电子云重叠。

要明确直接交换作用的贡献：主要贡献在用量子理论推出材料体系中存在一种交
换能和原子磁矩排列有关；它是静电交换作用。

5.磁有序的各种相互作用
但是直接交换作用不能解释所有的磁性材料中原子磁矩平行排列。

主要因为对磁性有贡献的电子的电子云并不一定重叠。

用上述思想，可以得到引起具体强磁性材料中原子磁矩平行排列的相互作用：超交换相互作用：亚铁磁性材料
RKKY相互作用：稀土金属材料
双交换相互作用：亚铁磁性材料
作为例题，讲解超交换相互作用是如何使得对磁性有贡献的电子反平行排列。

主要点：
Mn,O离子处于激发态
6.亜铁磁性和铁氧体材料
重复亜铁磁性材料的特点
1948年，奈尔（Neel）建立了亚铁磁性分子场理论。

注意讲解建立了亚铁磁性分子场理论思考方式。

其思想是:
假设亚铁磁性材料中磁性离子A,B构成的晶格，可以分为两个相互贯穿的次晶格A,B（简称A,B位）。

设它们在A,B次晶格的磁化强度分别为M A和M B。

那么总的磁化强度Ms为：
Ms=| M B - M A |μ
B
导致亚铁磁性材料的磁化强度和铁磁性的相比随温度变化有多Ms=|M B-M A| μ
B
种形式。

用图讲解磁化强度随温度变化的特点，用途。

举例：立方结构的尖晶石型铁氧体
一个晶胞中含有八个AB2O4分子。

理想的尖晶石晶体结构是大的氧离子按面心立方排列进行密堆，形成64个氧四面体间隙和32个氧八面体间隙。

只有八个四面体间隙位置和16个八面体间隙位置被金属正离子占据。

四面体中心位置为A位置，八面体的中心为B位置。

占据A位置的金属离子所构成的晶格为A次晶格。

占据B位置的金属离子所构成的晶格为B次晶格。

A位置或B位置的金属离子间都要通过O2—发生间接交换作用。

A和B位置上离子的磁矩是反铁磁耦合，在铁氧体中往往是A、B两个位置上的磁矩不等，因而出现了亚铁磁性。

总的磁化强度Ms计算原则：
1.轨道冻结
2.A位和B位原子磁矩合成：Ms=|M B-M A| μ
B
材料设计讨论： 在MnFe2O4铁氧体中加入Zn ，发现Zn 占A 位，离子分布为：
讨论：加入Zn 后自发磁化强度的变化
居里温度的变化趋势
()[]
43121312O Fe Mn Fe Zn
x x x x +++-+-+。