材料物理性能铁磁性.ppt

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1、中国矿业大学 材料科学与工程学院,第三章 材料的磁学性能,本章内容,基本磁学性能铁磁性铁磁体的技术磁化过程铁磁材料的测量与应用磁性材料的研究热点,第二节 铁磁性,物理本质自发极化反铁磁性亚铁磁性磁相互作用,外斯假说,1.铁磁性的物理本质(外斯假说),皮埃尔.外斯（1865-1940），法国物理学家。他创建了几乎整个铁磁性理论，他的理论还被应用到亚铁磁性理论中，因此被誉为“现代磁学之父”。他几乎全部的工作都是在斯特拉斯堡大学完成的。,铁磁体的磁化曲线,分子场假说,铁磁材料在 0 Tc 存在与外加磁场无关的自发磁化,原子磁距克服热运动的无序效应，自发地平行一致取向,在分子场作用下,磁畴假说,无外场

2、时，各磁畴自发磁化到饱和，且磁化方向随机分布，宏观的总磁距为0,对应的区域为磁畴,自发磁化是按区域分布的,热运动破坏了分子场对原子磁距有序取向的作用能：,分子场强度,磁畴与畴壁,分子场假说,磁畴假说,自发磁化理论,技术磁化理论,解释了铁磁性的本质,解释了铁磁体在外磁场中的行为,现代磁学理论,铁磁性的主要特征,高的饱和磁化强度磁化率数值很大，并且是温度与磁场的函数存在磁性转变的特征温度居里温度磁化强度和外磁场之间不是单值函数，即存在磁滞现象大多具有磁晶各向异性和磁滞伸缩效应。,第二节 铁磁性,物理本质自发极化反铁磁性亚铁磁性磁相互作用,外斯假说,2.铁磁质的自发磁化,铁磁质的磁化是自发产生的，磁

3、化过程只不过是把 铁磁质本身的磁性显示了出来，而不是由外界向铁 磁质提供磁性的过程。,铁磁质的自发磁化是由于电子间的静电相互作用产 生的。根据键合理论，当原子相互接近时，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。,铁磁材料的原子组态和原子磁矩,铁、钴、镍原子的外层电子境充规律,自然界中的铁磁性材料都是金属，它们的铁磁性来源于原子未被抵消的自旋磁矩和自发磁化。,金属要具有铁磁性，它的原子只有未被抵消自旋磁矩还不够，还必须使自旋磁矩自发地同向排列，亦即产生自发磁化。,分子场的起源？,海森堡：分子场是量子力学交换作用的结果。,铁磁性自发磁化起源于电子

4、间的静电交换相互作用。,以H2为例,波函数,a0原子的玻尔半径,又当R 无限小时，两个H相互靠近形成H2，此时电子是全同的，无法区别属于那个原子,系统的波函数应为它们的线性组合。原子轨道线性组合成分子轨道(LCAO-MO),H2系统的波函数,当忽略电子的自旋与轨道之间以及自旋与自旋之间的磁相互作用时，系统的哈密顿为：,二电子动能,原子核与电子静电作用能,原子核作用能,电子静电作用能,哈密顿算子,经微扰计算，其对称和反对称态的能量本征值为：,库仑静电能：,交换积分：,交换积分：电子电子、原子核电子间静电交换作用。,讨论：H2的A 0,ES EA 电子自旋平行取向自发磁化。结论：静电交换作用影响自

5、旋的排列。A 0，平行取向（铁磁性排列），能量低；A 0，反平行取向（反铁磁性排列），能量低。,对于基态，要求Eex0，自旋平行为基态（铁磁性）；3.若A=0，系统能量与近邻电子磁性壳层中电子相对取向无关，因此物质呈顺磁性。,交换作用能,统一的表达式,铁磁性产生的充要条件：,交换能,A 交换能积分常数 两相邻原子的两个电子自旋磁矩之间的夹角,交换能取决于交换积分A和夹角。,原子内部要有未填满的电子壳层，Rab/r 3使A 0。,物质中的原子有磁矩,原子磁矩间有相互作用,自发磁化,铁磁性,原子内层电子交互作用积分常数A 0，使彼此的自旋磁矩同向排列形成自发磁化。铁、钴、镍因其交换积分A具有较大的

6、正值，因此有较强的自发磁化倾向。一些稀土元素虽然也具有自发磁化倾向，但其A值很小，相邻原子间的自旋磁矩同向排列作用很弱，原子振动极易破坏这种同向排列，即它们的居里点很低，所以在常温下呈现为顺磁性。,第二节 铁磁性,物理本质自发极化反铁磁性亚铁磁性磁相互作用,外斯假说,3.反铁磁性,铁磁性,反铁磁性,亚铁磁性,x,x,x,T,T,T,TC,TN,TS,反铁磁性的基本特征,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却反平行。即MA+MB=0，自发磁化强度为零。亚铁磁晶体同反铁磁晶体相同，只是两个亚点阵磁矩的方向相反大小不等，即MA+MB 0，从而表现出宏观

7、磁性。,在整个温度区间内，磁化率出现极大值的点称为尼尔点TN。,“铁氧体”，即Fe2O3与二价金属氧化物组成的复合氧化物。,反铁磁性与亚铁磁性的特点,常见的反铁磁体,反铁磁性在宏观上是顺磁性的，反铁磁体大多数为非金属氧化物，如MnO。,MnO点阵中的Mn2+自旋排列,对于反铁磁性与亚铁磁性的晶体（如：NiO、FeF2、Fe3O4），其晶格结构是磁性离子与非磁性离子相互交叉排列。两个磁性离子被非磁性离子隔开，磁性离子间距很大，故自发磁化难以用dd交换作用模型解释，此时磁性离子间的交换作用是以隔在中间的非磁性离子为媒介来实现的。超交换作用,反铁磁性的分子场理论,第二节 铁磁性,物理本质自发极化反铁

8、磁性亚铁磁性磁相互作用,外斯假说,4.亚铁磁性的发现,亚铁磁性的基本特征,存在磁有序无序的转变温度(尼尔点或居里点)存在磁滞现象存在磁各向异性和磁致伸缩效应饱和磁化强度较低居里温度较低电阻率高、介电常数大等,同铁磁性,不同于铁磁性,几种常见的亚铁磁体,典型的亚铁磁性物质当属铁氧体，通常采用陶瓷烧结工艺制备。铁氧体是离子化合物，它的磁性来源于所含离子的磁性。,尖晶石铁氧体,M2+=Co2+、Ni2+、Fe2+、Mn2+、Zn2+过渡元素。,O2-半径大，晶格结构就以O2-作为密堆积，金属离子半径小，填充于密堆积的间隙中，尖晶石晶格结构的单胞中有两种间隙：四面体间隙（A位64个）：间隙小，填充较小

9、尺寸的金属离子。八面体间隙（B位32个）：间隙大可填充较大尺寸的金属离子。,一个晶胞,四面体,八面体,铁氧体自身的优势,高电阻低损耗应用领域：无线电子、自动控制、电子计算机、信息存储、激光调整等。,特别适用于高频范围,涡旋损耗,例如，电饭煲控温功能。,第二节 铁磁性,物理本质自发极化反铁磁性亚铁磁性磁相互作用,外斯假说,5.磁相互作用,包括直接交换相互作用、超交换相互作用、双交换相互作用、RKKY相互作用、经典偶极子相互作用以及库伦相互作用等。,直接交换相互作用,来源于量子力学全同粒子系的特性，即来源于电子之间的交换。过渡金属和合金的磁性原子通常能满足这样的条件。,超交换作用(间接交换作用),安德森首先建立起间接交换作用模型，1950年他通过该模型讨论了MnO的反铁磁性；这种交换作用是以氧离子为媒介的。,小结,铁磁性的物理本质铁磁性产生的充要条件反铁磁性与亚铁磁性磁交换作用,外斯假说,原子内部要有未填满的电子壳层，Rab/r 3使A 0。,