电子材料物理5-2

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1、Ch5电子材料的磁学性能----物质的磁性5.6物质的磁性所有的物质在磁场中都会受到磁力的作用，磁性是物质的基本属性，就像物质具有质量和电性一样。即：一切物质都具有磁性。抗磁性顺磁性物质的磁性可分为反铁磁性铁磁性亚铁磁性5.6物质的磁性1、抗磁性(Diamagnetism)若磁介质的原子磁矩为零未加磁场，宏观不显磁性在外磁场作用下H每个电子因发生进动产生感应磁矩，产生的附加磁场方向与外磁场方向相反故削弱了外磁场磁场中的电子vrerBμ=−P0lL2mrPL与电子作轨道运动所对应的圆电流在磁场中受到的磁力矩为vvvrvM=μ×BrLL0μL磁场中的电子在磁力矩M作用下，电子的轨L道角动量方向不

2、断发生变化rrB′vΔμBL0PL方向绕平行于磁场方向rP的某一固定轴发生于转动L在外磁场作用下，vv电子的绕核运动的轨道平面，r整个地绕外磁场方向发生进动，μL电子轨道平面的法线绕外磁场转动结果使电子产生附加转动，形成附加的磁矩r这一磁矩称为原子在外磁场中的感应磁矩ΔμL从图上可以看出方向总是逆着外磁场方向r这一电流产生的附加磁场B′感应磁矩也对应一电流其方向也总是逆着外磁场方向磁场中的电子rrrrΔμB′ΔμLB′LBμLBμ'LfvfvμLμ'L外磁场作用下，电子产生附加转动，形成附加的磁矩（感应磁矩），其方向与外磁场相反，产生的附加磁场的方向与原磁场方向相反1、抗磁性(Diamagn

3、etism)¾在外磁场作用下，获得与外磁场M方向相反的磁矩的现象¾抗磁性源于原子中电磁感应引起电子轨道状态的变化。0H¾抗磁性是一种很弱的、非永久性的磁性，只有在外磁场存在时才能维持。χM¾原子本征磁矩为零，磁场下所感χ=H应的磁矩很小，与外磁场相反。¾相对磁导率＜1，磁化率为负值，0T约为-10-5数量级例如：Bi,Cu,Ag,Au2、顺磁性(Paramagnetic)H若原子磁矩不为零加上外磁场后，在未加外磁场时，由于各磁矩将不同程度地沿着外磁个原子磁矩的方向是完全场方向排列起来，混乱的，彼此抵消，宏观上不产生磁效应。宏观上呈现出附加磁场，附加磁场与外磁场有相同方向2、顺磁性(Param

4、agnetic)ò固体的原子具有固有磁矩ò无外磁场作用时，材料中的原子磁矩无序排列，材料表现不出宏观磁性ò受外磁场作用时，原子磁矩能通过旋转而沿外场方向择优取向，表现出宏观磁性，这种磁性称为顺磁性ò在此材料中，原子磁矩沿外磁场方向排列，磁场强度获得增强，磁化强度为正值，相对磁导率＞1，磁化率为正值，磁化率也很小，只有10-5～10-2ò磁化强度M与温度T的关系为朗之万顺磁理论。2、顺磁性(Paramagnetic)¾抗磁体和顺磁体对于磁性材M料应用来说都视为无磁性¾它们只有在外磁场存在下才0H被磁化，且磁化率极小1χMCχ=χ=HχTTT00顺磁性——郎之万理论1905年郎之万在经典统计理论

5、基础上,首先给出了第一个顺磁性理论,其理论要点如下:(1)设顺磁物质中每个原子(或磁离子)的固有磁矩为μ，而且原子之间没有相互作用；J(2)当外磁场H=0,各原子磁矩受热扰动的影响,在平衡态时，其方向是无规分布的，所以体系的总磁矩M=0；(3)外加磁场H时，原子磁矩趋近于磁场H方向。某原子在磁场中的能量E=−μHcosθii顺磁性——郎之万理论设第i个原子的磁矩为μ，单位体积内有N个原子，外加磁J场H，则据经典统计理论可知系统的状态配分函数Z(H)为NNμ2ππ⋅⎛4π⎞Z()H⎡deμJcosθ/kTsind⎤sh=⎢⎣∫ϕ∫θθ⎥⎦=⎜α⎟00⎝α⎠μHJ其中α=kT∂ϕ∂F根据ϕ=−k

6、TlnZ==−M∂H∂H得∂M=kT()lnZ=NμL()αJ∂Hα−α1e+eL(α)=cthα−朗之万函数cthα=α−ααe−eM=NμL(α)(1)高温情况：JμHJα=>>⋅αkT在高温时，kBTμJHα<<1，所以L()α=32N⋅μCJM=H=H3kTTB2N⋅μJ式中C为居里常数C=3kB2N⋅μCJ顺磁材料的居里定律χ==3kTTB结论：物质的顺磁磁化率与温度成反比，居里常数与原子的磁矩有关。M=NμLα(2)低温情况：J()μHJ低温情况下或在磁场非常强的条件下α=kTμH>>kT，即α>>1,L(α)=1J得到：M=N·μ=Ms（饱和磁化强度）J郎之万最早从理论上推导出

7、居里定律，他开创了从微观出发，用统计方法研究物质磁性的道路。问题：没有考虑到磁矩在空间的量子化，因而与实验结果相比，在定量上有较大的差别。3、铁磁性(Ferromagnetic)ò在很小的外磁场作用下产生很强的磁化强度，M>>H磁化率可高达101～106ò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ò如：过渡金属Fe,Co,Ni和稀土金属钆、钇、钐、铕等MχC1χ=T−Tcχ0HTcTTcT00铁磁