磁性物理3.1分解培训讲学.ppt

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1、磁性物理3.1分解一家之言：探求磁性起源应理解为寻找物质磁性的承载者：目前发现的只有电子磁矩（电子的轨道磁矩和自旋磁矩）和原子核磁矩。也有把外磁场感生的轨道矩改变作为第3种来源。更广义地说，电流的磁效应也是磁性的起源。但物质中电子磁矩间是否存在相互作用以及相互作用的类型，受材料内、外环境影响的程度如何是物质各种磁性表现的起因。磁性物理研究的不是磁性起源问题，而是各种磁性表现的起因问题。和弱磁性不同，强磁性是磁性应用的主体，不但需要解释其起因，还需要研究它们在外磁场中的行为，即磁性应用中的问题，要分成几个章节来完成，不宜再用铁磁性

2、、亚铁磁性等做章名。第三章自发磁化理论3.1铁磁性的“分子场”理论3.2Heisenberg直接交换作用模型3.3自旋波理论3.4金属铁磁性的能带模型及巡游电子理论3.5反铁磁性的“分子场”理论3.6亚铁磁性的“分子场”理论3.7间接交换作用模型3.8RKKY交换作用模型3.9自发磁化理论研究的进展参见姜书1.13,1.14两节及二、三两章铁磁性物质在磁场中的行为，19世纪末就已经有了系统研究和应用，它的强磁性起因早就成为科学界需要解决的问题，1907年法国科学家外斯（Weiss）提出了分子场和磁畴的假说（见姜书p53-54），

3、唯象地解释铁磁现象，尽管当时还不知道引起自发磁化的分子场的具体来源，但在描述铁磁体宏观行为上却获得了很大的成功，如今这两个假说都已得到证实，它们的详细理论构成了今天磁性物理学的核心内容。本章介绍分子场理论并从微观机制上探讨铁磁性自发磁化的起因，亚铁磁性、反铁磁性以及螺旋磁性的起因也将归并在这一章中介绍，磁畴学说则成解释强磁体在外磁场中的行为的理论基础，俗称技术磁化理论，我们将在四、五两章中介绍。3.1铁磁性的“分子场”理论一.分子场的引入：外斯(P.Weiss)提出分子场理论，并不是突发奇想，他是在对居里-外斯定律的分析中得到启

4、发的：顺磁物质服从居里定律，所以有：超过居里温度后的铁磁体服从居里-外斯定律，所以有：对比两种情况，可以认为在铁磁体内存在一个附加磁场称分子场系数分子场如果认为正是这个附加磁场引起了自发磁化，那么它的量级就可以由下式确定：（居里温度时自发磁化消失）这是一个实验室内目前根本达不到的强度，姑且叫做分子场。显然在这样强的磁场作用下，使原子磁矩平行排列是完全可以做到的。外斯根本没有考虑这样强的磁场会来源於何处，就做了铁磁体内存在分子场的大胆假设，这是他的过人之处。见姜书p53BJ(a)是布里渊函数。二.自发磁化强度随温度的变化（图解法）

5、假定存在一个分子场是否就能解释铁磁体的宏观磁行为，比如磁化强度随温度的变化？我们在Langevin顺磁理论的基础上进行讨论：设单位体积有N个原子，在分子场的作用下，系统稳定的条件仍是静磁能与热运动能的平衡。利用在顺磁性研究中给出的外场下磁化强度的表达式这时的变量是：（3.1）（3.2）求解联立方程（3.1）即可以给出一定温度和磁场下的磁化强度。外磁场H=0，即可求出一定温度下的自发磁化强度增加一项（3.4）式是一簇由不同J值决定的曲线，见下图。（3.5）式是一簇和T值J值有关的直线族。（3.3）令：H=0并求解，给出解析解是困难

6、的，我们用图解法因为由（3.1）式：方程（3.1）可以写成：（3.4）（3.5）温度为T时的磁化强度这是材料一个很重要的量不同J值时的Brilouin函数曲线见戴书p123M(T)/M(0)α直线和曲线的交点给出该温度下的自发磁化强度数值，不同温度直线和同一J值曲线的交点给出该J值下M(T)和温度关系。显然是一条随温度上升而逐渐下降、在居里温度至零的曲线，和实验结果是一致的。不同温度下的M(T)值同一J值下，不同温度的斜线原点是不稳定态。三.Curie温度与分子场系数的关系：当温度T升至TC时，α<<1，两线相切，有：给出铁磁居

7、里温度其中µJ2＝g2J(J+1)μB是原子磁距，C是居里常数测量宏观量居里温度TC就能给出分子场系数。所以居里点是分子场系数的一个很好的量度。（3.6）（3.6）式代入（3.5）式后有：和（3.4）式联立，消去可以给出如下关系：该式表明：对于任何一个量子数为J的系统，其变化规律是一致的，成为铁磁体自发磁化强度——温度关系的普遍形式。（3.7）M(T)/M(0)T/TCKittel书8版p226Gd采用M(T)/M(0)和T/TC作图，消除了不同物质间的区别，而集中反映自发磁化强度随温度变化的规律。它对所有铁磁物质是有普遍意义的

8、。利用J=1/2，1，∞的布里渊函数的计算值与实验结果比较。过渡族元素实验结果与J=½的曲线比较接近，说明过渡族元素的原子磁矩主要来自电子自旋贡献。和曲线的偏离将在后面部分说明。稀土金属Gd的实验结果与J＝7/2的曲线符合较好，这与分子场理论是建立在对局域电子磁