磁性材料與器件第二章物質(zhì)的磁性來(lái)源及分類(lèi)詳解演示文稿

磁性材料與器件第二章物質(zhì)的磁性來(lái)源及分類(lèi)詳解演示文稿當(dāng)前第1頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)優(yōu)選磁性材料與器件第二章物質(zhì)的磁性來(lái)源及分類(lèi)當(dāng)前第2頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)3▼原子核外電子排布規(guī)律多電子原子中，電子排布的準(zhǔn)則有兩條：

泡利不相容原理和能量最低原理

大體可以歸納為：?

由n、l、ml和ms四個(gè)量子數(shù)確定以后，電子所處的位置隨之而定。這四個(gè)量子數(shù)都相同的電子最多只能有一個(gè)

?

n、l和ml三個(gè)量子數(shù)都相同的電子最多只能有兩個(gè)，ms只能為±1/2?n、l兩個(gè)量子數(shù)相同的電子最多只有2（2l＋1）個(gè)，ml從-l到+l共有（2l＋1）個(gè)可取值?

主量子數(shù)相同的電子最多只有2n2個(gè)，對(duì)于確定的n值，l可取l＝0，1，2，…，（n－1）共n個(gè)可能值

滿(mǎn)電子殼層的總動(dòng)量和總磁矩都為零。未填滿(mǎn)電子的殼層上才有未成對(duì)的電子磁矩對(duì)原子的總磁矩作出貢獻(xiàn)。這種未滿(mǎn)殼層稱(chēng)為磁性電子殼層。當(dāng)前第3頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)

…(n=3)主量子數(shù)相同的電子數(shù)最多：主量子數(shù)n代表主殼層，軌道量子數(shù)l

代表次殼層，能量相同的電子可以視為分布在同一殼層上。當(dāng)前第4頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)

大多數(shù)原子基態(tài)的電子組態(tài)可以按此規(guī)律給出。少數(shù)元素有些變化，如：Cu:······3d10,4s1Cr::······3d5,4s1見(jiàn)《結(jié)構(gòu)與物性》p15基態(tài)原子的電子在原子軌道中填充的順序是：1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,7s,5f,6d當(dāng)前第5頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)6n123主殼層符號(hào)KLMl001012次殼層符號(hào)sspspdml00101010121012ms狀態(tài)數(shù)或最多電子數(shù)2262610818n4主殼層符號(hào)Nl0123次殼層符號(hào)spdfml0101210123210123ms狀態(tài)數(shù)或最多電子數(shù)26101432表1 電子殼層劃分及狀態(tài)數(shù)續(xù)表當(dāng)前第6頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)7原子核+26K(n=1)L(n=2)M(n=3)N(n=4)1s12p62s23p63s23d64s2Fe的電子殼層和電子軌道當(dāng)前第7頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)8▼電子軌道磁矩ivm=iSre電子軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的軌道磁矩和動(dòng)量矩方向相反當(dāng)前第8頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)9引入量子力學(xué)方法：（l＝0，1，2，…，n－1

h為普朗克常數(shù)，h＝6.6256×1034[JS]

）（=9.2730×1024Am2，稱(chēng)為波爾磁子)當(dāng)前第9頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)10因?yàn)閖l=0l,同理會(huì)得出：=1.166010-29Wbm在SI單位之中采用的定義。當(dāng)前第10頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)11▼電子自旋磁矩S≡1/2，pS=自旋在磁場(chǎng)方向的分量(ms只可能等于1/2)實(shí)驗(yàn)表明：（S≡1/2， ）當(dāng)前第11頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)12則電子的總磁矩可以寫(xiě)成：其中，g稱(chēng)為磁力比因子。當(dāng)完全來(lái)源于軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)，g=1；全部來(lái)源于自旋時(shí)，g=2；兩者同時(shí)做貢獻(xiàn)時(shí)，1<g<2。稱(chēng)為磁力比當(dāng)前第12頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)13▼原子磁矩解決軌道和自旋磁矩耦合的問(wèn)題原子中角動(dòng)量耦合方式有兩種：?

j-j耦合各處電子的s和l合成j，然后再由各電子的j合成原子的總角量子數(shù)J

Z〉82?

L-S耦合低原子序數(shù)JLSl2s2s1l1鐵磁性物質(zhì)都屬于L-S耦合當(dāng)前第13頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)14軌道和自旋磁矩合成原子總磁矩PJPLPSLSJL-S當(dāng)前第14頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)15通過(guò)量子力學(xué)處理以后，

得到其中，?

當(dāng)L＝0時(shí)，J＝S，得g＝2，原子總磁矩都是由自旋磁矩貢獻(xiàn)的。?

當(dāng)S＝0時(shí)，J＝L，得g＝1，原子總磁矩都是由軌道磁矩貢獻(xiàn)的。兩種特殊情況：鐵磁性物質(zhì)的磁矩主要是由自旋貢獻(xiàn)當(dāng)前第15頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)(1s)2,(2s)2,(2p)6,(3s)2,(3p)6,(4s)2,(3d)10,(4p)6,(5s)2,(4d)10,(5p)6,(6s)2,(4f)14,(5d)10,Fe原子：Z=26,電子分布是：······3d6

根據(jù)洪德法則1，5個(gè)電子自旋占據(jù)5個(gè)的ms

狀態(tài)，另一個(gè)只能占據(jù)的ms

狀態(tài)，所以總自旋：（根據(jù)法則2）（根據(jù)法則3，電子數(shù)超過(guò)一半）原子磁矩計(jì)算舉例當(dāng)前第16頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)

2.Cr+3

離子：Cr原子Z=24，Cr+3

電子組態(tài)為··

··

3d3電子數(shù)不到半滿(mǎn)，與實(shí)驗(yàn)值相比，更接近，這是因?yàn)槭艿骄?chǎng)作用，軌道角動(dòng)量被凍結(jié)的緣故，只有自旋磁矩起作用。(1s)2,(2s)2,(2p)6,(3s)2,(3p)6,(4s)2,(3d)10,(4p)6,(5s)2,(4d)10,(5p)6,(6s)2,(4f)14,(5d)10,當(dāng)前第17頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)182.2物質(zhì)的抗磁性電磁感應(yīng)普遍存在由于電磁感應(yīng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)電子軌道發(fā)生變化，產(chǎn)生抗磁性：

普遍存在；

值很小，通常被掩蓋當(dāng)前第18頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)19▼拉莫進(jìn)動(dòng)電子拉莫進(jìn)動(dòng)當(dāng)前第19頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)20當(dāng)前第20頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)21當(dāng)前第21頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)2.3順磁性的朗之萬(wàn)理論22朗之萬(wàn)理論的主要內(nèi)容：原子磁矩之間無(wú)相互作用，為自由磁矩，熱平衡態(tài)下為無(wú)規(guī)則分布；受外加磁場(chǎng)作用后，原子磁矩的角度分布發(fā)生變化，沿著接近于外磁場(chǎng)方向作擇優(yōu)分布，因而引起順磁磁化強(qiáng)度。當(dāng)前第22頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)23經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算得到：當(dāng)前第23頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)240.20.61.013570朗之萬(wàn)函數(shù)曲線當(dāng)前第24頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)25郎之萬(wàn)函數(shù)的修正——布里淵函數(shù)考慮到原子磁矩在空間的量子化，有：按照波爾茲曼統(tǒng)計(jì)原理，原子磁矩處于mJ態(tài)能級(jí)的幾率正比于exp(-mJx)，其中x=0gJB/kBT，那么沿磁場(chǎng)方向的平均磁矩為：BJ(y)稱(chēng)為布里淵函數(shù)當(dāng)前第25頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)26在弱場(chǎng)、高溫條件下，y《1，則得到：與經(jīng)典理論相似在高磁場(chǎng)、低溫條件下，y》1，BJ(y)→1，得到：M=NgJJB=M0與經(jīng)典理論相同當(dāng)前第26頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)2.4材料的鐵磁性27▼鐵磁性物質(zhì)的基本特征何謂鐵磁性？所有原子磁矩都朝著一個(gè)方向排列，這種現(xiàn)象稱(chēng)為鐵磁性?

存在按磁疇分布的自發(fā)磁化?

磁化率很大?

磁化強(qiáng)度與磁化磁場(chǎng)之間不是單值函數(shù)關(guān)系，顯示磁滯現(xiàn)象?

存在磁性轉(zhuǎn)變溫度—居里溫度，以TC表示?

在磁化過(guò)程中，表現(xiàn)出磁晶各向異性、磁致伸縮和具有靜磁能量等現(xiàn)象當(dāng)前第27頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)28▼鐵磁性分子場(chǎng)理論分子場(chǎng)理論的兩個(gè)重要假設(shè)：分子場(chǎng)假設(shè)磁疇假設(shè)鐵磁性物質(zhì)在一定溫度范圍內(nèi)存在與外加磁場(chǎng)無(wú)關(guān)的自發(fā)磁化，導(dǎo)致自發(fā)磁化的某種作用力假設(shè)為鐵磁性物質(zhì)內(nèi)存在著分子場(chǎng)自發(fā)磁化是按區(qū)域分布的，各個(gè)自發(fā)磁化區(qū)域稱(chēng)為磁疇。在無(wú)外場(chǎng)時(shí)，磁疇都是自發(fā)磁化到飽和，但磁化方向不同，宏觀磁體總磁矩為零。當(dāng)前第28頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)29分子場(chǎng)能使區(qū)域磁矩取向一致，它到底有多大呢？磁矩?zé)徇\(yùn)動(dòng)能kT磁矩的分子場(chǎng)能居里溫度TC

時(shí)=已知玻爾茲曼常數(shù)k

=1.3805×10－23JK-1

，取TC=103K估算出Hmf為109Am-1量級(jí)

?磁矩之間的相互作用因此，分子場(chǎng)足以使磁矩趨于同向，形成自發(fā)磁化當(dāng)前第29頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)30外斯假定： 分子場(chǎng)Hmf值與自發(fā)磁化強(qiáng)度MS成正比，即稱(chēng)為外斯分子場(chǎng)系數(shù)，它是與鐵磁性物質(zhì)的原子本性有關(guān)的參量當(dāng)前第30頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)31分子場(chǎng)大小為：

Hmf＝MS

外磁場(chǎng)H的作用下，作用在原子磁矩上的總磁場(chǎng)為（H＋MS）可直接應(yīng)用順磁性朗之萬(wàn)理論，得：絕對(duì)飽和磁化強(qiáng)度鐵磁體原子磁矩被認(rèn)為是完全由自旋貢獻(xiàn)，故S代替J當(dāng)前第31頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)32對(duì)上式稍作變換，得到：用圖解法得到在一定的磁場(chǎng)和溫度條件下的磁化強(qiáng)度當(dāng)前第32頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)33>>當(dāng)前第33頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)34優(yōu)點(diǎn)：?物理圖像直觀清晰，數(shù)學(xué)方法簡(jiǎn)單；?很好的解釋了自發(fā)磁化強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律，得到了居里溫度；?分子場(chǎng)和磁疇被后來(lái)的理論和實(shí)驗(yàn)證實(shí)。缺點(diǎn)：沒(méi)有指出分子場(chǎng)的本質(zhì)，忽略了相互作用細(xì)節(jié)；處理低溫和居里溫度附近的磁行為時(shí)出現(xiàn)偏差。分子場(chǎng)理論是解釋鐵磁物質(zhì)微觀磁性的唯象理論當(dāng)前第34頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)35▼海森堡交換相互作用模型交換作用模型認(rèn)為，鐵磁性自發(fā)磁化起源于電子間的靜電交換相互作用，這種交換作用只發(fā)生在近鄰原子之間。系統(tǒng)內(nèi)部原子之間的自旋相互作用能為：A為交換積分，Si和Sj為發(fā)生交換相互作用原子的自旋。原子處于基態(tài)時(shí)，系統(tǒng)最為穩(wěn)定，要求Eex<0。當(dāng)A<0時(shí)，（SiSj）<0，自旋反平行為基態(tài)；當(dāng)A>0時(shí)，（SiSj）>0，自旋平行為基態(tài)。反鐵磁性鐵磁性當(dāng)前第35頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)36居里溫度由海森堡理論可以計(jì)算出居里溫度：鐵磁體的居里溫度正比于交換積分。居里溫度的本質(zhì)是：居里溫度是鐵磁體內(nèi)部靜電交換作用強(qiáng)弱在宏觀上的表現(xiàn)，交換作用愈強(qiáng)，自旋平行取向的能力愈大，要破壞這種作用，需要的熱能也愈高，宏觀上就表現(xiàn)出居里溫度愈高。當(dāng)前第36頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)37海森堡理論的評(píng)價(jià)海森堡理論第一次正確的說(shuō)明了自發(fā)磁化的本質(zhì)，指出了分子場(chǎng)的性質(zhì)和來(lái)源是由于強(qiáng)烈的靜電交換相互作用；優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：模型過(guò)于簡(jiǎn)單，很難用于定量計(jì)算實(shí)際物質(zhì)當(dāng)前第37頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)鐵磁性假說(shuō)：（1）在鐵磁性物體中存在著與外磁場(chǎng)無(wú)關(guān)的自發(fā)磁化強(qiáng)度，即分子場(chǎng)“Hm”，其在數(shù)值上等于技術(shù)飽和磁化強(qiáng)度MS；這種自發(fā)磁化強(qiáng)度的大小與物體所處的溫度有關(guān)；對(duì)于每一種鐵磁體都有一個(gè)完全確定的溫度（居里點(diǎn)），在該溫度以上物質(zhì)完全失去鐵磁性。（2）為解決無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)鐵磁體的磁化強(qiáng)度為零與假設(shè)的矛盾，外斯又提出磁疇的概念；鐵磁體的自發(fā)磁化分成若干區(qū)域，稱(chēng)為磁疇，雖然一個(gè)磁疇內(nèi)磁化方向相同，但由于各個(gè)磁疇的磁化方向不同，所以大塊磁鐵對(duì)外不顯示磁性。38當(dāng)前第38頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)在原子的電子殼層中存在沒(méi)有被電子填滿(mǎn)的狀態(tài)是產(chǎn)生順磁性的必要條件，此條件同樣適用于鐵磁性的產(chǎn)生。例如鐵、鈷、鎳的核外電子排布為3s2p6d64s2、3s2p6d74s2、3s2p6d84s2，因此可知其不滿(mǎn)狀態(tài)為3d狀態(tài)，且分別有四個(gè)、三個(gè)和二個(gè)空位。如果使充填的電子自旋磁矩按同向排列起來(lái)，將得到較大磁矩，理論上其磁矩分別為4μB，3μB和2μB。但并不是所有滿(mǎn)足此條件的都是鐵磁性材料。量子力學(xué)認(rèn)為，物質(zhì)內(nèi)部相鄰原子的電子之間存在一種來(lái)源于靜電的相互交換作用。正是由于這種作用對(duì)系統(tǒng)能量的影響，迫使各原子的磁矩平行或反平行排列。39當(dāng)前第39頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)系統(tǒng)的靜電能還依賴(lài)于電子自旋的相對(duì)取向，因此，氫分子的能量E已不是簡(jiǎn)單地等于兩個(gè)原子基態(tài)能量之和E0為原子處于基態(tài)時(shí)的能量，C是由于電子之間、核與電子之間的庫(kù)侖作用而增加的能量項(xiàng)，而A可以看做是兩個(gè)原子的電子交換位置而產(chǎn)生的相互作用能，稱(chēng)為交換能或交換積分，它與原子間電荷分布的重疊有關(guān)。由上式可看出，自旋平行時(shí)系統(tǒng)的能量E1和自旋反平行時(shí)系統(tǒng)的能量E2究竟哪一個(gè)低看，即哪一個(gè)處于穩(wěn)定態(tài)的關(guān)鍵在于交換積分A的符號(hào)。如果A<0，則E1>E2，即電子自旋反平行排列為穩(wěn)定態(tài)；反之，若A>0，則電子自旋平行排列為穩(wěn)定態(tài)。40當(dāng)前第40頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)由以上討論可知，物質(zhì)要具有鐵磁性必