第二章 物质的磁性ppt课件.ppt

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1、2.4.1铁磁性的“分子场”理论2.4.2Heisenberg直接交换作用模型2.4铁磁性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），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

2、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，称为技术磁化理论，我们将在四、五两章中介绍。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w称分子场系数分子场2.4.1铁磁性的“分子场”理论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

3、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p53二.自发磁化强度随温度的变化（图解法）BJ(a)是布里渊函数。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

4、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Hm（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BJ()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

5、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。当温度T升至TC时，α<<1，两线相切，有：给出铁磁居里温度其中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w。所以居里点是分子场系数w的一个很好的量度。（3.6）三.Curie温度与分子场系数的关系（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

6、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。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距认识的基础上有关，Gd的未满壳层4f电子被外面的5s和5p电子屏蔽，表

7、现为明显的局域磁距。T>TC,<<1,顺磁磁化率（H≠0）整理后（习题3.2）可知顺磁磁化率其中C是居里常数，得到了和TC一样的结果，这与实验是不相符的，所以“分子场”理论虽然给出了Curie-Weiss定律的表达式，但细节上是不够准确的。四.Curie-Weiss定律的导出Kittel书8版p224有效玻尔磁子数由磁化强度M(0)测量给出：由居里常数C测量给出：由洪德法则计算给出：测量最大值磁矩绝对值本表数值取自《材料科学导论》（2002）p266本表数值取自《材料科学导论》（2002）p278亚铁磁体1)由分子场理论得到的铁磁

8、性居里点和居里-外斯得到的居里点是一致的，但实际的物质是不一致的；2)在居里点磁化强度并不为零，将由短程序耒解释；3)在实际物质中，由居里温度以上的顺磁磁化率得到的有效原子磁矩与铁磁自发磁化强度得到的有效原子磁矩是不一致的。这些都是分