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固体物理论文
固体物理论文
题目:
固体铁磁性的物理本质
学生姓名:
邹之全
学号:
20114380104
撰写日期:
2014年4月30日
摘要
本文用半经典方法、唯象的方法以及微观角度分别讨论抗磁性、顺磁性和铁磁性固体的物理本质
关键词
磁化率,原子磁矩,磁场,温度,自发磁化,铁磁性
1、引言:
物质的磁性按他的不同特点可以分为强磁性以及弱磁性。
弱磁性只有在具有外磁场存在时才会有所表现,并且随着外磁场强度的增加而增大。
依据磁化强度的不同,弱磁性将分为顺磁性与抗磁性。
而强磁性表现在,不存在外场的时候物质本身会自已发生磁化现象,我们将这种现象称之为自发磁化现象。
为了减少体系中含有的能量,铁磁体内部自发的被分为许多小的区域,自发磁化在每个区域的方向都不相同,在这种没有外场的情况下,由自发磁化所产生的各个方向的磁矩就相互抵消了。
也就是总磁矩为零。
因此,在没有外加磁场作用在铁磁体上时,铁磁体并不显像出磁性。
【1】
2、固体磁性的分类及其特征[2]
固体的磁性按其不同性质,可分为抗磁性、顺磁性以及铁磁性三钟。
固体的原子的磁矩的相互作用和对外磁场的响应强度将导致固体的磁性发生变化。
固体的磁性一般是以磁化率
来描述。
在外磁场中
,磁化率定义为:
其中
为磁化强度,
为外磁场感应强度,
为真空磁导率。
根据大量实验结果,我们可以估计磁化率的大小,抗磁性固体磁化率的
大小约-10-5~-10-6数量级,并且在温度变化时
几乎不会发生改变;顺磁性固体磁化率的
大小约10-2~10-5数量级。
与温度的变化呈现下式关系
(C为居里常数),铁磁性固体
拥有一个临界的温度
当温度高于
时,铁磁性固体将变为顺磁性并满足关系
(
为居里温度)。
3、正常抗磁性的半经典理论解释[3]
抗磁性是磁场对电子轨道运动所起作用的结果,电子轨道运动在磁场中会发生旋进即拉莫尔旋进。
使电子以一定的角动量围绕磁场方向进动,从而在固体原子中产生感生电流,由于电子带负电,感生电流相当于一个反向的正电环流,进而产生与磁场方向相反的磁矩,因而产生抗磁性。
由此可见抗磁性普遍存在于物质之中。
抗磁性来源于感生磁矩,并不是固体本身自有的磁矩。
所以只有在原固体总磁矩为0以及极小的情况下,抗磁性才能显像出来。
所以,抗磁性固体中的原子固有的总磁矩为0。
设一个电流回路产生的磁矩为μ,回路面积为A
在外磁场作用下的一个原子中,电子运动围绕磁场方向旋进,根据拉莫尔进动可知
整个原子中的Z个电子形成一个电的环流
所产生的磁矩为
式中
是电子轨道进动面积,
为电子轨道运动的均方值。
N个原子产生的磁化强度为
由此推得N原子产生的抗磁化率
因为抗磁体是由球对称满层离子或原子组成,进而有如下关系式存在
磁化率变为
若取
4、顺磁性的半经典理论解释[2]
在显示出顺磁性固体中,原子或分子具有稳定的固有磁矩,这些原子、离子和分子的电子层中具有奇数个电子,以至于电子体系的总自旋不为零。
由于热运动的作用,使原子磁矩的取向是无规律的,在外磁场作用下,原子磁矩有沿磁场方向取向的趋势,从而出现磁性。
并且磁化率
与外加磁场强度无依赖关系。
在上述讨论中,固体都具有抗磁性,但是由于抗磁性非常微弱,导致顺磁性固体很难显像出抗磁性,换句话说,顺磁性固体中也具有抗磁性。
设外加磁场为B,单位体积中的原子数为N,则原子的磁矩为
J为总量子数
在外磁场作用下,磁矩对H的可能取值有(2J+1)个,这时,可能的磁矩为
因而在磁场中的能量是量子化的
由于无规则热运动,原子相互碰撞,进行能量交换,当达到热平衡时,原子在各个能级的分布符合玻尔兹曼分布规律,即各能级原子数与
成正比,每一个能级为磁矩的一个取向。
一个原子在磁场中的平均磁矩则为
在高温弱场中有
存在
则N个原子组成的磁化强度为
磁化率为
C为居里常数
5、铁磁性固体唯象理论
5.1居里定律【4】
在顺磁性物质中的原子具有稳定的磁矩。
换句话说,这些原子的电子壳层中的电子是奇数个,因而它们的总自旋不为零,从而导致总磁矩不为零。
总磁矩不为零的自由原子都具有顺磁性。
我们通常用χ来表示磁性物质的基本特征,χ>0为顺磁性,χ<0为抗磁性。
实验证明,χ随温度的变化而产生一定的规律,并且顺磁性物质的磁化率χ遵守居里定律
5.2外斯(Weiss)“分子场”理论【5】
19世纪70年代铁磁物质的磁化曲线就用实验的方法测量了出来1907年法国物理学家外斯(P.Weiss)在朗之万顺磁理论的基础上首先系统地提出了铁磁性假说(简称分子场理论),其主要内容为:
1)铁磁体内包含很多小区域,即使没有外磁场,在这些区域内也有自发磁化强度,每个小区域是一个磁畴,不同的磁畴有不同的磁化方向,整个铁磁体的磁化强度是各个磁畴的磁化强度的矢量和,在没有外磁场时,由于磁畴的磁化强度各方向不一致,所以大块磁体对外不显示磁性。
2)在磁畴内部存在很强的“分子场”它使原子磁矩趋于同向平行排列,产生自发磁化到饱和。
5.3居里外斯定律【6】
大量实验数据表明,体磁性固体在居里温度以上时,呈现为顺磁性。
根据布里渊建立的顺磁磁化的量子统计理论,将顺磁磁化率公式
中的外加磁场H替换为总磁场
,带入居里定律:
,
从而可推得居里外斯定律
λ为分子场系数
5.4铁磁性的随温度变化的本质【7】
将微弱的磁场加在铁磁性固体上时,铁磁性固体的磁化强度基本处于饱和状态。
此事实表明,在没有外场的作用下,铁磁性固体内部原子磁矩,会依照某种规律排列起来,具有了一定程度的磁化,也就是发生了自发磁化现象。
在自发磁化过程中,为了降低静磁能而产生分化的方向各异的小型磁化区域,每个区域内部包含大量原子原子,这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列,但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同,这中小区域我们称为磁畴。
由于在自发磁化过程中所产生的磁畴的取向不一致,对外产生相互抵消的效果。
那么如果在没有外场的存在的情况下,磁矩的排列顺序是原子之间磁的相互作用所影响的,还是电的相互作用的呢?
在居里温度下,原子热运动能和自发磁化等效磁场与原子磁矩之间的能量相等,所以磁矩也将不再整齐排列,进而可以估计H的大小,即热运动能K
等于磁场能
H的数量级级
即:
则
而原子磁矩作用于相邻原子磁场大小可以用
其中
为居里温度约为103K,K为玻尔兹曼常数,
玻尔磁子,r为晶体原子间距约10-10m.从上两式结果进行比较可得出以下结论,自发磁矩是电子相互作用的结果.同时由量子力学可知,在物质内部相邻近的原子电子之间会产生静电的交换作用,这个作用迫使磁场的原子的磁矩平行或反平行排列,这有这样的排列能量才能保证最低,体系才最稳定。
这就是自发磁化的本质,同时也揭示了,铁磁性物质在居里温度以下时的本质。
在温度高于居里温度时,原子的热运动变得相当强烈,磁畴内的磁矩排列将变得杂乱无章,导致自发磁化程度趋近于零,从而显像出顺磁性,并满足居里外斯定律。
6、结束语
我们用半经典和唯象理论讨论了固体磁性的物理本质,在探讨铁磁性本质中,我们从分子场理论以及自发磁化的本质出发,解释了铁磁性与温度的关系以及磁化率,在一等程度上解释了一固体磁性的基本磁性现象。
7、参考文献
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科学出版社,2003
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[7]王建国.邵雪辉.磁滞回线的物理机理[N]河北建筑工程院学报2001
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