標籤: 暫無標籤

鐵磁性物質的原子有剩餘磁矩(自旋矩)。由於這些原子間的交換作用,使物質內的自旋平行排列,形成磁有序結構。這種物質稱為鐵磁性物質。物質的鐵磁性有三個特點:1.有自發磁化強度;2.有居里溫度;在此溫度之上,物質變為順磁性。3.鐵磁物質磁化后,有剩磁存在(磁滯現象)。 外斯為了解析鐵磁現象;提出二個假設:1.鐵磁物質內存在分子場,使自旋平行排列,形成自發強度;2.鐵磁物質在無磁場下,為了減少能量,分列成許多彼此混亂取向的磁疇,使整體的磁化強度為零。外斯的這樣假設(稱為外斯的鐵磁理論)能很好解析鐵磁性。外斯的分子場實質后經量子力學證實為原子間的交換作用。

1 鐵磁性 -鐵磁性

2 鐵磁性 -正文

鐵磁性鐵磁性

某些過渡族(鐵族)、稀土族和錒族元素金屬、合金及化合物所表現的一種磁性。鐵磁性的特徵有二:

① 在不太強的磁場中(幾到幾百奧斯特),就可以磁化到飽和狀態(技術飽和狀態),磁化強度不再隨磁場而增加。

② 在一定溫度(稱為居里溫度Tc)以上時,鐵磁性消失而變為正常的順磁性,即無相互作用的磁性原子集體,磁化強度滿足居里定律。

物質的鐵磁性起源於原子磁矩之間的強相互作用。這種相互作用(估計為 107奧斯特數量級)遠遠超過原子磁矩間的偶極-偶極相互作用。因此鐵磁性物質又稱為強磁性物質。根據許多實驗結果,證明鐵族金屬的原子磁矩不是電子軌道磁矩而是電子的自旋本徵磁矩μB(見玻爾磁子)。

鐵磁性原子結構(含電子,質子,中子)-模型圖

外斯理論  

P. -E.外斯在1907年首先提出鐵磁性的分子場理論和磁疇假說。

根據這個理論,在居里溫度以下,鐵磁物質內部分為若干飽和磁化區域──磁疇,每一磁疇內部各原子磁矩由於強分子場作用,使它們排列到一共同方向,即自發地磁化到飽和強度,但各磁疇的自發磁化強度,方向雜亂,互相抵消,總的不表現宏觀磁化強度。在較弱的外磁場作用下,就足以使各磁疇的自發磁化強度部分地趨向一致,從而表現出一定的宏觀磁化強度。現代實驗完全證明了磁疇是確實存在的,約為0.1~0.01厘米的橫向寬度。

外斯分子場理論證明了居里溫度的存在。外斯假設,促使原子磁矩排列到共同方向的分子場正比於疇內自發磁化強度M(單位體積),即分子場表示為

鐵磁性(1)

式中NW為外斯分子場常數。再加上外磁場H0,則原子磁矩所受的磁場為

鐵磁性。 (2)

設原子的總角動量量子數為J,按照P.朗之萬順磁性量子理論(見順磁性),可得物質的磁化強度為

鐵磁性(3)

式中BJ(x)為布里淵函數,N為單位體積內的原子數,g為光譜裂距因子(能級分裂的量度)

鐵磁性(4)

式中k為玻耳茲曼常數,T為絕對溫度。在TTc(居里溫度)時,解出式(3)和(4)聯立方程組,即可求出對應於外磁場H0的磁化強度。特別是,在H0=0時,M值即表示自發磁化強度。由於式(3)和式(4)很難直接求解,常採用圖解法求得式(3)和式(4)兩條圖線的交點p,以定出M(T),見圖1。
鐵磁性鐵磁性
  由圖1可見,在Tc溫度以下,兩條圖線總有一交點p,即在該溫度下的自發磁化強度。在T=Tc時,兩圖線只在原點相切而無交點,即M(Tc)=0。

鐵磁性。  (5)

TTc時,鐵磁性消失,變為順磁性,滿足居里定律

鐵磁性(6)

式中C為居里常數。由此可得其順磁磁化率

鐵磁性(7)

式(7)是通常的居里-外斯定律。由式(7)可得

鐵磁性。 (8)

居里-外斯定律只在TCNW時適用。

從圖1所得到的結果,可以畫出磁化強度的溫度函數曲線,其中取J=1/2,如圖2所示,圖2的曲線與鐵、鈷、鎳等金屬的實驗結果大致相符合,在常溫範圍內符合得較好。

海森伯理論  外斯的分子場理論雖然初步解釋了鐵磁性物質的自發磁化,但對於分子場的起源則未能加以說明。直到W.K.海森伯在1928年才作出了正確的理論闡述。

海森伯鐵磁性理論是在原子物理的基礎上,應用量子力學方法建立的。按照泡利不相容原理,量子力學證明,相鄰原子的電子自旋間存在正的或負的交換作用,以Eij表示交換作用能

鐵磁性(9)

其中S)iS)j是第i和第j個電子的自旋角動量,Aijij兩電子間的交換積分。如果交換積分是正值,則自旋相互平行排列時的能量最低。這就產生鐵磁性。如果交換積分是負的,則自旋相互反平行排列時的能量最低,這就產生反鐵磁性或亞鐵磁性(見鐵氧體)。

交換積分隨電子間距離的增加而迅速減小,其變化依賴於電子云的空間分佈(波函數)。計算交換積分是很因難的。

海森伯除了證明分子場起源於電子自旋間的交換作用外,還對鐵磁體的自發磁化強度作了近似的統計計算。在絕緣體中,電子大致是在原子內局域化,因此可以用式(9)表示原子自旋間的相互作用。但在金屬中,電子並非全部局域化,自旋間的相互作用要複雜得多。但海森伯解釋分子場的基本思想以及泡利的不相容原理是無疑問的。

隨著人們對各種磁性物質研究發展,人們對交換作用的認識也有很大發展。

3 鐵磁性 -參考書目

郭貽誠編著:《鐵磁學》,高等教育出版社,北京,1965。

A.H.Morrish,Physical Principles of Magnetism,John Wiley & Sons,New York,London, Sydney,1965.

Chih-Wen Chen,Magnetism and Metallurgy of Soft Magnetic Materials,North-Holl and,Amsterdam,1977.

上一篇[嫁接]    下一篇 [壓艙水]

相關評論

同義詞:暫無同義詞