磁性材料-第3章-自發(fā)磁化理論

第三章自發(fā)磁化理論第一節(jié)鐵磁性物質(zhì)的根本特征第二節(jié)朗之萬順磁性理論第三節(jié)Weiss分子場理論第五節(jié)亞鐵磁性根本理論第四節(jié)反鐵磁性定域分子場理論本章要求掌握鐵磁性物質(zhì)的根本特征掌握分子場理論、定域分子場理論的內(nèi)容和應(yīng)用理解交換作用的機(jī)制，了解描述自發(fā)磁化的其他理論模型掌握鐵磁體自發(fā)磁化強(qiáng)度的溫度特性第一節(jié)鐵磁性物質(zhì)的根本特征1、鐵磁體內(nèi)存在按磁疇分布的自發(fā)磁化2、，可達(dá)10～106數(shù)量級(jí)，加很小的外場即可磁化至飽和〔原因即是存在自發(fā)磁化〕。3、M—H之間呈現(xiàn)磁滯現(xiàn)象，具有Mr。4、存在磁性轉(zhuǎn)變溫度Tc——居里溫度5、在磁化過程中表現(xiàn)出磁晶各向異性與磁致伸縮現(xiàn)象。第二節(jié)朗之萬順磁性理論

順磁性出現(xiàn)與以下物質(zhì)中：具有奇數(shù)個(gè)電子的原子、分子。此時(shí)系統(tǒng)總自旋不為零。具有未充滿電子殼層的自由原子或離子。如：各過渡元素、稀土元素與錒系元素少數(shù)含偶數(shù)個(gè)電子的化合物，包括O2與有機(jī)雙基團(tuán)。元素周期表中第VIII族三聯(lián)組本身以及之前諸元素的所有金屬?，F(xiàn)在，我們只考慮2〕中所說的物質(zhì)。一、Langevine順磁性理論的根本概念：設(shè)順磁性物質(zhì)的原子或分子的固有磁矩為。順磁性物質(zhì)的原子間無相互作用〔類似于稀薄氣體狀態(tài)〕，在無外場時(shí)各原子磁矩在平衡狀態(tài)下呈現(xiàn)出混亂分布，總磁矩為零，當(dāng)施加外磁場時(shí)，各原子磁矩趨向于H方向。每個(gè)磁矩在H中的磁位能：假設(shè)單位體積中有N個(gè)原子，受H作用后，相對于H的角度分布服從Boltzman統(tǒng)計(jì)分布。系統(tǒng)的狀態(tài)配分函數(shù)：第三節(jié)Weiss分子場理論1、“分子場〞理論的兩點(diǎn)假設(shè)：a、分子場假設(shè)：b、磁疇假設(shè):2、作用與地位a、是現(xiàn)代磁性理論的根底〔自發(fā)磁化理論、技術(shù)磁化理論〕。b、可定性解釋自發(fā)磁化利用前面討論地Langevine順磁性理論推廣到鐵磁性物質(zhì)中，可導(dǎo)出自發(fā)磁化強(qiáng)度與溫度的關(guān)系，——居里－外斯定律。一、分子場理論對自發(fā)磁化的唯象解釋T>Tc時(shí)，鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判裕瑹狎}動(dòng)能破壞了分子場對原子磁矩有序取向的作用。二、自發(fā)磁化強(qiáng)度Ms及其與溫度的關(guān)系Weiss假設(shè)，分子場Hmf與自發(fā)磁化強(qiáng)度Ms成正比。式中，

為Weiss分子場系數(shù)第四節(jié)反鐵磁性的定域分子場論反鐵磁性是弱磁性。此類物質(zhì)多為離子化合物。典型金屬：Cr、Mn典型離子化合物：MnO、FeO、CoO、NiO一、反鐵磁性主要特征：1、有一相變溫度TN〔Neel溫度〕T>TN時(shí)，類似于順磁性，〔居里－外斯定律〕2、原子磁矩有序排列但每一次晶格的磁矩大小相等，方向相反，宏觀磁性為零。第五節(jié)亞鐵磁性根本理論亞鐵磁性：指由次晶格之間反鐵磁性耦合，宏觀呈現(xiàn)強(qiáng)磁性有序物質(zhì)的磁性。亞鐵磁性條件：每一次晶格中必須有足夠濃度的磁性離子，以使另一次晶格的自旋保持反平行排列。一、特性1、T<Tc時(shí)，亞鐵磁性呈現(xiàn)與鐵磁性相似的宏觀磁性，但其自發(fā)磁化強(qiáng)度低。2、T>Tc時(shí),呈順磁性，但不服從居里－外斯定律。3、鐵氧體的電阻率/用于高頻電訊工程技術(shù)中/分類：尖晶石鐵氧體、石榴石鐵氧體、磁鉛石鐵氧體二、鐵氧體(一)、尖晶石鐵氧體1、通式：M2＋Fe23＋O4M2+=(Co2+、Ni2+、Fe2+、Mn2+、Zn2+等過渡元素。2、結(jié)構(gòu)：立方對稱，空間群Oh7。一個(gè)單胞內(nèi)有8個(gè)分子，即單胞分子式為：M82＋Fe163＋O32〔56個(gè)離子〕，O2-半徑大，晶格結(jié)構(gòu)就以O(shè)2-作為密堆積，金屬離子半徑小，填充于密堆積的間隙中，但尖晶石晶格結(jié)構(gòu)的單胞中有兩種間隙：四面體間隙〔A位〕：間隙小，填充較小尺寸的金屬離子〔64個(gè)〕八面體間隙〔B位〕：間隙大可填充較大尺寸的金屬離子〔32個(gè)〕。尖晶石單胞中只有8個(gè)A位，16個(gè)B位被填充，分別稱為A、B次晶格。四面體間隙〔A位〕八面體間隙〔B位〕A位B位3、離子分布式正尖晶石鐵氧體：反尖晶石鐵氧體：混合尖晶石鐵氧體：金屬離子分布一般傾向如<磁性物理學(xué)>P100 。4、分子磁矩尖晶石鐵氧體的分子磁矩為A、B兩次晶格中磁性離子的自旋反平行耦合的磁矩。又由B次晶格的離子數(shù)目為A次晶格的兩倍；正型：如：ZnFe2O4(Zn:1s22s22p63s23p63d10)∴不滿足亞鐵磁性條件，那么在B次晶格內(nèi)，兩個(gè)Fe3+的自旋反平行排列b.反型：c、混合型：改變磁矩的方法：調(diào)節(jié)δ值改變M2+——常用離子取代法〔非磁性離子〕復(fù)合鐵氧體：根據(jù)各種磁性能要求，將兩種或兩種以上的單鐵氧體按一定比例制成多元系鐵氧體，其性能決定于各組分的磁性能以及各組分的比例，此外還決定于生產(chǎn)工藝。含Zn復(fù)合鐵氧體是最廣泛的、最有代表性的一類。它由反鐵磁性的鋅鐵氧體與另一種鐵氧體組成。磁矩理論值<實(shí)驗(yàn)值的原因：1，理論計(jì)算忽略了軌道磁矩的奉獻(xiàn),2，離子分布與實(shí)際有差異或出現(xiàn)變價(jià)離子。A)ZnO對MnZn鐵氧體性能的影響由于非磁性離子Zn2+的參加并占據(jù)A位，故局部Fe3+被趕到B位，導(dǎo)致MA↓，而MB↑，因此非磁性離子的參加形成的復(fù)合鐵氧體反而比原來的單鐵氧體的磁矩增加了。但同時(shí)由于Zn2+的參加，A位磁性離子數(shù)量減少，能產(chǎn)生A－B超交換作用的磁性離子對減少，導(dǎo)致A－B超交換作用的減弱，從而使Tc下降。但是，ZnO超過某一值后，由于A位沒有足夠濃度的磁性離子以使B位自旋保持反平行排列，在B位上失去與A位超交換作用的那些磁性離子，會(huì)受到近鄰B位上磁性離子的B-B超交換作用，從而使B位上局部磁性離子磁矩與其他大多數(shù)B位上的磁性離子磁矩反平行，造成B位磁矩下降。此時(shí)，隨著ZnO含量的增加，分子磁矩反而會(huì)下降，相應(yīng)的Ms、Bs均會(huì)降低。由知，適當(dāng)過量的ZnO參加后，Ms、Bs雖然降低，但由于降低了磁晶各向異性常數(shù)k1和磁致伸縮系數(shù),因此導(dǎo)致起始磁導(dǎo)率上升〔當(dāng)然也在一定的范圍內(nèi)〕——可利用磁晶各向異性單離子模型來解釋。B)過量Fe2O3對MnZn鐵氧體性能的影響實(shí)際工藝中，往往采用富鐵配方，過量的Fe2O3在燒結(jié)時(shí)生成Fe3O4，固溶在MnZn鐵氧體中。一般MnZn鐵氧體的K1和都是負(fù)值，而的在一定溫度范圍內(nèi)是正值，利用正負(fù)抵消也可以使鐵氧體的K1和降低。但過量的Fe2O3主要作用是使材料Bs增加〔因?yàn)镕e2+占據(jù)B位，增加了A和B位的磁矩差,從而使Bs上升〕，同時(shí)，由于Fe2+和Fe3+都是磁性離子，占據(jù)A、B位后增強(qiáng)了A-B超交換作用，使Tc上升。由于B位同時(shí)有Fe2+和Fe3+，電子在Fe2+和Fe3+間轉(zhuǎn)移容易，使電阻率降低，渦流損耗增大，材料Q值降低。2、晶體結(jié)構(gòu)：立方晶系，Oh10單胞石榴石中含8個(gè)分子式，金屬離子填充于O2－密堆積空隙中。O2－間的間隙：四面體(d)、八面體(a)、十二面體(c)單胞中含：40個(gè)Fe3+〔24d、16a〕、24個(gè)R3+〔24c〕。每個(gè)金屬離子獨(dú)占一種格位：8{R3}[Fe2](Fe3)O12↑↑↓24c16a24d離子取代通式：{R3-aXa}[Fe2-zMzA](Fe3-xMxD)O12(二)、石榴石鐵氧體〔garnetferrite〕磁光材料的重要原料之一，如：磁光調(diào)制波長激光器、激光隔離器、環(huán)形器、相移器、磁光調(diào)制器與光開關(guān)等。1、通式：R33+Fe53+O12,R3+——三價(jià)稀土金屬離子或Y3+b、YIG中24c位引入磁性離子，那么24c位與24d位反平行耦合。M=|3Mc+Ma+Md|=|3Mc-5μB|c、取代式石榴石鐵氧體：{Y3-aRa}[Fe2-zMzA](Fe2-xMxD)O12一般取代16a與24d位的多為非磁性，3、分子磁矩〔與尖晶石類似〕a、純YIG〔Y3Fe5O12),{Y3}[Fe2](Fe3)O12(三)、磁鉛石鐵氧體1、通式：M2+B123+O19或MO·6B2O3M2+：二價(jià)金屬離子〔Ba2+、Sr2+、Pb2+〕B3+：三價(jià)金屬離子〔Fe3+、Al3+、Ga3+、Cr3+〕2、晶體結(jié)構(gòu)對M型〔如：BaB12O19、SrB12O19、PbB12O19〕∵Ba2+、Sr2+、Pb2+半徑接近O2－∴它們不能進(jìn)入O2－密堆積的間隙中，而是參與晶體的密堆積，占據(jù)O2－的局部晶位，故只有Fe3+填充到O2－間隙中。間隙：四面體(A位)、八面體(B位)、六面體(E位)一個(gè)M型單胞分10個(gè)O