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静磁能的定义。
5.2 原子的磁性
1、原子的磁矩 2、晶场中的原子磁矩 3、轨道角动量冻结
原子的结构
电子的轨道磁矩
ML
●
°e
P
1. 原子的磁矩
核外电子壳层:电子轨道磁矩 电子自旋磁矩
核磁矩和核四极矩 MN=6.33x10-33Wbm
Ml
0e l
2m
Ms m 0eP20m e
中子磁矩为-1.913MN的核磁矩 (中子衍射、中子散射)
磁畴结构
1946年 Bioembergen发现NMR效应 1948年 Neel建立亚铁磁理论 1954-1957年 RKKY相互作用的建立 1958年 Mössbauer效应的发现
1960年 非晶态物质的理论预言 1964年 Kondo effect 近藤 1965年 Mader和Nowick制备了CoP铁磁非晶态合金 1970年 SmCo5稀土永磁材料的发现 1984年 NdFeB稀土永磁材料的发现 Sagawa(佐川) 1986年 高温超导体,Bednortz-muller 1988年 巨磁电阻GMR的发现, M.N.Baibich 1994年 CMR庞磁电阻的发现,Jin等LaCaMnO3 1995年 隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki
泡利不相容原理:
同一个量子数n,l,m,s表征的量子状态只能 有一个电子占据。
库仑相互作用:n,l,m 表征的一个电子轨道上如 果有两个电子,虽然它们的自旋是相反的,但 静电的库仑排斥势仍然使系统的能量提高。因 而一个轨道倾向只有一个电子占据。
洪德法则:
(1)未满壳层的电子自旋si排列,要使总自旋S取 最大值。
四类具有巨磁电阻效应的多层膜结构
磁学是一门即古老又年轻的学科。 磁学基础研究与应用的需求相互促进,在
国防和国民经济中起着重要作用。 磁学与其它学科交叉:信息、电气、交通、
生物、药物、天文、地质、能源、选矿等。 MEMS的发展不可避免的会使用各种类型
的磁性材料,而且是小尺寸复合型的材料。
静磁现象
1907年 P.Weiss的磁畴和分子场假设 1919年 巴克豪森效应 1928年 海森堡模型,用量子力学解释分子场起源 1931年 Bitter在显微镜下直接观察到磁畴 1933年 加藤与武井发现含Co的永磁铁氧体
1935年 荷兰Snoek发明软磁铁氧体 1935年 Landau和Lifshitz考虑退磁场, 理论上预言了
2m
这里g因子( g-factor)对自旋运动是2,而对轨道运动是1。
M s2x 2m 0es2M Bs
ML1x2m 0elMBl
不论是自旋磁矩,还是轨道磁矩,都是玻尔磁子MB的整数倍。
原子的电子结构
核外电子结构用四个量子数表征:n.l.m.s (1) 电子轨道大小由主量子数n决定
n=1, 2, 3, 4,………的轨道群 又称为K, L, M, N,…….的电子壳层
材料物理性能学-05
材料的磁学性能
材料科学与工程学院:马永昌
第五章 材料的磁学性能
5.1 磁学简史 5.2 原子的磁性 5.3 材料的磁性特征和结构 5.4 磁晶各向异性与磁致伸缩 5.5 磁畴结构 5.6 磁化过程
* 磁性与磁性材料的发展史 指南针 司马迁《史记》描述黄帝作战用 罗盘 宋朝《萍洲可谈》12世纪 磁石 最早的著作《De Magnete 》 W.Gibert 18世纪 奥斯特 电流产生磁场 法拉弟效应,安培定律 构成电磁学的基础 ,电动机、发电机等出现
磁矩 磁性材料和磁化强度 退磁场 静磁能
磁性最直观的表现是两个磁体之间存在吸引或排 斥力。
与电学相似,人们将磁描述为磁体两端带有自由 磁极,自然磁体之间的力的作用就是自由磁极之 间的相互作用。
都是什么对磁极有作用呢?也就是磁都受什么作 用的影响?磁极和电流
考虑磁体在磁场中受力情况:转矩和平移力。
众所周知,电子轨道运动是量子化的,因而只有 分立的轨道存在,换言之、角动量是量子化的, 并由下式给出
Pl
ML20m elMBl
玻尔磁子 (Bohr magneton)
自旋角动量与自旋磁矩
P
与自旋相联系的角动量的大小是ħ/2,因而自旋角动
量可写为: Ps
பைடு நூலகம்
e
自旋磁矩 M 0e P
Ms
m
通常和角动量之间的关系由下式给出: Mg 0eP
(2)每个电子的轨道矢量li的排列,使总的轨道 角动量L取最大值。
(3)由于L和S间的耦合,电子数n小于半满时 J=L-S,电子 数n大于半满时 J=L+S。
(洪德法则一般的描述只有(1)和(2)项)
S ———— ————
µJL=-µSL-µs
S
m
3
2
1
0
-1
-2
-3
L+S
µJ=µL+µs
L 电子填充未半满时,轨道角动量 L和自旋角动量S都是由同样的电 子(如左图是5个自旋向上的电子) 决定,因此是L-S;
电子填充超过半满时,轨道角动 量是由自旋向下的二个轨道决定 L=5,而自旋角动量是由未成对 的另外五个电子决定,因此是 L+S。
自旋-轨道耦合
一个电子绕核(核电荷为Ze)旋转,看轨道与自旋的关系。
s
µL
结论:一个电子的L和s总是方 向相反,壳层中电子数目少于 最大数目一半时,所有电子的 L和 s都是相反。同时轨道磁 矩 µL和 µs也是反平行。
L=mlHsinθ, F=mlδH/δx 乘积ml称为磁矩。 磁偶极子在空间产生的磁场。
磁矩
我们在物理学中遇到有多个名词带有‘矩’ 这个字,比如:电矩、力矩等,矩的本义。
磁化强度是单位体积内的磁矩总和。 B=I+μ0H I=χH
退磁场
当一个有限大小的样品被外加磁场磁化时,两端 出现的自由磁极将产生一个与磁化强度相反的磁 场。这是物理学中的一个普遍原理:类比于静电 屏蔽现象去理解,类似于电极化现象。
( 多电子体系 )
● Ze
K
(2) 轨道的形状由角动量l决定
L
M
l=0, 1, 2, 3,……..n-1
又称为s, p, d, f, g,……..电子
(3) 当施加一个磁场在一个原子上时,平行于磁场的角动量 也是量子化的。l在磁场方向上的分量由磁量子数m决定
m=l, l-1, l-2,……0,…..-( l-1), -l (4) 电子自旋量子数由s决定:s=±1/2