《固体物理基础》固体的磁性

第八章固体的磁性1 固体中存在哪几种抗磁性？铁磁性和反铁磁性是怎样形成的？铁磁和反铁磁材料在低温和高温下的磁化有什么特点？饱和电子结构的抗磁性和朗道抗磁性。

根据磁矩相互作用的交换能理论，当交换能是正值时，磁矩将倾向于采取平行的排列（铁磁性），当交换能是负值时，磁矩将倾向于采取反平行的排列（亚铁磁性）反铁磁性：低温时，磁化率是随温度增加的，这是由于磁矩的反平行排列作用起着抵制磁化的作用，随着温度的升高，反平行排列的作用逐步减弱，因而磁化率不断增加，在奈尔温度一双，磁化率随温度升高而下降，磁化率在高温遵循居里-外斯定律χ=C/(T+θ)，注意分母中常数θ>0，符号和铁磁体高温顺磁性正好相反，显然反映了反平行排列作用的影响。

铁磁性材料：在居里温度一下具有铁磁性，在很弱的磁场下它就可以达到接近饱和的磁化强度，在居里温度以上，铁磁材料转变为顺磁性的，磁化率遵循居里外斯定律，χ=C/(T - θ)p2简述大块磁体为什么会分成许多畴，为什么磁畴的分割不会无限进行下去？促使铁磁体的自发磁化分割成为磁畴的根本原因是自发磁化所产生的静磁能，磁场的范围随着磁畴的分割而不断减小，从而使静磁能不断降低。

所以，从静磁能来看，自发磁化将趋向于分割成为磁化方向不同的磁畴，以降低静磁能，而且，分割越细，静磁能越低。

但是由于磁畴之间的界壁破坏了两边磁矩的平行排列，使交换能增加，所以畴壁本身具有一定的能量，磁畴的分割意味着在铁磁体中引入更多的畴壁，使畴壁能增加。

由于这个缘故，磁畴的分割不会无限的进行下去，而是进行到再分割所增加的畴壁能将超过静磁能的减少。

3简单阐述物质顺磁性的来源原子的固有磁矩不为零，磁矩取向愈接近B，能量愈低，正是由于磁矩在磁场中的取向作用，产生了顺磁性现象。

4画出铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性的磁矩排列示意图铁磁性：箭头等长平行饭铁磁性：箭头等长反平行亚铁磁性：箭头向上与箭头向下的不等长5简述铁磁体中磁畴是如何产生的，磁化强度的变化是通过磁畴的哪两种运动实现的？促使铁磁体的自发磁化分割成为磁畴的根本原因是自发磁化所产生的静磁能，磁场的范围随着磁畴的分割而不断减小，从而使静磁能不断降低。

固体物理中的磁性磁性是固体物理中一个非常重要且有趣的现象。

它是指物质在存在外部磁场的作用下，产生磁化强度并展示出相应的磁特性。

在本文中，我们将探讨固体物理中的磁性现象，并介绍其中的一些关键概念和应用。

一、磁矩的概念与分类磁矩是固体物体表现出磁性的根本性质。

磁矩可以分为两类：原子磁矩和宏观磁矩。

1. 原子磁矩原子磁矩是由原子中带电粒子（如电子）所产生的微小磁矢量。

它的大小与原子的电子结构有关。

根据原子磁矩的大小和方向，物质可以分为顺磁性、抗磁性和铁磁性。

- 顺磁性：顺磁性物质中的原子磁矩与外磁场方向相同，被外磁场激发后会增强磁化强度，如氧气和铜等。

- 抗磁性：抗磁性物质中的原子磁矩与外磁场方向相反，被外磁场激发后会减弱磁化强度，如银和铝等。

- 铁磁性：铁磁性物质中的原子磁矩与外磁场方向相同，但铁磁性物质在外磁场的作用下会呈现出一定的剩余磁化强度，如铁和镍等。

2. 宏观磁矩宏观磁矩是由大量原子磁矩的矢量和所构成的磁化强度。

物质的宏观磁矩可以进一步分为顺磁性、抗磁性和铁磁性。

- 顺磁性：顺磁性物质在外磁场的作用下会呈现出强磁化特性。

这种磁性主要源于物质内部原子磁矩的耦合和分布，如铁矿石及其合金等。

- 抗磁性：抗磁性物质在外磁场的作用下会呈现出阻止磁化的特性。

这种磁性主要源于物质内部原子磁矩的耦合和分布，如铜和铅等。

- 铁磁性：铁磁性物质在外磁场的作用下呈现出显著的剩余磁化强度，其磁矩可以保持，并在去除外磁场后不会消失，如铁和钴等。

二、固体磁性的产生机制固体物质的磁性是由其原子磁矩的相互作用和排列所决定的。

根据不同的磁性机制，固体材料可以进一步分为顺磁体、抗磁体和铁磁体。

1. 顺磁体顺磁体的磁性主要是由物质内部原子磁矩的排列和分布造成的，其磁矩在外磁场的作用下与外磁场方向一致，从而增强磁化强度。

顺磁体的磁矩大小与外磁场强度呈线性关系，磁化过程是连续的。

2. 抗磁体抗磁体的磁性也是由物质内部原子磁矩的排列和分布所决定的，其磁矩在外磁场的作用下与外磁场方向相反，从而减弱磁化强度。

固体的磁性 基础知识1. 磁性的一种分类方式根据磁化率χ的大小符号以及与温度、磁场的关系，可以把物质的磁性分成五类：（1）抗磁性，磁化强度与磁场方向相反，χ < 0，其值约为10-7~10-6；（2）顺磁性，磁化强度与磁场方向相同，χ > 0，其值约为10-6~10-5；（3）反铁磁性，χ > 0，其值约为10-4；（4）亚铁磁性，χ > 0，其值约为10-1~104；（5）铁磁性，χ > 0，其值约为10-1~106抗磁性的χ几乎与温度无关，其余均与温度有关；亚铁磁性和铁磁性为强磁性，其余为弱磁性。

2. 原子磁矩构成固体物质的原子中，电子磁矩比原子核的磁矩大三个数量级，所以电子磁矩对固体的磁性起主要作用。

2.1 独立原子的磁矩原子中电子的磁矩由轨道磁矩和自旋磁矩两部分组成。

电子的轨道磁矩为L 是电子的轨道角动量，µL 的绝对值为其中l 是电子轨道角动量量子数，µB 是波尔磁子，其大小为电子的自旋磁矩为 = -2L e mμL =(1)L Bl l 2B e m S e mμSS 是电子的自旋角动量，µS 的绝对值及其在z 方向的投影分别为如果原子中只有一个电子，则原子磁矩为J 是电子的总角动量。

如果原子中有多个电子，原子的总角动量有LS 耦合和JJ 耦合两种耦合方式，分别适用于原子序数比较小和原子序数比较大（Z > 80）的耦合方式。

常见的3d 族和4f 族元素，电子之间的轨道-轨道与自旋-自旋偶合较强，适合使用LS 耦合。

2.2 晶场效应原子结合成晶体后，原子的电子状态发生变化，价电子参与各种类型的键合，而处在格点位置的离子也不同于孤立离子，其电子状态因受周围离子所产生的静电场的作用而发生变化，这种静电场称为晶体电场，它所造成的影响称为晶场效应。

晶场效应有两种：一是离子中简并的电子态发生劈裂，二是电子的轨道角动量的贡献部分或者全部被冻结。

固体物理学基础晶体的磁性与磁场效应在固体物理学中，晶体的磁性及其在磁场中的行为是一个广泛研究的课题。

磁性材料的研究不仅具有科学意义，也具有重要的应用价值。

本文将从晶体的磁性起源、基本磁性效应以及磁场对晶体的影响等方面进行探讨。

一、晶体的磁性起源晶体的磁性起源于其中的原子、离子或分子的磁性，这种磁性来源称为局域磁性。

例如，某些过渡金属离子由于其未成对电子的存在，表现出明显的磁性。

此外，晶体中的局域磁性也可以来自于自旋轨道耦合、晶体场效应等因素。

二、基本磁性效应1. 磁化强度与磁化率晶体的磁性可以通过磁化强度和磁化率来描述。

磁化强度是单位体积内的磁矢量总和。

而磁化率则是磁化强度和外加磁场之间的比例关系。

通过测量磁化强度和磁场的关系，可以更加深入地研究晶体的磁性行为。

2. 磁畴和磁畴壁晶体中的磁化强度通常会出现一定的排列顺序，形成磁畴。

磁畴是具有相同磁导数的磁区域。

而磁畴之间的过渡区域称为磁畴壁。

磁畴和磁畴壁的形成与晶体中的磁性相互作用密切相关。

三、磁场对晶体的影响1. 各向异性磁性晶体的结构对其磁性行为有着重要的影响。

晶体中的各向异性磁性意味着晶体在不同方向上具有不同的磁性。

各向异性磁性的形成源于晶体结构中的非球形电子云对磁场的不同响应。

2. 磁滞效应当外加磁场改变时，晶体中的磁化强度并不会立即跟随磁场的变化而变化，而是存在一定的滞后现象，这种现象称为磁滞效应。

磁滞效应与晶体中的磁畴和磁畴壁有着密切的联系。

3. 磁各向异性晶体在磁场中的响应也受到磁各向异性的影响。

磁各向异性是指晶体在不同磁场方向上表现出不同的磁性响应。

晶体中的磁各向异性可以通过测量磁化强度随磁场方向变化的关系来确定。

四、磁场效应的应用晶体的磁场效应在各个领域都有广泛的应用。

在磁记录领域，磁场对晶体的影响被用于磁存储器的设计和制造。

在磁共振成像领域，晶体的磁性行为可以被用于图像的获取和分析。

此外，磁场效应还可以应用于磁传感器、磁随机存取存储器等领域。