《固体的磁性》课件.ppt
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1、固体的磁性固体的磁性一般论述一般论述固体的抗磁性固体的抗磁性固体的顺磁性固体的顺磁性电子顺磁共振电子顺磁共振铁磁性和分子场理论铁磁性和分子场理论交换互作用交换互作用自旋波自旋波反铁磁性和亚铁磁性反铁磁性和亚铁磁性IntroduceB()B(3)MNPThe effect of saturationB.Gleich,et al.,Nature 435,1214(2005)MFH应用于肿瘤等疾病的无创治疗原理简应用于肿瘤等疾病的无创治疗原理简图图MFH(magnetic fluid hyperthermia 磁流体热疗)磁流体热疗)有关磁学的有关磁学的Nobel物理学奖物理学奖(I)1902 塞曼
2、效应塞曼效应 P.Zeeman,H.A.Lorentz1943 斯特恩斯特恩-盖拉赫实验盖拉赫实验 发展分子束方法并测出质子磁矩发展分子束方法并测出质子磁矩O.Stern,有关磁学的有关磁学的Nobel物理学奖物理学奖(II)1944 分子束核磁共振分子束核磁共振方法测定核磁矩方法测定核磁矩 I.I.Rabi1952 凝聚态物质的核磁共凝聚态物质的核磁共振测量方法振测量方法 F.Bloch,E.M.Purcell有关磁学的有关磁学的Nobel物理学奖物理学奖(III)1966 光磁共振方法光磁共振方法 A.Kastler1955 测定电子磁矩测定电子磁矩 P.Kusch2007 巨磁阻效应巨磁
3、阻效应(GMR)Peter Grnberg,Albert Fert 有关磁学的有关磁学的Nobel物理学奖物理学奖(IV)1970 磁流体力学磁流体力学 H.O.G.Alfven反铁磁性与铁氧体反铁磁性与铁氧体 L.E.F.Neel1 一般论述一般论述1.1 固体的磁化率固体的磁化率(susceptibility)真空磁导率真空磁导率磁化强度矢量磁化强度矢量磁化率磁化率相对磁导率相对磁导率物质磁性分类物质磁性分类1.2 物质磁性分类物质磁性分类 按物质在外场中表现的特性按物质在外场中表现的特性 按化学成分按化学成分 按物理方法按物理方法按物质在外场中表现的特性分类按物质在外场中表现的特性分类(
4、磁化率的大小及正负)(磁化率的大小及正负)顺磁性材料顺磁性材料 弱磁性物质弱磁性物质抗磁性材料抗磁性材料铁磁性材料铁磁性材料-强磁性物质(磁性材料)强磁性物质(磁性材料)磁性材料磁性材料软磁性材料(剩磁较小)软磁性材料(剩磁较小)剩磁弱,易去磁,适于反复磁化的场合剩磁弱,易去磁,适于反复磁化的场合例如:半导体收音机天线磁棒,录音机磁例如:半导体收音机天线磁棒,录音机磁 头,头,电脑记忆元件,变压器,交流发电机,电磁电脑记忆元件,变压器,交流发电机,电磁铁,各种高频元件的铁芯等铁,各种高频元件的铁芯等硬磁性材料(剩磁较大)硬磁性材料(剩磁较大)剩磁强,不易退磁,可制成永磁铁剩磁强,不易退磁,可制
5、成永磁铁例如:磁电式仪表,扬声器,话筒,永磁电机例如:磁电式仪表,扬声器,话筒,永磁电机等电器设备等电器设备按化学成分分类按化学成分分类 软磁:软铁、硅钢、镍铁合金软磁:软铁、硅钢、镍铁合金 金属磁性材料金属磁性材料 硬磁:碳钢、钨钢、铝镍钴合金硬磁:碳钢、钨钢、铝镍钴合金铁氧体铁氧体 铁氧体铁氧体大致可分成大致可分成3 3类类:第第1 1类类在移去外磁在移去外磁场场后很快消退磁化,被称后很快消退磁化,被称为软为软磁体,如磁体,如(Mn(Mn、Zn)FeZn)Fe2 2O O4 4 、(Ni(Ni、Zn)FeZn)Fe2 2O O4 4,被用于,被用于制作制作变压变压器的器的铁铁芯或芯或马马达
6、等;达等;第第3 3类则为类则为残留磁化大,磁性不易消失的永久磁残留磁化大,磁性不易消失的永久磁铁铁,又称硬磁体如,又称硬磁体如CoFeOCoFeO4 4;第第2 2类则类则介乎二者之介乎二者之间间,称,称为为矩形磁体,如矩形磁体,如(Mn(Mn、Mg)FeMg)Fe2 2O O4 4 、CoFeCoFe2 2O O4 4 ,用于,用于电电子子计计算机的存算机的存储储元件。元件。铁氧体最主要的有尖晶石型、石榴石型和磁铅石铁氧体最主要的有尖晶石型、石榴石型和磁铅石型等。型等。尖晶石是指以尖晶石是指以MgAl2O4为典型代表的结构类型。为典型代表的结构类型。如用如用Fe取代取代Al3+,便得尖晶石
7、铁氧体,通式为,便得尖晶石铁氧体,通式为MFe2O4,M=Mg2+、Ni2+、Co2+、Cu2+、Fe2+、Zn2+、Mn2+等。等。石榴石结构型起名于矿物石榴石,具通式石榴石结构型起名于矿物石榴石,具通式A3B2(SiO4)3,A=Mg2+、Fe2+、Mn2+等,等,B=Al3+、Fe2+、Cr3+等。该系矿物种类繁多。具有磁性的铁石榴石可用等。该系矿物种类繁多。具有磁性的铁石榴石可用通式通式M3Fe5O12,表示,表示,M=Y3+、Ln3+等,铁为等,铁为Fe3+。磁铅石是第磁铅石是第3类铁氧体,以类铁氧体,以MFe12O19为通式,为通式,M=Ba、Sr等。它们是尖晶石结构的超构,具六方
8、对称等。它们是尖晶石结构的超构,具六方对称性。磁铅石的阳离子可被多种金属离子取代,为磁记录性。磁铅石的阳离子可被多种金属离子取代,为磁记录材料。材料。按物理方法分类按物理方法分类抗磁体抗磁体顺磁体顺磁体铁磁体铁磁体反铁磁体和亚铁磁体反铁磁体和亚铁磁体抗磁体抗磁体经典抗磁体经典抗磁体“反常反常”抗磁抗磁体体超导体超导体 0|很小很小10-5与外磁与外磁场大小无关大小无关与温度无关与温度无关所有原子(离子)都没有所有原子(离子)都没有固有磁矩固有磁矩 0|很小很小 10-4-10-3依依赖于外磁于外磁场服从服从Curie law 含含Fe、Co、Ni离子的离子的盐类;铁磁金属在温磁金属在温度高于度
9、高于铁磁居里磁居里温度温度时本本质特征:材料内含有特征:材料内含有浓度可度可观的因不的因不满原子壳原子壳层而具有固而具有固有磁矩的离子有磁矩的离子大多数金属,例如碱金属大多数金属,例如碱金属 10-6Table.1铁磁体铁磁体 0|很大,很大,约为顺约为顺磁体的磁体的 105-106依依赖于外磁于外磁场Fe、Co、Ni本本质:不:不满的的3d壳壳层引起固有磁矩,相引起固有磁矩,相邻原子原子间的量子力学互作用使得各原子的固有磁矩的量子力学互作用使得各原子的固有磁矩趋于平于平行排列,行排列,导致了致了铁磁性磁性Table.1Table.2反铁磁体反铁磁体在某些场合,原子间的互作用量子力使得在某些场
10、合,原子间的互作用量子力使得相邻离子(原子)的磁矩方向相反,导致相邻离子(原子)的磁矩方向相反,导致总的不表现出磁性。总的不表现出磁性。在外场下,表现为特有的顺磁性,并有显在外场下,表现为特有的顺磁性,并有显著的各向异性。著的各向异性。多为过渡金属的化合物,多为过渡金属的化合物,CrCl2、MnO、NiO、CoO、FeF2、VCl3、V2O4等等亚铁磁体亚铁磁体固体中含有两种大小不等的固有磁矩的离固体中含有两种大小不等的固有磁矩的离子(原子),而这些离子(原子)间的量子(原子),而这些离子(原子)间的量子作用力使其磁矩方向相反,由于他们的子作用力使其磁矩方向相反,由于他们的M大小不等,结果仍存
11、在一定的总磁矩。在大小不等,结果仍存在一定的总磁矩。在此情况下,与铁磁体类似,也显现出自发此情况下,与铁磁体类似,也显现出自发磁化强度。磁化强度。Fe3O4 (FeOFe2O3)MnFe2O4、CoFe2O4、NiFe2O4、Y3Fe5O4、Gd3Fe5O12等等Super-paramagnetismM当铁磁(或亚铁磁)颗粒的尺寸小于磁畴当铁磁(或亚铁磁)颗粒的尺寸小于磁畴的最小尺寸时,每个颗粒将只能包含一个的最小尺寸时,每个颗粒将只能包含一个单畴。单畴。一般磁畴的最小尺寸是微米量级,因此每一般磁畴的最小尺寸是微米量级,因此每个个MNP都是一个单畴,称为单畴铁磁。都是一个单畴,称为单畴铁磁。当
12、当MNP的尺寸足够小时,热涨落足以随机的尺寸足够小时,热涨落足以随机地翻转一个地翻转一个MNP的的M的方向;这被称为超的方向;这被称为超顺磁,即每个顺磁,即每个MNP依然是铁磁(或亚铁磁)依然是铁磁(或亚铁磁),但是各个,但是各个MNP的的M却像顺磁体系中的原却像顺磁体系中的原子磁矩一样,受热涨落的影响随机排列。子磁矩一样,受热涨落的影响随机排列。超顺磁与顺磁类似,不存在磁滞现象,也超顺磁与顺磁类似,不存在磁滞现象,也就不存在磁滞产热机制。就不存在磁滞产热机制。Hysteresis loop与超顺磁直接相关的磁驰豫机制:与超顺磁直接相关的磁驰豫机制:Nel驰豫,驰豫,驰豫时间(驰豫时间(N)由
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