Vật lý các hiện tượng từ

Vật lý các hiện tượng từ

Đại học quốc gia hà nội Trờng đại học khoa học tự nhiên Nguyễn phú thùy Vật lý tợng từ Hà nội - 2002 Mục lục Chơng I: Những khái niệm Tõ tÜnh Phân loại vật liệu tõ VËt VËt VËt VËt VËt VËt VËt MÉu liƯu liƯu liƯu liƯu liƯu liƯu liƯu nghÞch tõ thuËn tõ phản sắt từ feri tõ (ferit) s¾t tõ tõ gi¶ bỊn s¾t tõ ký sinh 10 vectơ nguyên tử từ 10 Tr¹ng thái nguyên tử tự gần điện tử 10 Hiệu ứng tơng quan tơng tác spin quỹ đạo Mẫu vectơ nguyên tử 13 Các quy tắc Hund 16 Liên hệ mômen từ mômen 16 Các điện tử định xứ tinh thÓ 19 Nhiệt động học tợng từ 20 I.6.1 Các hệ thức nhiệt từ calo tõ 20 I.6.2 I.6.3 NhiƯt dung cđa vËt liƯu tõ 21 Tính toán mômen từ dựa vật lý thèng kª 22 Ch¬ng II: ThuËn tõ 24 II.1 C¸c vËt liÖu thuËn tõ 24 II.2 Lý thut cỉ ®iĨn Langevin vỊ thn tõ 25 II.3 Lý thut lỵng tư vỊ thn tõ 27 II.4 So s¸nh víi thùc nghiÖm 30 II.4.1 II.4.2 II.4.3 II.4.4 H¬i kim lo¹i kiỊm 30 Muèi nguyên tố đất 30 Muèi cña kim lo¹i chun tiÕp 31 Các nguyên nhân sai khác lý thuyết thực nghiệm 31 II.5 Tạo nhiệt độ thấp phơng pháp khử từ đoạn nhiệt muối thuận từ 34 Chơng III: NGhịch từ 37 Hiện tợng nghịch từ 37 Nghịch từ phân tử 38 Ch¬ng IV: TÝnh chÊt tõ cđa ®iƯn tư tù kim loại 39 a Khí điện tử tự kim lo¹i 39 Thuận từ điện tö tù 42 Thuận từ điện tử Pauli .42 Nghịch từ điện tử Landau 43 Chơng V: Các chất sắt từ 45 Các đặc điểm vật liệu sắt từ 45 Lý thuyÕt Weiss tợng sắt từ 47 Bản chất trờng phân tử 51 Bài toán phân tử Hydro 52 Tơng tác trao đổi tiêu chuẩn sắt tõ 54 So sánh với lý thuyết trờng phân tử 56 Sãng spin 57 MÉu vïng cho tÝnh s¾t tõ 62 V.5.1 MÉu .62 vïng V.5.2 §êng cong Slater – Pauling 63 V.5.3 Tiªu chuÈn Stoner 66 Chơng VI: Phản sắt từ Ferit 68 Vi.2 Vật liệu phản sắt từ tơng tác trao ®ỉi gi¸n tiÕp 68 Vi.3 Lý thuyết trờng phân tử cho phản sắt từ 70 Vi.4 Ferit hai phân mạng .76 Vi.3.1 Lý thuyÕt trêng ph©n tử cho ferit hai phân mạng từ 76 Vi.3.2 Miền thuận từ nhiệt độ Curie 78 Vi.3.3 Sự phụ thuộc từ độ tự phát vào nhiệt độ 79 Vi.3.4 ¶nh hởng từ trờng lên từ độ tự phát 80 Vi.5 Các ferit thờng gặp 81 Vi.4.1 Ferit spinel 81 Vi.4.2 Các oxyt loại cơng thạch 84 Vi.4.3 C¸c oxyt lo¹i magnetoplumbite 85 Vi.4.4 Các oxyt loại perovskite 85 Vi.4.5 C¸c granat tõ 86 Chơng VII: Các dạng lợng từ cấu trúc đômen 90 ViI.1 Mở đầu 90 ViI.2 Năng lợng trao đổi 91 ViI.3 Năng lợng dị hớng từ tinh thể 92 ViI.4 Năng lợng từ đàn hồi 98 ViI.5 Năng lợng biến dạng đàn hồi 105 ViI.6 Năng lợng tĩnh từ 106 ViI.7 Cấu trúc đômen 108 Ch¬ng VIII: Đờng cong từ hoá tợng từ trễ 113 ViiI.1 Hai trình từ ho¸ 113 ViiI.2 Quá trình dịch chuyển vách thuận nghịch bất thuận nghịch 114 ViiI.3 Quá trình quay thuận nghịch 116 ViiI.4 HiÖu øng Hopkinson 118 Chơng IX: Siêu dẫn 120 IX.1 NhËp ®Ị 120 IX.2 Một số tính chất vật liệu siêu dẫn .121 IX.2.1 Sù tån tính siêu dẫn vật liệu 121 IX.2.2 T¸c dơng cđa tõ trêng lên vật liệu có tính siêu dẫn 122 IX.2.3 HiÖu øng Meissner 122 IX.2.4 NhiÖt dung 123 IX.2.5 Hiệu ứng đồng vị 125 IX.3 thuyết nhiệt động chuyển pha siêu dẫn 125 IX.4 Lý thuyết BCS phơng trình London 128 Tài liệu tham khảo 130 Lời nói đầu Cuốn sách nhằm giới thiệu với độc giả kiến thức vật lý tợng từ vật rắn nh nguồn gốc nguyên tử chúng Sách bao gồm chơng Chơng nhằm giới thiệu khái niệm từ học số kiến thức sở mômen từ nguyên tử nhiệt động học tợng từ Từ chơng đến chơng 6, trình bày tợng từ số lớp vật liệu từ khác nghịch từ, thuận từ, phản sắt từ ferit mô hình điện tử định xứ mô hình điện tử linh động (mô hình vùng) đà đợc sử dụng để mô tả tính chất từ phong phú chúng Chơng chơng dành riêng cho số tợng liên quan đến cấu trúc đômen trình từ hoá thờng xẩy vật liệu từ đợc sử dụng nhiều sống sắt từ ferit Chơng 9, trình bày ngắn gọn vỊ vËt liƯu siªu dÉn xem nh mét vËt liƯu nghịch từ lý tởng Sách đợc sử dụng làm giáo trình cho sinh viên năm cuối chuyên ngành Vật lý Chất rắn Khoa học Vật liệu làm tài liệu tham khảo cho học viên cao học hay ngời muốn tìm hiểu vật liệu từ ứng dụng chúng Tác giả chân thành cảm ơn đồng nghiệp Phòng thÝ nghiƯm VËt lý NhiƯt ®é thÊp, Khoa VËt lý, trờng Đại học Tổng hợp Hà nội (nay Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp, Khoa Vật lý, trờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà nội) giúp đỡ nhiệt thành từ hàng chục năm cho tác giả việc giảng dạy biên soạn giáo trình Từ học Siêu dẫn tiền thân sách Đặc biệt, tác giả chân thành cám ơn GS Thân Đức Hiền, GS Nguyễn Châu GS Nguyễn Xuân Phúc gợi ý quan trọng việc xây dựng nội dung sửa chữa chi tiết cho thảo sách Trong xu hớng phát triển mạnh mẽ hiƯn cđa ngµnh tõ häc vµ vËt liƯu tõ, thấy rõ sách cha bao quát đợc hết vấn đề gọi vật lý tợng từ Hy vọng lần xuất sau, kiến thức thiếu sót đợc bổ xung Hà nội, ngày tháng năm 2002 Tác giả Chơng I Những khái niệm Từ tĩnh Trong phần số khái niệm từ học đợc trình bày theo phơng pháp nh phần tĩnh điện Tơng tác Coulomb cực từ: Xét hai cực từ mà cờng độ cực từ m m2 (đo Weber) Lực tơng tác chúng tuân theo định luật Coulomb: F= m1 m2 4à r (hệ SI) (1.1) đây, r khoảng cách hai cực từ đo mét (m), à0 = 4.10-7 H/m độ từ thẩm (permeability) chân không Từ trờng: Ta gọi từ trờng khoảng không gian cực từ chịu lực tác dụng Từ trờng gây cực từ khác dòng điện Một từ trờng đợc tạo cuộn dây solenoid dµi vµ nhá: H = ni, (hƯ SI) (1.2) ë đây, n (đo 1/m) số vòng 1m cuộn dây, i (đo A) cờng độ dòng điện cuộn dây Đơn vị từ trờng A/m (hƯ SI) hc Oesterd (hƯ CGS): A/m = 4π.10-3 Oe = 0,0126 Oe 1Oe = 79,6 A/m ≈ 80 A/m Lực từ trờng H tác dụng lên cực từ m: F = mH, (1.3) đây, F lực đo Newton (N) + m H + m H - m - m H II.1 H×nh 1.1 Ngẫu lực từ trờng H tác dụng lên nam châm Một nam châm có ®é dµi l cã cùc tõ (+m) vµ (–m) đặt từ trờng H chịu tác dụng ngẫu lực (a couple of force) Mômen xoắn (torque) ngẫu lực tác dụng là: L = mlHsin, (1.4) với góc hớng từ trờng H hớng từ hoá (m +m) nam châm (xem Hình 1.1) Nh từ trờng làm quay không làm dịch chuyển nam châm Trong từ trờng không đều, tức từ trờng tạo gradient, lực tác dụng lên cực từ là: F = mlHx/x (1.5) Đây lực làm tịnh tiến nam châm theo phơng x (xem Hình 1.2) H - m H H - m + m x + m H II.2 Hình 1.2 Nam châm từ trờng không Đại lợng ml đợc gọi mômen từ (magnetic moment) đặc trng cho khả chịu tác dơng bëi tõ trêng cđa nam ch©m M = ml (1.6) Có thể nhận xét định nghĩa tơng tự nh toán tĩnh điện ta đà định nghĩa mômen lỡng cực điện P = ql Đơn vị M Wb.m Ta có: 1Wb.m = 1010 gauss.cm3 Dùng khái niệm mômen từ M, ta biểu diễn mômen xoắn tác dụng lên nam châm: L = MHsin, (1.7a) L không phụ thuộc dạng nam châm (không chứa l) Dới dạng vectơ: L = MìH (1.7b) Nếu lực cản tác dụng lên nam châm, công thực mômen xoắn đ ợc bảo toàn Đó U nam châm có mômen từ M từ trêng H: U = –MHcosθ = –MH (1.8) Cã thÓ dƠ dµng chøng minh (1.8) ThËt vËy, nÕu chän thÕ U = ứng với = /2 nam châm U = A, với A công mômen xoắn làm cho nam châm quay tõ π/2 ®Õn θ Sư dơng (1.7a), ta cã: θ U=–A= − ∫ L∂θ = –MHcosθ, π/ (1.9) tức nhận đợc hệ thức (1.8) Hệ thức (1.8) đợc sử dụng thờng xuyên cho mômen từ nguyên tử phần sau Để xét tơng tác hai nam châm, ta giả thiết chúng có mômen từ M1, M2 đặt cách r12, độ dài nam châm l