,16,铁磁性材料的自发磁化理论及磁畴结构,201,4年4月25日,铁磁性材料的自发磁化理论及磁畴结构2014年4月25日,汇报内容,物理学基础,自发磁化理论,磁畴结构,汇报内容 物理学基础,1.物理学基础,1.1基本磁学量,磁矩,m,磁化强度M,磁场强度H,磁感应强度B,磁化率,磁导率,退磁场Hd,微观量，矢量，m=iS，磁偶极子磁性的强弱和方向。,宏观量，矢量，M=m/V。,描述空间内任意一点的磁场参量。,与介质有关，B=,0,（H+M）,=M/H，表征材料磁化难易程度。,=（1+）=B/,0,M，表征材料导通磁力线的能力。,表征材料反抗外磁场的能力；H,eff,=H,ex,-H,d；,H,d=,NM，大小与磁体形状和磁极强度有关；,退磁能,：F,d,=1/2,0,NM2，是磁体体现磁畴的主要原因。,1.物理学基础1.1基本磁学量磁矩m磁化强度M磁场强度H磁,1.物理学基础,1.2物质磁性分类及特征,根据磁化率=M/H的大小和符号，分为五种：,抗磁性,顺磁性,反铁磁性,铁磁性,亚铁磁性,（无磁矩）,（有磁矩）,弱磁性,强磁性,Tn,Tc,0,0,1,1,1.物理学基础1.2物质磁性分类及特征根据磁化率=M/H的,1.物理学基础,1.3磁性起源,物质的磁性来源于原子的磁性；,原子的磁性来源于原子中电子及原子核的磁矩；,原子核磁矩很小，在我们所考虑的问题中可以忽略。,电子轨道运动产,生电子,轨道磁矩,电子自旋运动产,生电子,自旋磁矩,原子的,总磁矩,物质磁性,的起源,因此，研究原子中,电子的分布规律,及其对原子磁矩的影响是至关重要的。,1.物理学基础1.3磁性起源物质的磁性来源于原子的磁性；电子,1.物理学基础,1.3磁性起源,核外电子结构用4个量子数表征：,主量子数n,决定电子轨道大小，n=1,2,3,角量子数l,决定电子轨道形状，l=0,1,2，n-1,磁量子数m,l,决定电子轨道方向，m,l,=0,1,2，l,自旋磁量子数m,s,决定电子自旋方向，m,s,=1/2,电子分布原则：,能量最低原理,泡利原理,1.物理学基础1.3磁性起源核外电子结构用4个量子数表征：,1.物理学基础,1.3磁性起源,方法：玻尔原子轨道模型+量子力学理论,电子的轨道角动量,和轨道磁矩,电子自旋角动量,和自旋磁矩,只考虑,未填满壳层,磁性电子壳层,（=P）,原子的总角动量,和总磁矩,1.物理学基础1.3磁性起源方法：玻尔原子轨道模型+量子力,1.物理学基础,1.3磁性起源,原子的总角动量和总磁矩：,是电子的轨道角动量（磁矩）和自旋角动量（磁矩）以矢量叠加方式合成的。,l,s,J,?,L-S耦合,Z=82,j-j耦合,P,L,=,p,li,P,S,=,p,si,P,J,=,P,L,+,P,S,p,j,=p,l,+p,s,P,J,=,p,j,铁磁物质大多采用此种方式！,1.物理学基础1.3磁性起源原子的总角动量和总磁矩：l,2.自发磁化理论,2.1 自发磁化的唯象理论,外斯：铁磁性分子场理论,分子场假设,磁畴假设,在有净磁矩的同时，铁磁性物质的原子磁矩还受到物质内部的“分子场”的作用，它导致了自发磁化，即在无外加磁场时，仍然呈现出微观磁矩的有序排列。,（：分子场系数）,TTc,时，铁磁性转变为顺磁性，热骚动能破坏了分子场对原子磁矩有序取向的作用。,“分子场”=磁场,？,量子力学,静电作用,（“分子场”来源于相邻原子中电子间的交换作用）,2.自发磁化理论2.1 自发磁化的唯象理论 外斯：铁磁性分,2.自发磁化理论,2.2自发磁化的交换作用理论,海森堡铁磁理论,分子场是量子力学交换作用的结果，铁磁性自发磁化起源于电子间的静电交换相互作用。,交换作用原理,（以,H,2,中两个电子的 相互作用来说明交换作用的原理）,r,a,r,Ab,r,Ba,r,r,b,电子,a,电子,b,核,a,核,b,R,磁性晶体单位体积中有,N,个原子,2.自发磁化理论2.2自发磁化的交换作用理论 海森堡铁磁理,2.自发磁化理论,2.2自发磁化的交换作用理论,铁磁性条件：,1,.必要条件：原子具有固有磁矩（有磁性壳层）,2,.充分条件：,A0,（A0，自旋平行为基态）,r,ij,：电子,i,与,j,间的距离；,r,i,(,r,j,),：,i,(,j,),电子与自己核间的距离。,A,=,f,(,r,ij,、,r,i,、,r,j,），且,A,与波函数性质有关。,A,（,a/r,0,）关系曲线：,原子间距大（,a/r,0,),电子云重叠少或无重叠，则交换作用弱或无。,原子间距太小，会导致,A0,，自旋反平行。,1J85成分,2.自发磁化理论2.2自发磁化的交换作用理论 铁磁性条件：r,3.磁畴结构,3.1磁畴的基本概念,磁畴简图,畴壁,：,相邻磁畴之间的过渡层。厚度约等于几百个原子间距。,不同的晶体类型，有不同的易磁化方向，进而对应不同的畴壁类型。,畴壁内的原子磁矩如何排列？,畴壁表面和内部都不出现磁荷,磁壁内的每一原子磁矩，在磁壁法线方向上的分量都必须相等,布洛赫壁,3.磁畴结构3.1磁畴的基本概念 磁畴简图畴壁：相邻磁畴之间,3.磁畴结构,3.2磁畴的分类,磁畴的基本形式：,a.磁通开放式片型畴；,b.磁通封闭式封闭畴；,c.旋转结构（封闭式）。,3.磁畴结构3.2磁畴的分类 磁畴的基本形式：,3.磁畴结构,3.3从能量观点说明材料分畴的原因,能量：静磁能+磁晶各向异性能+磁弹性能+交换能,若不分畴，整块材料只有一个磁畴，其端面将出现磁荷，因而存在着,退磁场能E,d,（E,d,=,0,NM2/2）。,例如对一个单轴各向异性的钴单晶。( a )图是整个晶体均匀磁化，退磁场能最大。从能量的,观,点出发，分为两个或四个平行反向的自发磁化的区域( b ),、,( C )可以大大减少退磁能。如果分为n个区域(即n个磁畴)，能量约可减少1/n，但是两个相邻的磁畴间的畴壁的存在，又增加了一部分畴壁能。因此自发磁化区域(磁畴)的形成不可能是无限的，而是畴壁能与退磁场能的和为极小值为条件。,N S N S,S N S N,N N S S,S S N N,N N N N,S S S S,( a ),( c ),( b ),3.磁畴结构3.3从能量观点说明材料分畴的原因 能量：静磁能,3.磁畴结构,3.3从能量观点说明材料分畴的原因,形成如图d，e的封闭畴将进一步降低退磁能，但是封闭畴中的磁化强度,方向垂直单轴各向异性方向，因此将增加各向异性能。,( e ),( d ),另外，我们实际使用的一般为,多晶体材料,，晶粒方向是杂乱的。在同一晶粒内，各磁畴的磁化方向是有一定关系的。在不同晶粒间，由于易磁化轴方向的不同，磁畴的磁化方向就没有一定关系了。同时，,内应力,、,非磁性的掺杂物,、,空隙,等的存在以及,结构限制,都决定了分畴以及磁畴不能无限增大。,3.磁畴结构3.3从能量观点说明材料分畴的原因 形成如图d，,铁磁性材料的自发磁化理论和磁畴结构课件,