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1、,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,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/0M，表征材料导通磁力线的能力。,表征材料反抗外磁场的能力；Heff=Hex-Hd； Hd=NM，大小与磁体形状和磁极强度有关； 退磁能：Fd=1/20NM2，是磁体体现磁畴的主要原因。,1.物理学
2、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,TnTc,0,0,1,1,1.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。,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,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ml 决定电子轨道方向
3、，ml=0,1,2，l 自旋磁量子数ms 决定电子自旋方向，ms=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,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,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,PL=pli,PS=psi,PJ=PL+PS,pj=pl+ps,PJ=pj,铁磁物质大多采用此种方式！,2.自发磁
4、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,2.2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H2中两个电子的 相互作用来说明
5、交换作用的原理）,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,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）,rij：电子i与j间的距离； ri(rj)：i(j)电子与自己核间的距离。 A=f(rij、 ri、 rj），且A与波函数性质有关。,A（a/r0）关系曲线： 原子间距大（ a/r0),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,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
6、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,3.2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,3.3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Ed（Ed=0NM2/2）。,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
7、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。,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。,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。,
