第八章磁电子学材料与器件

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1、淘宝官方才智在线,第八章 磁电子学材料与器件,淘宝官方才智在线,概述,磁现象 天然磁石 电流的磁效应 磁性是物质的基本属性，就像物质具有质量和电性一样。 换句更简单的话说就是：一切物质都具有磁性。,电荷的运动是一切磁现象的根源。,电子轨道运动产生电子轨道磁矩 电子自旋产生电子自旋磁矩 原子核由于其自身的自转也具有核磁矩，但非常小,淘宝官方才智在线,8.1 原子磁矩,1 原子磁矩 电子轨道磁矩,电子的轨道运动相当于一个圆形电流,产生的电子轨道磁矩,考虑到轨道动量矩,电子绕原子核作轨道运动时，轨道磁矩l与动量矩pl成正比，由于电子带负电荷，因而两者运动方向相反。,淘宝官方才智在线,8.1 原子磁矩

2、,电子轨道磁矩,电子轨道运动是量子化的，当电子运动状态的主量子数为n时，角动量由角量子数l来确定。,B称为玻尔磁子 是电子磁矩的单位,在原子上施加一个外加磁场时，角动量和磁矩在空间上不连续，这些不连续的值取决于磁量子数ml,l=0,1,2,n-1,ml=0,1,2,l,淘宝官方才智在线,8.1 原子磁矩,电子自旋磁矩,电子自旋角动量取决于自旋量子数s,由于s的值只能等于1/2，故ps的本征值为,自旋角动量在外磁场方向上的分量取决于自旋量子数ms ms只可能等于1/2,自旋磁矩s,淘宝官方才智在线,8.1 原子磁矩,图8.1 电子角动量的空间量子化,图8.2 电子自旋磁矩的空间量子化,电子的总磁

3、矩,淘宝官方才智在线,8.1 原子磁矩,2 多电子原子磁矩 原子中各个电子的轨道磁矩和自旋磁矩的合磁矩即为原子磁矩，宏观物质磁性是电子磁性的总和。 对于多电子系统的原子，一般只讨论不满壳层中电子对磁矩的贡献，即未满壳层中电子的磁矩。 由于不满壳层中电子间存在库伦力的作用，所以要将所有电子的角动量耦合成总角动量。 (1)轨道-自旋耦合(L-S) (2) j-j耦合。 同理，可以得到总的自旋角动量。,淘宝官方才智在线,8.1 原子磁矩,2 多电子原子磁矩,原子的总角动量PJ,原子的总角量子数J由S和L合成,g为兰德因子,淘宝官方才智在线,8.1 原子磁矩,2 多电子原子磁矩,兰德因子g的物理含义：

4、,均来源于自旋运动。,当1g2时，原子磁矩由轨道磁矩与自旋磁矩共同贡献。,当S=0时, J=L，g=1，,当L=0时，J=S，g=2，,均来源于轨道运动。,兰德因子g反映了原子轨道磁矩和自旋磁矩对总磁矩贡献的大小。实验表明，所有铁磁物质的磁矩主要由电子自旋所贡献的，而不是由电子轨道运动贡献。,淘宝官方才智在线,8.1 原子磁矩,3 原子磁矩计算 洪特规则,理论上计算原子总磁矩，必须要知道L、S和J的值。当原子处于基态时，就只需知道基态时的L、S和J的值。,1)在鲍林（Pauli）原理所容许的条件下，总自旋角动量量子数S取最大值，此时能量最低。 2)总轨道角动量量子数L，在S取最大值的各个状态中

5、，取鲍林原理所容许的最大值。 3)如果壳层中的电子不到半满，则总角动量量子数,，如超过半满，则有 ，如果刚好处于半满状态，则根据1)，有L=0，J=S。,淘宝官方才智在线,8.1 原子磁矩,3 原子磁矩计算 以铁原子为例，计算原子磁矩,1)确定磁性电子壳层。铁的原子序数为Z=26，其磁性壳层结构为3d6。 2)计算量子数L，S，J。首先分析电子在轨道中的排布状态，6个电子中，有5个处于自旋量子数为S=1/2的3d轨道，1个处于自旋量子数为S=-1/2的3d轨道。因而,3)计算兰德因子g。 g=1.5。 4)计算总磁矩。,淘宝官方才智在线,8.2 物质的磁化,1 磁偶极矩 设偶极子的两个相等而相

6、反的磁荷是+m和-m，它们之间的距离为l。这时磁偶极子产生的磁偶极矩为 磁偶极子还可以用一环形电流来描绘,设环形电流为i，电流回路包围的面积为A，此电流回路就相当于一个磁偶极子，并具有磁矩,磁矩的意义是表征磁偶极子磁性强弱和方向的一个物理量，它和磁偶极矩具有相同的物理意义，两者之间的关系,淘宝官方才智在线,8.2 物质的磁化,2 磁化强度与磁极化强度 磁化强度是描述宏观磁性物质磁性强弱程度的物理量 磁极化强度J 磁化强度M,在物理意义上，J和M都是用来描述磁体被磁化的方向和强度。当磁化磁场很大时，磁化方向可以和磁场方向一致，但一般不一定一致。,淘宝官方才智在线,8.2 物质的磁化,3 磁场强度

7、与磁感应强度 磁场强度H 磁感应强度B,定义为单位点磁荷在该处所受的磁场力的大小，其方向与正磁荷在该处所受磁场力的方向一致。,一般认为磁感应强度B是由磁场强度H所引起的，同时，介质中的磁感应强度B还与介质的磁化强度M有关。而H则是由外加磁场所决定的。,淘宝官方才智在线,8.2 物质的磁化,4 磁导率与磁化率 磁导率定义为单位磁场强度H所引起的磁感应强度B的变化 介质的相对磁导率r 当磁体被置于外磁场中时，其磁化强度将发生变化，磁化强度M和磁场强度H的关系,称为磁体的磁化率，表征磁体磁化难易程度的一个参量。,淘宝官方才智在线,8.2 物质的磁化,4 磁导率与磁化率 (1)初始磁导率 (2)最大磁

8、导率 (3)振幅磁导率 (4)增量磁导率 (5)可逆磁导率,淘宝官方才智在线,8.3 磁性材料的分类,把物体置于外加磁场中，物体就磁化了，这种被磁化了的物体就称为磁性物体。 1 抗磁性 2 顺磁性 3 反铁磁性 4 铁磁性 5 亚铁磁性,其中铁磁性和亚铁性是强磁性，其余三种是弱磁性,淘宝官方才智在线,8.4 铁磁交换作用,1 交换相互作用 铁原子的电子结构为Ar3d64s2 两个电子的自旋平行不是因为自旋磁矩间的直接磁相互作用，而是因为鲍林不相容原理和静电相互作用能，它们一起构成了交换相互作用。,图8.6 孤立铁原子中有4个未成对的电子的自旋,A为交换积分：,淘宝官方才智在线,8.4 铁磁交换

9、作用,1 交换相互作用 A表示电子在位置1和2之间、在两个波函数之间交换位置所引起的相互作用。 当A0，自旋平行排列的状态，其能量最低。,参与交换作用的电子，其电子云分布的极大值离原子核要远些。 邻近原子核的间距r同参与交换作用的电子壳层半径rd的比值要合适。,淘宝官方才智在线,8.4 铁磁交换作用,1 交换相互作用 超交换作用 非直接交换作用,图8.8 超交换作用图,图8.9 非直接交换作用,淘宝官方才智在线,8.4 铁磁交换作用,2 饱和磁化与居里温度 饱和磁化强度Ms 居里温度TC,铁磁体中所有原子磁矩的排列尽可能一致时的最大磁化强度，取决于组成材料的磁性原子数、原子磁矩和温度 。,当温

10、度升高到某一临界点时，晶体内部的晶格振动所需的热能足以克服交换作用势能，进而破坏自旋排列，铁磁体的特性就会消失，该临界温度点称为居里温度TC。,A越大，交换作用越强，分子场就越强，居里温度也就越高。,淘宝官方才智在线,8.5 磁畴,1 磁畴与畴壁 磁畴是自发磁化到饱和（即其中的磁矩均朝一个方向排列）的小区域 任何铁磁体和亚铁磁体，在温度低于居里温度Tc时，都是由磁畴组成的。 相邻磁畴之间原子磁矩按一定规律逐渐改变方向的过渡层叫磁畴壁 根据畴壁两侧磁畴的Ms方向关系，分为180畴壁和90畴壁。根据畴壁中磁矩的过渡方式不同，又可将畴壁分为布洛赫(Bloch)壁和奈耳(Neel)壁。,淘宝官方才智在

11、线,8.5 磁畴,1 磁畴与畴壁,图8.10 布洛赫壁结构,图8.11奈尔壁结构,淘宝官方才智在线,8.5 磁畴,2 磁畴的形成,磁畴的出现是作用于铁磁体内部各种作用力的综合作用的结果，此时系统总的能量最低。,五种相互作用的能量： 外磁场能量(EH) 退磁场能量(Ed) 交换能(Eex) 磁晶各向异性能(EK) 磁弹性能(E)。,淘宝官方才智在线,8.5 磁畴,2 磁畴的形成,图8.13 单轴晶体的磁畴形成示意图,当晶体内含有n个磁畴时，如图(d)，晶体内的退磁场能仅为均匀磁化时的1/n。,淘宝官方才智在线,8.5 磁畴,2 磁畴的形成 单畴颗粒 磁泡畴,淘宝官方才智在线,8.5 磁畴,3 磁

12、化曲线与磁滞回线 磁化曲线 磁性材料受外磁场作用，向外磁场方向发生磁畴转动或畴壁位移，原有磁畴消失，新磁畴产生。随磁场的增大，最终所有磁畴都取外磁场方向，磁体被磁化到饱和。这种磁性材料由磁中性状态到磁饱和状态的过程，称为磁化过程；反之称为反磁化过程。 磁性体的磁感应强度、磁化强度随磁场强度变化的一条曲线称为磁化曲线。 抗磁体、顺磁体和反铁磁体的磁化曲线为直线。 铁磁性和亚铁磁性材料的磁化曲线为非线性关系。,淘宝官方才智在线,8.5 磁畴,磁化曲线,图8.16 铁磁体的磁化特性,淘宝官方才智在线,磁化曲线 大多数铁磁体磁化曲线的变化通常可以分为四个阶段： 弱磁场范围内的可逆畴壁位移； 中等磁场范

13、围内的不可逆畴壁位移； 较强磁场范围内的可逆磁畴转动； 强磁场下的不可逆磁畴转动。,8.5 磁畴,磁性材料的磁化，实质上是材料受外磁场的作用，其内部的磁畴结构发生变化。,淘宝官方才智在线,磁化曲线,8.5 磁畴,沿外磁场强度H方向上的磁化强度MH可以表示为,当外磁场强度H改变H时，相应的磁化强度的改变为MH,技术磁化过程只包括畴壁位移磁化过程和磁畴转动磁化过程,淘宝官方才智在线,8.5 磁畴,3 磁化曲线与磁滞回线 磁滞回线 1)饱和磁化强度Ms 2)剩余磁化强度Mr 3)矫顽力Hc 根据磁滞回线的形状 硬磁材料 软磁材料,淘宝官方才智在线,8.5 磁畴,4 动态磁化,铁磁体在周期性变化的交变

14、磁场中时，其磁化强度也周期性地反复变化，构成动态磁滞回线。,动态磁滞回线和静态磁场中的磁滞回线既有相似之处，也有一定的差别。 在相同的磁场强度范围内，动态磁滞回线的面积比静态磁滞回线要大一些。这是因为磁滞回线的面积等于磁化一周所损耗的能量。在静态磁场下，材料内的损耗仅为磁滞损耗；而在交变磁场下，材料内除了磁滞损耗以外，还存在涡流损耗和剩余损耗等。,淘宝官方才智在线,8.5 磁畴,4 动态磁化 动态磁滞回线的形状与交变磁场的峰值Hm以及频率有关。 当交变磁场的磁场强度减小或交变磁场的频率增加时，动态磁滞回线的形状将逐渐趋近于椭圆。,1)磁滞现象 2)涡流效应 3)磁导率的频散和吸收现象 4)磁后

15、效,在交变磁场中，这四种现象都将引起铁磁材料的能量损耗,淘宝官方才智在线,8.5 磁畴,5 磁损耗 铁磁体在交变磁场进行交流磁化过程中，因损耗能量而发热，称为磁损耗。 磁损耗包括：涡流损耗、磁滞损耗和剩余损耗。 涡流损耗,处在迅速变化的磁场中的导体，其内部会产生闭合旋涡状的感生电流,降低涡流损耗： 一是降低材料的厚度d； 另外一种方法是提高材料的电阻率。,淘宝官方才智在线,8.5 磁畴,磁滞损耗 剩余损耗,在交变磁场中对磁性材料进行磁化，由于磁滞现象而产生的功率损耗称为磁滞损耗。,降低磁滞损耗的最好方法是减小铁磁材料的矫顽力Hc,剩余损耗是指除了涡流损耗和磁滞损耗以外的其它所有损耗。,为了降低

16、材料的剩余损耗，可以从下面两个方面入手：减少扩散离子浓度，从而抑制离子扩散过程；控制成分和制备工艺，使之在应用频率和工作温度范围内避开损耗最大值。,淘宝官方才智在线,8.6 磁性材料的特性,物质的物理性质随外界因素，例如磁场、电场、光及热等的变化而发生变化的现象为物理效应。 1 磁各向异性,磁各向异性主要是由自旋-轨道耦合，导致磁化强度从优于特定晶轴取向。,图8.22 不同磁化方向导致的自旋轨道耦合情况,图8.23 铁单晶的磁化曲线,淘宝官方才智在线,8.6 磁性材料的特性,1 磁各向异性,沿铁的方向极易磁化，在很小的磁场下即可达到磁饱和，是易磁化方向。而沿铁的方向磁化时，则需要非常强的磁场才能达到磁饱和，是难磁化方向。,铁磁体的磁化需消耗一定的能量，称为磁化能。,对立方晶系有：,K1、K2为常数，称为各向异性常数，在室温时，铁的典型值为K1=4.2105erg/cm3和K2=1.5105。,淘宝官方才智在线,8.6 磁性材料的特性,1 磁各向异性 形状各向异性； 磁晶各向异性； 生长感生各向异性； 应力感生各向异性； 磁场感生各向异性； 交换各向异性。,