1、铁磁性材料的自发磁化理论及磁铁磁性材料的自发磁化理论及磁畴结构畴结构2014年年4月月25日日 2汇报内容汇报内容 物理学基础物理学基础自发磁化理论自发磁化理论磁畴结构磁畴结构 31.物理学基础物理学基础1.1基本磁学量基本磁学量磁矩磁矩m磁化强度磁化强度M磁场强度磁场强度H磁感应强度磁感应强度B磁化率磁化率磁导率磁导率退磁场退磁场Hd微观量，矢量，微观量，矢量，m=iS，磁偶极子磁性的强弱和方向。，磁偶极子磁性的强弱和方向。宏观量，矢量，宏观量，矢量，M=m/V。描述空间内任意一点的磁场参量。描述空间内任意一点的磁场参量。与介质有关，与介质有关，B=0（H+M）=M/H，表征材料磁化难易程度
2、。，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。，表征材料导通磁力线的能力。表征材料反抗外磁场的能力；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；，大小与磁体形状和磁极强度有关；退磁能退磁能：Fd=1/20NM2，是磁体体现磁畴的主，是磁体体现磁畴的主要原因。要原因。41.物理学基础物理学基础1.2物质磁性分类及特征物质磁性分类及特征根据磁化率根据磁化率=M/H的大小和符号，分为五种：的大小和符号，分为五种：抗磁性抗磁性顺磁性顺磁性反铁磁性反铁磁性铁磁性铁磁性亚铁磁性亚铁磁性（无磁矩）（无磁矩）（有磁矩）（有磁矩）弱磁性
3、弱磁性强磁性强磁性TnTc0011 51.物理学基础物理学基础1.3磁性起源磁性起源物质的磁性来源于原子的磁性；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原子核磁矩很小，在我们所考虑的问题中可以忽略。略。电子轨道运动产电子轨道运动产生电子生电子轨道磁矩轨道磁矩电子自旋运动产电子自旋运动产生电子生电子自旋磁矩自旋磁矩原子的原子的总磁矩总磁矩物质磁性物质磁性的起源的起源因此，研究原子中因此，研究原子中电子的分布规律电子的分布规律及其对原子磁矩的及其对原子磁矩的影响是至关重要的。影响是至关
4、重要的。61.物理学基础物理学基础1.3磁性起源磁性起源核外电子结构用核外电子结构用4个量子数表征：个量子数表征：主量子数主量子数n决定电子轨道大小，决定电子轨道大小，n=1,2,3角量子数角量子数l决定电子轨道形状，决定电子轨道形状，l=0,1,2，n-1磁量子数磁量子数ml决定电子轨道方向，决定电子轨道方向，ml=0,1,2，l自旋磁量子数自旋磁量子数ms决定电子自旋方向，决定电子自旋方向，ms=1/2电子分布原则：电子分布原则：能量最低原理能量最低原理泡利原理泡利原理 71.物理学基础物理学基础1.3磁性起源磁性起源方法：玻尔原子轨道模型方法：玻尔原子轨道模型+量子力学理论量子力学理论电
5、子的轨道角动量电子的轨道角动量和轨道磁矩和轨道磁矩电子自旋角动量电子自旋角动量和自旋磁矩和自旋磁矩只考虑只考虑 未填满壳层未填满壳层磁性电子壳层磁性电子壳层melll2)1(messs1（=P）原子的总角动量原子的总角动量和总磁矩和总磁矩 81.物理学基础物理学基础1.3磁性起源磁性起源原子的总角动量和总磁矩：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。合成的。lsJ?L-S耦合耦合 Z=82j-j耦合耦合PL=pliPS=psiPJ=PL+PSpj=pl+psPJ=pj铁磁物质大多采用
6、铁磁物质大多采用此种方式！此种方式！92.自发磁化理论自发磁化理论2.1 自发磁化的唯象理论自发磁化的唯象理论 外斯：铁磁性分子场理论外斯：铁磁性分子场理论分子场假设分子场假设磁畴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质内部的“分子场分子场”的作用，它导致了自发磁化，即的作用，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。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）：分子场系数）smfMHmATkTkHHTkBBJBmfmfJB/1010101038.1929323TTc时，铁磁性转
7、变为顺磁性，热骚动能破坏了分时，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。子场对原子磁矩有序取向的作用。“分子场分子场”=磁场磁场？量子力学量子力学静电作用静电作用（“分子场分子场”来源于相邻原子中电来源于相邻原子中电子间的交换作用）子间的交换作用）102.自发磁化理论自发磁化理论2.2自发磁化的交换作用理论自发磁化的交换作用理论 海森堡铁磁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。静电交换相互作用。交换作用原理交换作用原理（以（以H2中两个电子的中两个电子
8、的 相互作用来说明交换作用的原理）相互作用来说明交换作用的原理）rarAbrBarrb电子电子a电子电子b核核a核核bR RBaAbbarrrRerrebam1111112H2222baexAESS 2交换能：磁性晶体单位体积中有磁性晶体单位体积中有N个原子个原子NjijiijexAESS2 112.自发磁化理论自发磁化理论2.2自发磁化的交换作用理论自发磁化的交换作用理论 铁磁性条件：铁磁性条件：1.必要条件：原子具有固有磁矩（有磁性壳层）必要条件：原子具有固有磁矩（有磁性壳层）2.充分条件：充分条件：A0（A0，自旋平行为基态），自旋平行为基态）21222*ddrerererrrrAjii
9、jjjjiijiirij：电子：电子i与与j间的距离；间的距离；ri(rj)：i(j)电子与自己核间的距离。电子与自己核间的距离。A=f(rij、ri、rj），且），且A与波函数性质有关。与波函数性质有关。A（a/r0）关系曲线：）关系曲线：原子间距大（原子间距大（a/r0),电子云重叠少或无电子云重叠少或无重叠，则交换作用弱或无。重叠，则交换作用弱或无。原子间距太小，会导致原子间距太小，会导致A0，自旋反平行。，自旋反平行。1J85成分成分 123.磁畴结构磁畴结构3.1磁畴的基本概念磁畴的基本概念 磁畴简图磁畴简图畴壁畴壁：相邻磁畴之间的过渡层。厚度约等于几百个原子间距。相邻磁畴之间的过渡
10、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。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？畴壁内的原子磁矩如何排列？畴壁表面和内部都不出现磁荷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法线方向上的分量都必须相等布洛赫壁布洛赫壁 133.磁畴结构磁畴结构3.2磁畴的分类磁畴的分类 磁畴的基本形式：磁畴的基本形式：a.磁通开放式磁通开放式片型畴；片型畴；b.磁通封闭式磁通封闭式封闭畴；封闭畴；c.旋转结构（封闭式）。旋转结构（封闭式）。143.磁畴
11、结构磁畴结构3.3从能量观点说明材料分畴的原因从能量观点说明材料分畴的原因 能量：静磁能能量：静磁能+磁晶各向异性能磁晶各向异性能+磁弹性能磁弹性能+交换能交换能若不分畴，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退磁场能Ed（Ed=0NM2/2）。）。例如对一个单轴各向异性的钴单晶。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，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发磁化的区域(b)、(C)可
12、以大大减少退磁能。如果分为可以大大减少退磁能。如果分为n个区域个区域(即即n个磁畴个磁畴)，能量约可减少，能量约可减少1/n，但是两个相邻的磁畴间的畴壁的，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。因此自发磁化区域存在，又增加了一部分畴壁能。因此自发磁化区域(磁畴磁畴)的形成不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。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 NN N S SS S N NN N N N S S S S(a)(c)(b)153.磁畴结构磁畴结构3.3从能量观点说明材料分畴的原因从能量观点说明材料分畴的原因
13、 形成如图形成如图d d，e 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。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另外，我们实际使用的一般为多晶体材料多晶体材料，晶粒方向是杂乱的。，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，了。同时，内应力内应力、非磁性的掺杂物非磁性的掺杂物、空隙空隙等的存在以及等的存在以及结构限结构限制制都决定了分畴以及磁畴不能无限增大。都决定了分畴以及磁畴不能无限增大。16
