磁性物理期末复习ppt课件.ppt

磁性物理 PHYSICSOFMAGNETISM 磁矩 基本概念 磁化强度 磁场强度 磁感应强度 磁导率 退磁场 退磁因子 静 磁能 磁化曲线 磁滞回线 交换作用 磁晶各向异性 磁畴 矫顽力 磁矩 m Moment 磁化强度M Magnetization 单位体积内磁偶极子的磁矩矢量和 这里g因子 g factor 对自旋运动是2 而对轨道运动是1 一般地 原子磁矩 B 0 H M 基本公式 Hd NM Nx Ny Nz 1 E 2ASi Sj 2AS2cos 基本公式 磁晶各向异性场HK 磁畴成因 各种能量 单畴颗粒计算 技术磁化 MH M位移 M转动 P27 P28 P32 P33 P37 P39 P43 P49 P74 P119 P132 P151 P158 P169 P215 P219 P225 P226 P254 P285 P288 P293 P314 P325 327 P390 P461 P462 基本图表 洪德法则 Hund srule 1 自旋si排列 使总自旋S在泡利原理的限制内取最大 2 每个电子的轨道矢量li的排列 使总角动量L在泡利原理和条件 1 的下取最大 3 L和S间的耦合 电子数n小于半满时J L S 电子数n大于半满时J L S 泡利不相容原理 Pauliexclusionprinciple 同一个量子数n l m s表征的量子状态只能有一个电子占据 库仑作用 单原子磁矩的计算 以Fe为例 2 计算3d6的S L J的量子数 3 计算gJ 把求得的S L J带入得 4 计算 J 磁场中电子的运动 以速度V运动的自由电子 铁磁性物质的基本特征 1 铁磁体内存在按磁畴分布的自发磁化2 可达10 106数量级 加很小的外场即可磁化至饱和 原因即是存在自发磁化 3 M H之间呈现磁滞现象 具有Mr 4 存在磁性转变温度Tc 居里温度5 在磁化过程中表现出磁晶各向异性与磁致伸缩现象 外斯分子场假说 1 分子场假设2 磁畴假设 Ms Ms Ms Ms Ms Ms M 0 M 0 M Mscos M Ms Ha Ha Ha 外斯分子场理论 2磁畴假设 直接交换作用 Directexchange 铁磁性自发磁化起源于电子间的静电交换相互作用 交换作用模型 对于基态 要求 以满足能量最低原则 若A 0 则 自旋反平行为基态 反铁磁性或亚铁磁性 交换作用 2 若A 0 则 自旋平行为基态 铁磁性 3 若A 0 系统能量与近邻电子磁性壳层中电子相对取向无关 因此物质呈顺磁性 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 会导致从而使A 0 自旋反平行 30 且较大 铁磁性 反 亚 铁磁性 u a r0 a 晶格常数r0 未满壳层半径 Slater Betle曲线 顺磁性A 0 顺磁性 A Fe单晶磁化曲线 易轴 难轴 磁晶各向异性 MagnetocrystallineAnisotropy Ni单晶磁化曲线 易轴 难轴 Co单晶磁化曲线 易轴 难轴 由磁化曲线和M坐标轴之间所包围的面积确定 称这部分与磁化方向有关的自由能为磁各向异性能 磁化过程中的磁化功 磁各向异性类型 磁晶各向异性 形状各向异性 感生各向异性 应力各向异性 交换各向异性 磁各向异性能的表示 六角晶系磁晶各向异性能 x y z Ms 1 2 3 100 1 1 2 0 3 0Fk 0 110 1 0 111 K1 K2分别为磁晶各向异性常数 求几个特征方向的各向异性能 一般设 K0 0 001 110 111 立方晶系磁晶各向异性能 由于磁晶各向异性能的存在 在不施加外磁场时 磁化强度的方向会处在易磁化轴方向上 如果磁化强度偏离易磁化轴 它会受到一个力矩作用 把它拉回易磁向 这相当于在易磁化轴方向上存在一个等效磁场Hk 在很多情况下 用磁晶各向异性等效场的概念来讨论磁晶各向异性的影响会方便得多 磁晶各向异性等效场 Hk 得到 b c面为易磁化面时 a c轴为易磁化轴 六角晶系情况 x y z Is 1 2 3用 耒表示 a 易轴 立方晶系磁晶各向异性能为方便讨论也可表示为 使用上式可以推出Hk 磁晶各向异性的来源 铁磁性物质的形状在磁化过程中发生形变的現象 叫磁致伸缩 由磁致伸缩导致的形变 l l一般比较小 其范围在10 5 10 6之间 虽然磁致伸缩引起的形变比较小 但它在控制磁畴结构和技术磁化过程中 仍是一个很重要的因素 应变 l l随外磁场增加而变化 最终达到饱和 产生这种行为的原因是材料中磁畴在外场作用下的变化过程 每个磁畴内的晶格沿磁畴的磁化强度方向自发的形变e 且应变轴随着磁畴磁化强度的转动而转动 从而导致样品整体上的形变 H 磁致伸缩 磁致伸缩的机理 磁畴理论MagneticDomainTheory 铁磁体有一定的几何尺寸 均匀自发磁化必将导致表面磁极的出现而产生Hd 此时不再能量极小的 因此必须降低Fd 1 分成n个磁畴后 Fd 1 n Fd 2 形成磁畴后 必然将引起Fex或Fk增大 出现畴壁能 改变其MS矢量分布方向 从而形成多磁畴 磁畴的数目和大小完全取决于退磁场能和畴壁能的平衡条件 情况1 自发磁化后不分畴 全部磁矩向一个方向 即均匀的自发磁化状态 对于Fe MS 1 71 106A m 则Fd 1 8 106J m3令L 10 2m 则单位面积下产生的退磁场能为 磁畴形成的能量分析 情况2 自发磁化形成简单的片状磁畴此时 材料表面也出现磁极 内部也有Fd 同时 由于畴壁能的存在 需要考虑二者的共同作用 其中 w为畴璧单位面积的畴壁能 磁畴形成的能量分析 对于Fe来说 w 1 59 10 3J m2 则D 5 7 10 6m 且Emin 5 6J m2 对于上述二情形 其能量之比为 所以铁磁体自发磁化后 要使其总自由能为最低 必然要分成若干个小区域的磁畴 才具有最稳定的磁畴结构 可见尽管新增加了Ew 但由于分磁畴使Fd降低 铁磁体内总能量仍比未分畴的退场能小得多 所以退磁场能Fd是形成磁畴的原因 二 磁畴壁结构 1 磁畴壁的形成 磁畴壁是相邻两磁畴间磁矩按一定规律逐渐改变方向的过渡层 形成机理 相邻两磁畴内的磁化矢量MS自发磁化在不同的方向上 MS从一个畴的取向转变为另一个畴的取向 只能通过相邻两磁畴间的过渡层内每个原子的自旋磁矩方向逐渐地改变方式来进行 设畴壁厚度为N个原子间距a 假定单层单位畴壁面积上有1 a2个原子 原子自旋均匀转向 则单位畴壁面积的交换能的面密度为 A为交换积分 180 畴壁厚度和畴壁能估算 N越大 壁厚越厚 交换能增量越小 磁晶各向异性能平均密度可以近似表示为 畴壁能密度为 求能量极小值的条件 得到 180 畴壁厚度和畴壁能估算 磁晶各向异性能增加 N越小 壁厚越薄 磁晶各向异性能增量越小 畴壁 Bloch壁和Neel壁 临界尺寸rc 当铁磁体的尺寸小于某一尺寸时 整个晶体成为一个单畴 这一尺寸即为单畴的临界尺寸 不同的材料颗粒 形成单畴时的临界尺寸显然各不相同 其中b c d是尺寸大于临界尺寸的颗粒的几种最简单的磁畴结构 单畴颗粒 模型计算依据 因为临界尺寸rc是代表单畴和多畴的分界点 故这时单畴结构与多畴结构的能量应相同 若r rc 则多畴结构能量低 反之 则单畴结构能量低 a 单畴球形颗粒的能量 单畴颗粒中 磁矩沿易磁化方向平行排列 故Fk最低 且H 0 又无交换能存在 所以只需要考虑退磁场能Fd 颗粒的总退磁能 b K较大的立方晶体的多畴球形结构能量计算 颗粒大于临界尺寸rc的立方晶体 其最简单的磁畴结构如图 在临界尺寸时 有Ed球 Ew 其磁化都在易磁化方向 故无Fk 也无外磁场 故不考虑FH 虽然有较弱的表面磁极 但Fd不占主要地位 可不计 主要的能量是畴壁能Ew 而这里畴壁为90 壁 所以颗粒的能量可近似写为畴壁能密度乘以畴壁面积 c 单轴晶体的多畴球形结构能量计算 相当于分成两个方向相反的磁畴 其退磁能粗略估计为单畴的一半 畴璧能为 临界半径时 这二者的能量和应该与单畴能量一样 d 第六章技术磁化TechnicalMagnetization 外磁场使磁畴结构变化 在磁场方向出现不为零的磁化强度 MH 畴壁移动过程 磁化矢量转动过程 顺磁磁化过程 磁化过程概述 Si Fe晶体的畴壁位移和磁畴转动