铁磁性材料的自发磁化理论和磁畴结构课件

铁磁性材料的自发磁化理论及磁畴结构2014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μm磁化强度M磁场强度H磁感应强度B磁化率χ磁导率μ退磁场Hd微观量，矢量，μm=iS，磁偶极子磁性的强弱和方向。宏观量，矢量，M=Σμm/ΔV。描述空间内任意一点的磁场参量。与介质有关，B=μ0（H+M）χ=M/H，表征材料磁化难易程度。μ=（1+χ）=B/μ0M，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=1/2μ0NM^2，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μm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χ=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TnTcχ<0χ>0χ>0χ》1χ》11.物理学基础1.2物质磁性分类及特征根据磁化率χ=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ml决定电子轨道方向，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（μ=﹣λP）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。μlμsμJ?L-S耦合

Z<=32

Z>=82j-j耦合PL=ΣpliPS=ΣpsiPJ=PL+PSpj=pl+psPJ=Σpj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：μlμ2.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。（ω：分子场系数）T>Tc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H2中两个电子的相互作用来说明交换作用的原理）rarAbrBarrb电子a电子b核a核bR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：A>0（A>0，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（μ＝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A<0，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：r3.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Ed（Ed=μ0NM^2/2）。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。NSNSSNSNNNSSSSNNNNNNSSSS(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铁磁性材料的自发磁化理论及磁畴结构2014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μm磁化强度M磁场强度H磁感应强度B磁化率χ磁导率μ退磁场Hd微观量，矢量，μm=iS，磁偶极子磁性的强弱和方向。宏观量，矢量，M=Σμm/ΔV。描述空间内任意一点的磁场参量。与介质有关，B=μ0（H+M）χ=M/H，表征材料磁化难易程度。μ=（1+χ）=B/μ0M，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=1/2μ0NM^2，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μm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χ=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TnTcχ<0χ>0χ>0χ》1χ》11.物理学基础1.2物质磁性分类及特征根据磁化率χ=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ml决定电子轨道方向，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（μ=﹣λP）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。μlμsμJ?L-S耦合

Z<=32

Z>=82j-j耦合PL=ΣpliPS=ΣpsiPJ=PL+PSpj=pl+psPJ=Σpj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：μlμ2.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。（ω：分子场系数）T>Tc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H2中两个电子的相互作用来说明交换作用的原理）rarAbrBarrb电子a电子b核a核bR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：A>0（A>0，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（μ＝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A<0，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：r3.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Ed（Ed=μ0NM^2/2）。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，