课件10第五章磁畴理论1

第五章：磁畴理论磁性物理学本章学习要点1.认识铁磁体中产生磁畴的起源，对磁畴、磁畴壁有清晰的物理概念;2.理解磁畴壁形成原理，壁内原子磁矩取向规律以及畴壁的厚度和能量的计算方法；3.了解各种类型的结构，掌握运用热力学平衡条件求解磁畴结构的方法；4.理解微粒、薄膜磁体的磁畴结构及其应用铁磁性物质的基本特征是物质内部存在自发磁化与磁畴结构。1907年Weiss在分子场理论的假设中，最早提出磁畴的假说；而磁畴结构的理论是Landon—Lifshits在1935年考虑了静磁能的相互作用后而首先提出的。磁畴理论已成为现代磁化理论的主要理论基础。H=0H=05-1磁畴的起源一、磁畴形成的根本原因铁磁体内有五种相互作用能：FH、Fd、Fex、Fk、。根据热力学平衡原理，稳定的磁状态，其总自由能必定极小。产生磁畴也就是Ms平衡分布要满足此条件的结果。若无H与作用时，Ms应分布在由Fd、Fex、Fk三者所决定的总自由能极小的方向，但由于铁磁体有一定的几何尺寸，Ms的一致均匀分布必将导致表面磁极的出现而产生Hd，从而使总能量增大，不再处于能量极小的状态。因此必须降低Fd。故只有改变其Ms矢量分布方向，从而形成多磁畴。因此Fd最小要求是形成磁畴的根本原因。如图分成n个磁畴后，Fd→(1/n)FdF但是形成磁畴后,将引起Fex与Fk的增加（即畴壁能）。因此，磁畴数目的多少及尺寸的大小完全取决于Fd与畴壁能的平衡条件。二、从片状磁畴说明磁畴分成小区域的原因设想一面积较大的磁体：情况1：自发磁化后不分畴，全部磁矩向一个方向2436620202/108.11/108.1/1071.1:212110mJLFLFEmJFmAMFeMNMFmLddddsssd）（场能：所以，单位面积下退磁　　　对于如图：设LMsSSSSNNNN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。LSNSNSNSNSNDLEDMEwwsd27107.1w为单位面积的畴壁能（畴壁能量密度）0107.10107.122727DLMDEDLDMEEEwswswd得：由32001108.16.5J/m6.5m107.5J/m1059.1:1017217104min2min6234min4dwwswsEEEDFeLMELMD量之比为：对于上述二情形，其能对可见尽管增加了Ew，但Fd↓，总能量↓。■只有Fd是形成多畴结构的根本原因因为铁磁体内磁畴形成的大小与形状及磁畴的分布模型，原则上由Fd、Fex、Fk与四种能量共同决定，磁畴结构的稳定状态也应是这四种能量决定的极小值状态，但这四种能量中，Fex使磁体内自发磁化至饱和，而自发磁化的方向是由Fk与共同决定的最易磁化方向。由此可见Fex、Fk与只是决定了一磁畴内Ms矢量的大小以及磁畴在磁体内的分布取向，而不是形成磁畴的原因，只有Fd才是使有限尺寸的磁体形成多畴结构的最根本原因。三、决定磁畴结构的因素除Fd外1、磁各向异性实际铁磁体中磁矩方向不能任意选取。（综合考虑Fex、Fk）2、磁致伸缩，即考虑。FFFF5-2畴壁结构及其特性一、畴壁的形成定义：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。畴壁有一定的厚度。相邻的两个磁畴内的磁化强度方向常常是反平行或相互垂直，在畴壁中磁化矢量是逐步转变的。举1800畴壁为例，看畴壁的厚度和畴壁能。畴壁内主要考虑交换能与各向异性能的平衡。下面计算均按单位面积计。cos22ASF)0(22minASF当两原子磁矩间的夾角为时，交换能的增量为22222min)2/(sin4)cos(12)(ASASASFFF设畴壁厚度为N个原子间距。a为晶格常数，Na=为畴壁厚度畴壁能密度为NaKk1交换作用能+磁晶各向异性能22N）（ASF单位面积畴壁内的交换能增量为：222222)/(NNaASaNASex）（磁晶各向异性能密度为NaKNaASkex1222求能量极小值的条件对于铁的1800畴壁,0=1800=，得到284.210150JSNaxmKa晶格常数aKaNASN122220AaKSAaKSAaKSaKASNaaKAaSNw1111122-3103.5Jmminkexw=kexa、磁体中每一个易磁化轴上有两个相反的易磁化方向，若相邻二磁畴的磁化方向恰好相反，则其之间的畴壁即为180度畴壁。b、立方晶体中K10，易磁化方向相互垂直，相邻磁畴的磁化方向可能也是“垂直”的，——90度畴壁。K10，易磁化方向在111方向，两个这样的方向相交109度或71度，此时，两个相邻磁畴的方向可能相差109度或71度（与90度相差不远），这样的畴壁也称90度畴壁。2、按畴壁中磁矩转向的方式：a、布洛赫（Bloch）壁：(如图)——磁矩过渡方式始终保持平行于畴壁平面二、畴壁类型1、按畴壁两侧磁矩方向的差别分：90度、180度畴壁。在畴壁面上无自由磁极出现，故畴壁上不会产生Hd，也能保持极小，但晶体上下表面却会出现磁极。但对大块晶体材料而言，因尺寸大，表面Fd极小。b、奈尔（Neel）壁(如图)在很薄的材料中，畴壁中磁矩平行于薄膜表面逐渐过渡。畴壁两侧表面会出现磁极而产生退磁场，只有当奈尔壁厚度薄膜厚度L时，Fd较小。故奈尔壁稳定程度与薄膜厚度有关。w三、Bloch壁的结构特性（又称Bloch壁的取向定则）1、畴壁取向定则相邻两磁畴中自发磁化矢量在畴壁法线方向投影分量相等。以900畴壁为例：(1)、当900畴壁位于AB取向时，也不会产生退磁场畴壁表面不会出现磁荷表面上的磁荷密度：0000nMMnMnMABnMnMsksisksisksi(2)、当900畴壁位于A’B’位置时0sin20sMiMsABA’B’Mskn将产生退磁场，且Fd也很大。所以，畴壁取向在AB位置时，其取向最稳定。畴壁取向：1800畴壁：取向平行于畴中磁化矢量的任一平面。900畴壁：法线在相邻两畴的Ms夹角的平分面上的任一平面。2、畴壁内磁矩取向定则：畴壁中原子磁矩在畴壁内过渡时，始终保持与畴壁法线方向夹角不变。Z轴与畴壁法线n一致，XOY平面为畴壁面。这样，畴壁内部的每一个原子的磁化矢量Ms的取向分布只与Z轴方向上的距离变化有关，而与X、Y轴方向无关。ZXYnOMs若磁化矢量Ms在畴壁内过渡要满足不出现磁荷的条件，则体磁荷ρ＝0。常数常数nsszszszsysxsMMzMzMyMxMM0000即Ms在畴壁内过渡时，应始终保持Ms与畴壁法线n之间的夹角φ为常数，才能满足不出现磁荷的条件。