铁磁性物质的基本特征是物质内部存在自发磁化与磁畴课件.ppt
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- 铁磁性 物质 基本特征 内部 存在 自发 磁化 课件
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1、 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LandonLifshits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。第五章第五章 磁畴理论磁畴理论第一节第一节 磁畴起源磁畴起源第四节第四节 非均匀铁磁体磁畴结构计算非均匀铁磁体磁畴结构计算第五节第五节 单畴颗粒单畴颗粒习题五习题五退出退出第二节第二节 畴壁结构畴壁结构第三节第三节 均匀铁磁体磁畴结构计算均匀铁磁体磁畴结构计算返回返回第一节 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
2、、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。如如图图 分成n个磁畴后,Fd(1/n)FdF 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
3、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LMsS S S SN N N N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。LS N S N SN S N S NDLEDMEwwsd27107 . 1w为单位面积的畴壁能 (畴壁能量密度)0107 . 10107 . 12
4、2727DLMDEDLDMEEEwswswd得:由32001108 . 16 . 5J/m6 . 5m107 . 5J/m1059. 1:1017217104min2min6234min4dwwswsEEEDFeLMELMD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
5、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 。FFFF第二节第二节 畴壁结构畴壁结构一、畴壁的形成 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。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。 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
6、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 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
7、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:0 0 00nMMnMnMABnMnMsksisksisksi(2)、当900畴壁位于AB位置时0sin20sMiMsABABMskn n 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
8、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。ZXYnO OMsMs 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0。常数常数nsszszszsysxsMMzMzMyMxMM0 000 即Ms在畴壁内过渡时,应始终保持Ms与畴壁法线n之间的夹角为常数,才能满足不出现磁荷的条件。四、1800Bloch畴壁的厚度与畴
9、壁能计算 实际畴壁中磁矩的转向在畴壁厚度中是非均匀过渡的。 Z轴为畴壁法线方向,磁矩始终在XOY平面内旋转且与Z轴垂直,以代表磁矩转过角度,并令Z0时=0。22xyzz从 + ,相应地, 从/2 +/2 是z的函数(z), = (/z)a,a为晶格常数1 1 1 1 1 2121222222222222222对简单立方:能增量:单位面积的畴壁中交换增量为:积的交换能个原子间隔,故单位体而单位厚度中有:子层间的交换能增量为每单位面积中二相邻原个原子,面积的原子层中有对于简单立方,每单位量为:两个原子间的交换能增分属于二相邻原子层的aASAdzzAdzzaASzASaazASaASEazaASAS
10、Eexexex 在畴壁两边,即z处,磁矩在易磁化方向,Fk0,由两边进入畴壁,逐渐改变, Fk 逐渐增加。单轴各向异性的晶体,进到z0处,Ms易磁化方向, Fk 最大。立方晶体,在畴壁中点(z0)处, Ms易磁化方向, Fk0 所以,立方晶体的Fk在畴壁的两边为零,进入畴壁后逐渐增大到最大值,再进入又减小,在z0处又减到零。 可见, Fk是的函数。单位面积畴壁中的磁晶各向异性能为: 性能单位体积中磁晶各向异: gdzgk单位面积畴壁总能量为: dzgzAkex21 平衡稳定状态要求能量最小,即转向角稍有改变(),总能量不变(0)。 002 22 )(2202212211112121zzdzzA
11、dzzAzAdzzzAdzzzAdzzAdzgzA在壁外,处,在第一项: 212212212212210, 0,2 20202 zAgzgzdzzzAdzzgdzzgzAgzAgdzzAgdzgdzgzzz代回,得:第二项可写为: 表明在畴壁内任一地方,磁化矢量的取向分布处于平衡稳定状态时,其单位体积中磁晶各向异性能 g() 均与交换能A1(/z)2相等。 可见,由于g()在晶体中各项不等,故/z也不均匀。 2210112)( dgAzgdAzgdAdz畴壁能公式:”与“”代回,可得将“的变化,可用以计算随转向角此式给出了畴壁中磁矩由上式得: 的变化(如下图)随此式给出了而在易磁化方向,畴壁)
12、单轴晶体中的(zKAdKAzgKKFKFuuuukuuku 42tglncos1cos2sin22, 0sin1801110112121210 可把 接近/2处视为边界。0300-300-900900z-30-113KA11 分别为:畴壁厚度与畴壁能密度体内向异性能决定的单轴晶则单纯应力各代替若用应力能畴壁能密度:壁厚:而磁矩旋转斜率,即:似看成整个畴壁厚度的处的磁矩转向的斜率近若将02112211111101100180),(cos23 4cos2 42tg42sec21 0 gFFKAdKAKAKAKAddzddzzksuuuuuzz其畴壁能密度:是壁厚的基本单位。1101109 .109
13、 .10KAKA位,为畴壁能密度基本单其中:11010011222KAKKA0-8-66 809001800rr,PP,011zKAz11K(2)、考虑磁弹性能后立方晶体的1800壁 mskex:单位面积的畴壁能密度等效)代替仅仅将111123,23( 234 32 ususssKKAA 01120110110114112210cossin2 2lntgcossincossin90KAdKAKAddzKAdKAzKFgzk:畴壁中磁晶各向异性能024-2-4045090011/KAz五、立方晶体中的900壁 如图: 900壁平行于XOY平面,其法线n与z轴平行。2,0,40,zzz2x100y
14、010z0014第三节第三节 均匀铁磁体的磁畴结构计算均匀铁磁体的磁畴结构计算均匀铁磁体:完整的理想晶体,其内部磁畴结构通常表现 为排列整齐,且均匀分布于晶体内各个易 磁化轴的方向上。磁畴结构:片型畴、封闭畴(闭流畴)、表面畴一、单轴晶体的理论磁畴结构 1、片型畴 样品内的磁畴为片型,相邻两畴的Ms成1800角,在样品单位面积,厚度为L的体积内能量为:4min42710172 17100107 . 1LMELMDDEDLDMEEEssswd由SSNNDL而异。与磁晶各向异性常数因材料高度畴宽有关、与可见,1111)2(KLDKKALD2、封闭畴 如图:样品端面上出现了三角形磁畴,封闭了主畴的两
15、端。 形成机制: 前面讨论片状磁畴磁畴时涉及到表面出现了交替磁极。可以设想这些磁极的附近会产生局部磁场(如图)使这些区域发生新的磁化,磁化的方向在局部磁场方向,这样就形成了封闭畴。DDD/2D/2NNS 有了封闭畴,主畴的磁通量通过封闭畴进入邻近的主畴,形成闭合磁路,因此无磁极出现,退磁场就不存在了,退磁场能为零。但同时增加了封闭畴的磁晶各向异性能。DDLDLDDLSDD所以主畴壁总面积为:面积为:个主畴壁,每个主畴壁有个主畴即如图,单位面积上有,122111111122 182 82 22 41221 2uuuuukKDDLKDDLDDKDDDLELKDDVKEDDDVD封闭畴的畴壁能封闭畴
16、的各向异性能主畴的畴壁能的特定体积内能量为:为在样品单位表面,厚度向异性能为:特定体积内封闭畴中各体积:个封闭畴,每个封闭畴又因为上下表面共D1D/2畴。事实也证明确实有封闭利于封闭畴金属(六角晶体)如:、利于出现封闭畴若利于出现片形畴若片封封片封片封片封片 22. 142. 1 /1042. 1,/101 . 5 Co1042. 31042. 31042. 32101722 206251271271172141min1EEEEmAMmJKEEMKEEMKKMLKLMEELKEKLDDEsususuususuu氧体均形成片形畴。一般单轴各向异性的铁畴钡铁氧体中应出现片形(六角晶体)、封片 7
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