磁性物理期末复习.

磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials磁性物理PHYSICSOFMAGNETISM磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials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性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials磁矩µm(Moment)mjmlmiA071410mmojHm－磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials磁化强度M(Magnetization):单位体积内磁偶极子的磁矩矢量和0MH'磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials这里g因子(g-factor)对自旋运动是2，而对轨道运动是12egLm一般地原子磁矩(1)(1)(1)12(1)JJSSLLgJJ(1)JJBgJJ磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterialsB=µ0(H+M)基本公式1(/)inmiMAmV(1)(1)(1)12(1)JJSSLLgJJ(1)JJBgJJHd=-NMNx+Ny+Nz=1E=-2ASi·Sj=-2AS2cosφ00MMEHdM磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials基本公式磁晶各向异性场HKexkdHFFFFFF磁畴成因，各种能量单畴颗粒计算技术磁化ΔMH=ΔM位移+ΔM转动磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterialsP27，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基本图表磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials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)L-Sm210-1-2L+SL磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials单原子磁矩的计算(以Fe为例)：1、确定铁原子的磁性电子壳层：其原子序数Z=26，磁性电子壳层为3d62、计算3d6的S、L、J的量子数：11512,2101222224lSLmJLS3、计算gJ：把求得的S、L、J带入得(1)(1)(1)11.52(1)JJSSLLgJJ4、计算μJ：(1)6.7JJBBgJJ磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials磁场中电子的运动以速度V运动的自由电子磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials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。1f磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials外斯分子场假说1、分子场假设2、磁畴假设磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterialsθθθMsMsMsMsMsMsM=0M0M=MscosθM=MsHaHaHa外斯分子场理论：2磁畴假设磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials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rarBarrb电子a电子b核A核BR磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials对于基态，要求（以满足能量最低原则），1.若A0,则，自旋反平行为基态（反铁磁性或亚铁磁性）；0cosbabaSSSS交换作用20abEASS　2.若A0,则，自旋平行为基态（铁磁性）；cos0ababSSSS3.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。磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterialsA～（a/r0）关系曲线：1.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。2.原子间距太小，会导致从而使A0，自旋反平行。jiijrerere2223.3a/r05时，A0，且较大。铁磁性反(亚)铁磁性u＝a/r0a：晶格常数r0：未满壳层半径Slater－Betle曲线顺磁性A=0顺磁性A磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterialsFe单晶磁化曲线易轴难轴磁晶各向异性(MagnetocrystallineAnisotropy)磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterialsNi单晶磁化曲线易轴难轴磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterialsCo单晶磁化曲线易轴难轴磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials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000dMMmWAHM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磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterialsxyzwC轴C面Is2412sinsinkuuFKK六角晶系磁晶各向异性能磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterialsxyzMs(123)222222222011223312123()kFKKK[100]：1=1,2=0,3=0Fk=0[110]：1=0,2312[111]：12313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]14kKF12327kKKF立方晶系磁晶各向异性能磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials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。00,1sinKKSFHM00cossinkSKkSKFMHFMH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磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials102uksKHM得到：b.c面为易磁化面时：1202(2)uuksKKHMa.c轴为易磁化轴六角晶系情况：2412sinsinkuuFKK11000012sincos2cossinsinKuuKSSSFKKHMMM磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterialsxyzIs1,2,3用,耒表示,102ksKHMa.100易轴立方晶系磁晶各向异性能为方便讨论也可表示为22222221122331123422222k1()....sincossinsincossincossinsincos....kFKKFKK使用上式可以推出Hk磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials磁晶各向异性的来源磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials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。2cosellH磁致伸缩磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials磁致伸缩的机理磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials磁畴理论MagneticDomainTheory磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials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)磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterialsMsSSSSNNNN改变其MS矢量分布方向，从而形成多磁畴。SNSNSNSNSN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磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterialsLMsSSSSNNNN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）dSSFNMM22001122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：dddEFLFL.J/m4211810（）磁畴形成的能量分析磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials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。dSwwE.MDLED721710其中w为畴璧单位面积的畴壁能dwswLEEE.MDD721710LSNSNSNSNSNDswEL.MDD722017100由得：minsswwLEMMLD44101721710磁畴形成的能量分析磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterialsmindE.E.456118103200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是形成磁畴的原因磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials磁性与磁性材料MagnetismandMagneticMaterials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