第四章磁体中的能量ppt课件.ppt
《第四章磁体中的能量ppt课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第四章磁体中的能量ppt课件.ppt(77页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、铁磁性物质中磁畴的形成与具体的磁畴结构都与铁磁体内存在的相互作用能量有关。 铁磁体中的各种相互作用能量是研究铁磁体的磁畴理论与技术磁化理论的基本出发点,所以讨论与了解铁磁体中各种能量是学好现代磁性物理中磁畴结构与技术磁化理论的关键。,第四章 磁性体中的能量,第一节 铁磁体内的相互作用能,结束放映,第三节 磁晶各向异性能,第四节 磁致伸缩,习题四,第二节 交换能,第五节 磁弹性能,第六节 静磁能,在铁磁体内表现为五种主要的相互作用: 交换能(Fex): 电子自旋间的交换相互作用产生的能量 磁晶各向异性能(Fk): 铁磁体内电子自旋之间及自旋与轨道之间的耦合作用 所产生的能量。 磁弹性能( ):
2、铁磁体内磁性与弹性相互作用而引起的磁弹性能量(又 称磁弹性应力能,简称磁应力能)。 退磁场能(Fd): 铁磁体与其自身的退磁场之间的相互作用能 外磁场能(FH): 铁磁体与外磁场之间的相互作用能。,第一节 铁磁体内的各种相互作用能,其中,交换能是具有静电性质的相互作用能,而其余四种则是与磁的相互作用有关的能量。 因此,铁磁体中,单位体积内的总自由能或总能量F表示为: F代表了单位体积中铁磁体内部存在的各个元磁矩之间及其与外磁场的相互作用能。,在第三章中,已经知道铁磁体内相邻原子的自旋间的交换能为:,由于是近程作用,可设第i个原子与其近邻原子的交换积分相同,即AijA,对于同种原子的电子有SiS
3、jS,第二节 交换能, 交换能增量(即自旋由完全平行夹角为 时的交换能增加)为:,一、交换能的微分形式 在实际应用中,为计算方便,常将,化为连续函数形式。单位体积内交换能增量(即交换能增量密度),简单立方:体心立方:面心立方:六角晶系:,为自旋矢量相对于x、y、z轴的方向余弦,为单胞中原子数,随晶格结构而异。,具有微分形式的交换能表达式在研究磁畴结构中更加方便。,二、交换能的物理意义1、第三章中,我们已经从量子力学的计算中证明了原子间的相互作用是铁磁物质自发磁化的起源。 根据交换能的微分形式,可以对其物理意义作进一步的讨论。2、铁磁体中自旋不完全平行时, 自旋取向梯度函数3、当不考虑自旋轨道耦
4、合时,铁磁体中交换相互作用仅仅只依赖于相邻原子自旋间的夹角,而与自旋取向无关。所以交换能是各向同性的。,一、磁晶各向异性的宏观描述单晶体:原子离子按同一方式有规则地周期性排列组成的固体。多晶体:由许多取向不同的单晶体组成的固体。1、Fe、Co、Ni单晶的磁化曲线(如图P158 Fig.4-1) 三种单晶体沿不同晶轴方向磁化可以得到不同的磁化曲线(这种特性称为磁晶各向异性,是铁磁单晶体的一种普遍属性),而且沿不同的晶轴方向磁化到饱和的难易程度相差甚大。,第三节 磁晶各向异性能,易磁化方向与难磁化方向 易磁化方向是能量最低的方向,所以自发磁化形成磁畴 的磁矩取这些方向,在较弱的H下,磁化就很强甚至
5、饱和。,铁(a)单晶体的磁化曲线,Ni(b)单晶体的磁化曲线,Co(a)单晶体的磁化曲线,易磁化轴与难磁化轴: Fe:易轴 100,难轴 111 Ni:易轴 111,难轴 100 Co:易轴 0001,难轴 1010,2、磁化功铁磁体磁化时所需要的磁化能 沿铁磁晶体不同的晶轴方向上,磁化到饱和时所需要的磁化能不同:,上式表明:铁磁体从退磁状态磁化到饱和状态时,所需要的磁化能在数值上等于磁化曲线与纵轴之间所包围的面积。,3、磁晶各向异性能 定义:饱和磁化强度矢量在铁磁体中取不同方向而改变的能量。 只与磁化强度矢量在晶体中相对的取向有关。在易磁化轴 上,磁晶各向异性能最小,Ms与磁畴取向它最稳定。
6、,定义为:单位体积的铁磁体沿111轴与沿100轴饱和磁化所耗费的能量差。, Fe: K0, Ni: K0, Co: K0,对于六角晶体:,4、磁晶各向异性常数(用以表示单晶体磁各向异性的强弱),对于立方晶体:,二、磁各向异性类型按其起源物理机制可分为:1. 磁晶各向异性:磁性单晶体所固有的。2. 磁形状各向异性:反映沿磁体不同方向磁化与磁体几何形状有关的特性。 磁矩取向一致退磁场退磁场能(取决于磁体的几何形状,如: 细长微粒组成的磁体、磁性薄膜)显出很强的形状各向异性。3. 磁应力各向异性: 反映磁体内自发磁化强度的方向与应力方向有关的特性。4. 交换磁各向异性: 将强磁性的Co微粒表面进行微
7、弱氧化,形成薄层CoO,由于Co是铁磁性的,而CoO是反铁磁性的,在Co与CoO界面就有交换作用,当磁场热处理后,由此引起交换各向异性(做成磁带,录音效果好)。,CoO薄膜,Co,包Co粒子,5. 感生磁各向异性:许多铁磁性合金与铁氧体中,通过对磁体施以某种方向性处理的工艺,可以感生出磁各向异性。,感生磁各向异性又可分为: 磁场热处理感生各向异性 弹性形变感生各向异性 生长感生各向异性 辐照感生各向异性,三、磁晶各向异性能的数学表达式,从宏观晶体对称性出发,磁晶各向异性可分为单轴型和多轴型两类。 Fk的数学表达式应具有两个重要物理思想:1. 由于Fk是依赖于铁磁体内自发磁化强度矢量Ms对晶轴所
8、取的方向,故可以Fk表示成Ms对晶轴方向余弦i的函数关系,即:2. 由于晶体的宏观对称性,当Ms处于晶体对称位置时i可能改变符号,但Fk在对称位置上是不变的。 1933年阿库诺夫首先从晶体的对称性出发将Fk用磁化矢量的i表示出来,这种方法虽然是唯象的,但很简单明白,常用于计算磁化曲线,而且被实验所证明。,(一)、立方晶体的磁晶各向异性能 (Fe、Ni 、尖晶石) 设铁磁体为未变形的理想晶体,可将Fk展开成 的幂级数形式。,X100,由图可以看出,x、y、z三个坐标轴不论是正反两个方面或者是其中任意两个坐标互换,而 总是保持不变。 上式中只能出现 的偶次函数关系,并且为轮换对称。,可将B3、B5
9、项并入B0及B6项 最后,立方晶体的磁晶各向异性能 的数学表达式为:,一般在考虑Fk相对于Ms取向变化时,常将K0略去:,其中:K1、K2为磁晶各向异性常数,磁性材料特性参数之一。其大小表征磁性材料沿不同方向磁化至饱和时磁化功的差异。,讨论: 1、沿100方向(x轴)磁化,2、沿110轴磁化:,3、沿111轴磁化:,Fe:易轴100,难轴111,Ni:易轴111,难轴100,可见K1、K2的符号变化反映了晶体易磁化方向的不同。,矢量图可直观反映磁晶各向异性能在各个方向上的变化情况:,可见立方晶体的易磁化轴在几个晶轴方向上,所以立方晶体具有多易磁化轴简称多轴各向异性。 K10的立方晶体叫三易磁化
10、轴晶体; K10的立方晶体叫四易磁化轴晶体。,Fe的Fk矢量图,Ni的Fk矢量图,Fk,Fk,K0,K0,(001)晶面内,(二)、六角晶体的磁晶各向异性(Co晶体、BaFe12O19) 易磁化轴为0001轴,其正反两个方向磁晶各向异性最小单轴各向异性。 其数学表达式同立方晶体一样,利用晶体的对称性可以导出。 六角晶体的0001轴六重对称轴,其磁晶各向异性能Fk首先是 的函数,可以写成 的幂级数:,考虑到六角晶体具有的特点,即 不论从0001轴向左 或向右增加时,即 ,Fk总不变。故上式中 应具有偶次项,即A1、A3等奇数项等于零。,只考虑与 有关项时:,讨论: 1、对于Ku10的六角晶体,0
11、001,1010,Fku,六角晶体中磁晶各向异性能一般表示为:,2、Ku10 (Co2Ba3Fe24O41),Fku最小值不是在0001晶轴方向,而是在 的平面上,且Fku为负值。故易磁化方向在1010。,考虑Ku2较小,则,0001,1010,Fku,3、六角晶系中,由于Ku1与Ku2的符号与大小的不同,可以出现三种易磁化方向: 六角晶轴: 主轴型 ( Ku1 0, Ku1 + Ku2 0) 垂直于0001的平面: 平面型 (0001)面内 ( Ku1-Ku2 或Ku12Ku2) 与0001轴成 角的圆锥面: 锥面型 (0 Ku1 2Ku2),P169表44给出了各种铁磁材料在室温下的磁晶各
12、向异性常数,反映了如下特点: 晶体对称性高的K1值低,反之也然。 在晶体结构相同的材料中, K1值的正负代表相反的磁晶各向异性,K1 0的晶体的易磁化轴是K1 0且值较大。 所以少量Co铁氧体与其他尖晶石铁氧体构成的复合铁氧体具有较低的K1值。一般而言,随着T的升高, K1、 K2下降 (Ni除外)。,的两种材料 按一定比例混合,从而使K10。这样可提高材料 的软磁性能。 一般来说,磁晶各向异性常数大的物质,适于作永 磁材料,磁晶各向异性常数小的物质,适于作软磁 材料。 在材料制备过程中,可有意识地将所有晶粒的易磁 化方向都排在某一特定方向,从而使该方向的磁性 显著提高。,四、磁晶各向异性的来
13、源 关于磁晶各向异性的微观起源的理论研究,几乎与自发磁化的量子理论同时开始,早在1931年就有布洛赫与金泰尔、阿库诺夫、范弗列克、冯索夫斯基和布鲁克斯等人的工作,近期有曾纳、凯弗、沃尔夫以及芳田与立木等人的工作。 其具体模型可分为两大类: 以能带理论为基础的巡游电子模型 可用来解释3d铁族及其合金的磁晶各向异性。(由于 铁族金属离子状态过于复杂,其交换作用本身尚未得 到满意的解释,故这方面进展缓慢。) 以局域电子为基础的单离子模型与双离子模型 适用于铁氧体和稀土合金,单离子模型:等效的异性自旋哈密顿量。双离子模型:包括磁偶极矩相互作用以及各向异性交换 作用。,(一)、双离子模型 1、磁偶极矩相
14、互作用 按经典理论,电子自旋之间的磁相互作用能为:,这是一种长程作用,Em随rij的变化比较缓慢当Si与Sj平行取向时:,对于均匀磁化的立方晶体该项能量是与方向无关的常量。 对于单轴晶体,该项能量与方向有关。 但对于某些铁磁体而言,该能量数量级太小,不足 以完全解释观察到的磁晶各向异性。如:MnBi合金的 Fk ,而其磁偶极矩间相互作用能仅有,2、各向异性交换作用 离子间的各向异性交换作用产生于电子的自旋轨道耦合与各向同性的海森堡交换作用的联合效应。,故只能把磁偶极矩相互作用视为产生磁晶各向异性的原因之一。,在电子自旋的相互作用中,除了各向同性的交换作用外,还要受电子自旋矩与轨道矩之间的耦合作
15、用的影响。分布于晶格上的原子或离子,由于受到领近原子的电场作用,使电子轨道矩失去了在空间的方向对称,通过电子自旋矩与轨道矩的耦合作用,便产生了电子自旋间各向异性的交换作用能。范弗列克称之为“准偶极矩相互作用”或“各向异性交换作用”,具体模型为“自旋轨道晶体电场轨道自旋”的相互作用。,磁化垂直与原子排列成的直线。电子云交叠区大,交换作用强。,磁化沿原子排列成的直线方向。电子云交叠区小,交换作用弱。,自旋取向不同,交换相互作用能大小不同。Kittle模型形象地表示:各向异性的交换相互作用是导致磁晶各向异性来源的微观机理。,这是一种近程作用,其能量随rij的增大而迅速降低。,这个能量表达式与磁偶极矩
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第四 磁体 中的 能量 ppt 课件
链接地址:https://www.31ppt.com/p-1356784.html