磁學(xué)與磁性材料（3）

MagnetismandMagneticMaterials李軍2007年10月1ppt課件磁疇結(jié)構(gòu)和磁化曲線2ppt課件磁疇結(jié)構(gòu)疇壁和疇壁能疇壁和疇壁能單軸晶體中Bloch壁的厚度和疇壁能密度鐵磁薄膜內(nèi)的疇壁磁疇的形成原因3ppt課件磁疇的形狀

片形疇封閉疇片形疇的變異封閉疇的變異三軸晶體中的磁疇不均勻物質(zhì)中的磁疇4ppt課件磁化曲線技術(shù)磁化和反磁化疇壁位移的磁化過程磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)的磁化過程單晶體的磁化過程單軸單晶體的磁化過程

三軸晶體的磁化過程

疇壁運(yùn)動(dòng)的阻力5ppt課件根據(jù)Weiss假設(shè)，在居里點(diǎn)溫度以下的磁體都分成許多微小但卻是宏觀的區(qū)域，在這些區(qū)域中存在著與某一溫度對應(yīng)的自發(fā)磁化強(qiáng)度，這種區(qū)域被稱之為磁疇。磁疇的形狀、大小及它們之間的搭配方式，統(tǒng)稱為磁疇結(jié)構(gòu)。磁性材料的技術(shù)性能都是由磁疇結(jié)構(gòu)的變化決定。研究磁疇結(jié)構(gòu)的形狀和變化，對材料磁性的改善起著指導(dǎo)性的作用。6ppt課件磁疇壁鐵磁體中磁疇沿晶體的易磁化方向進(jìn)行磁化，那么在相鄰兩磁疇之間必然存在過渡層作為磁疇間的分界，稱為疇壁。疇壁厚度約等于幾百個(gè)原子間距。疇壁是磁疇結(jié)構(gòu)的重要組成部分，它對磁疇大小、形狀以及相鄰磁疇的關(guān)系等都有重要影響。鐵磁體中磁疇的示意圖7ppt課件鐵磁體中一個(gè)易軸上有兩個(gè)相反的易磁化方向，兩個(gè)相鄰磁疇的磁化方向恰好相反，這兩個(gè)磁疇之間的疇壁稱為180°壁，也稱為Bloch壁。如果兩個(gè)磁疇的磁化易軸相互垂直，它們之間的疇壁為90°壁。如果鐵磁體的易磁化方向是<111>方向，兩個(gè)這樣的方向相交109°或71°，則兩個(gè)相鄰磁疇的易磁化方向也相差109°或71°，它們之間的疇壁為109°壁或71°壁。8ppt課件疇壁既然是一個(gè)過渡層，那它就有一定的厚度。相鄰磁疇的磁矩形成一定的角度，那么從這一磁疇的磁矩方向變到相鄰磁疇的磁矩方向，是怎樣變化的呢？也就疇壁內(nèi)的原于磁矩是怎樣排列？假定在大塊樣品內(nèi)，疇壁的表面和內(nèi)部都不出現(xiàn)磁荷(磁荷的出現(xiàn)會(huì)使疇壁的能量大大增加),疇壁內(nèi)原子磁矩只能采取特殊方式排列：每一原子磁矩在疇壁法線方向的分量都必須相等。9ppt課件180°疇壁內(nèi)的原子磁矩的排列方式：所有原子磁矩都只在與疇壁平行的原子面上改變方向，同一原子面的磁矩方向則相同，它們在疇壁法線方向的分量都為零。原子磁矩在疇壁內(nèi)是逐漸轉(zhuǎn)向的。180°疇壁內(nèi)原子磁矩方向改變示意圖10ppt課件如果磁化強(qiáng)度的取向從一個(gè)磁疇內(nèi)最后一個(gè)原子處的0°突然轉(zhuǎn)變成相鄰磁疇的第一個(gè)原子處的180°(這種情況也可理解為疇壁厚度很小，甚至為零)，雖然磁化方向還是保持在磁疇的易磁化方向，磁晶各向異性能沒有變化，但卻引起交換作用能的急劇變化。Ba鐵氧體SmCo合金11ppt課件跨過疇壁的一對原子之間的交換作用能為：如果材料的Tc很高，如Fe的Tc為1000K，玻爾磁子kB為9.27×10-24Am2，則交換積分常數(shù)Eex的數(shù)值在10-20J左右，疇壁能密度γw經(jīng)過計(jì)算大約在10-2J/m2左右，這比化學(xué)表面能大幾個(gè)數(shù)量級，甚至大于材料的磁晶各向異性能。材料將尋找一種從一個(gè)磁疇到另外一個(gè)磁疇轉(zhuǎn)變時(shí)耗能較小的磁化方式。12ppt課件疇壁內(nèi)的磁矩如果逐漸變化，交換能可通過分布在180°旋轉(zhuǎn)跨越的若干自旋磁矩來減小。如果疇壁厚度為N個(gè)原子間距，則相鄰自旋將相差一個(gè)角度φij≈π/N。當(dāng)N較大時(shí)，交換能將變?yōu)椋哼@種自旋方式的交換能相對于直接自旋轉(zhuǎn)向方式大約減小了1/N2；但不利之處在于原子磁矩的逐漸轉(zhuǎn)向引起磁晶各向異性能的增加。系統(tǒng)總能量是交換能和磁晶各向異性能之和，疇壁的厚度和疇壁能密度也主要由兩者確定。13ppt課件Bloch壁的厚度和疇壁能密度選直角坐標(biāo)系的Z軸與疇壁的法向一致，則xy面為壁面。如果設(shè)θ為任一磁矩與易磁化方向間的夾角，則θ是z的函數(shù)θ(z)，而任意兩個(gè)最近鄰磁矩間的角度φij=a(dθ/dz)，a為晶格常數(shù)。Bloch壁內(nèi)的原子磁矩方向改變14ppt課件兩個(gè)近鄰原子磁矩從平行排列變到不平行排列，其交換能的增加為：長度為dz的疇壁內(nèi)有dz/a個(gè)磁矩自旋，所以一條線鏈上的交換能為疇壁單位表面共有1/a2條線鏈，設(shè)F=AS2/a，則交換能密度為15ppt課件單軸晶體的磁晶各向異性能密度為Ek=K1Sin2θ，疇壁單位面積上的磁晶各向異性能為：疇壁單位面積的總能量為16ppt課件疇壁內(nèi)原子磁矩的轉(zhuǎn)向方式必須滿足γ為最小時(shí)才能實(shí)現(xiàn)，即要求上式的積分最小。將上式進(jìn)行變分：對上式中的一部分進(jìn)行分步積分：17ppt課件可以認(rèn)為自旋開始轉(zhuǎn)向的位置z1和轉(zhuǎn)向結(jié)束的位置z2所對應(yīng)所對應(yīng)的δθ都等于零，所以上式變?yōu)椋河纱丝梢缘玫剑毫瞀摩?0，上式可變成：18ppt課件朗道指出，疇壁厚度δ0總是比磁疇本身的厚度d小得多，d/δ0趨近于∞。選疇壁中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，則在磁疇內(nèi)的Z都是趨近于∞的，所以設(shè)定以下邊界條件：當(dāng)Z=-∞時(shí)，θ=0；當(dāng)Z=+∞時(shí)，θ=π；當(dāng)Z=±∞時(shí)，dθ/dz=0。將上式進(jìn)行一次積分，得出19ppt課件利用邊界條件，C=1，所以上式可變?yōu)椋簩⑸鲜竭M(jìn)行積分：將上式進(jìn)行代數(shù)變化，令20ppt課件利用邊界條件可以得到積分常數(shù)C=0上式表示單軸晶體180°疇壁內(nèi)的原子磁矩的方向變化。21ppt課件單軸晶體180°疇壁內(nèi)的原子磁矩的方向變化的圖解如圖所示。由此可見，磁矩在壁內(nèi)的方向改變，開始較慢，開始較快，至疇壁中央最快。

180°疇壁內(nèi)原子磁矩的變化22ppt課件下表列出壁內(nèi)不同厚度的磁矩方向。當(dāng)壁厚為5δ0時(shí)，磁矩方向改變就可從θ=9°變?yōu)棣?171°，即在此厚度內(nèi)，180°壁磁矩方向變化已完成90%。Z-0.5δ00.5δ0-δ0δ0θ62°28′117°32′40°26′139°34′Z-1.5δ01.5δ0-2.5δ02.5δ0θ25°06′154°54′9°171°180°疇壁內(nèi)的磁矩方向23ppt課件由于而所以又由于24ppt課件因而對于Co而言，利用上式，其K1=5ⅹ105J/m2。F=4ⅹ10-7J/m2，算得γ=1.79J/m2，這與實(shí)際測得的1.6J/m2相近。由此可見，理論和實(shí)驗(yàn)值相當(dāng)符合。25ppt課件鐵磁薄膜內(nèi)的疇壁鐵磁薄膜指的是這樣一類材料：厚度不超過10-8-10-9m；晶粒邊界與晶體體積之比遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過大塊材料同類數(shù)值之比存在一個(gè)臨界厚度，同樣的材料，在小于臨界厚度時(shí)，磁性要發(fā)生變化

磁性薄膜器件-光盤薄膜合金磁頭26ppt課件在計(jì)算Bloch壁的厚度和能量密度中，假設(shè)疇壁與樣品表面交界處不出現(xiàn)磁荷，實(shí)際情況是要出現(xiàn)磁荷的，但一般不考慮大塊樣品的退磁能（大塊樣品厚度D比疇壁厚度δ大得多，疇壁平面內(nèi)的退磁因子很小，所以退磁能可以忽略不計(jì)）如果樣品是鐵磁薄膜，樣品厚度D比疇壁厚度δ大得多的條件不成立，退磁能不能忽略?？紤]退磁能，薄膜的疇壁特性會(huì)有顯著變化。27ppt課件把疇壁近似的看作長軸為D，短軸為δ的無限長的橢圓柱體，其長軸方向的退磁能為Ed=μ0NM2/2，N為橢圓長軸方向的退磁因子，且N=δ/(δ+D)?？紤]退磁能后的疇壁能密度為：28ppt課件假定疇壁內(nèi)相鄰原子磁矩之間的夾角不變，即φij=a(dθ/dz)是常數(shù)，在180°疇壁中dθ/dz=π/δ，因而函數(shù)θ(z)=πz/δ，將上式代入后得出：29ppt課件由于橢圓內(nèi)長軸方向的磁化強(qiáng)度這里正弦平均是相對疇壁內(nèi)所有原子磁矩，即：所以30ppt課件令?γ/?δ=0，可得疇壁厚度與有關(guān)參數(shù)的關(guān)系：兩種極端情況下疇壁的厚度δB和疇壁能量γB，當(dāng)D趨近于∞時(shí)，得到：

當(dāng)D趨近于0時(shí)，得到：31ppt課件如果疇壁仍然是Bloch的話，那么隨著樣品厚度的減小，疇壁內(nèi)的能量要升高。為了使疇壁內(nèi)的能量降低，Neel提出了疇壁內(nèi)原子磁矩方向改變的新模式，這種新方式就是原子磁矩的方向變化在和樣品表面平行的平面進(jìn)行，凡是這樣的疇壁被稱為Neel壁，鐵磁薄膜內(nèi)的Neel壁32ppt課件按照上面的討論過程，得到Neel壁的能量和厚度，不同的是Neel壁的退磁因子變?yōu)镈/(D+δ)：也可求出兩種極端情況下疇壁的厚度和能量：當(dāng)D趨近于∞時(shí)，得到：

當(dāng)D趨近于0時(shí)，得到：33ppt課件當(dāng)樣品厚度增加時(shí)，Bloch壁的能量較低；當(dāng)樣品厚度變薄時(shí)，出現(xiàn)Neel壁的能量較低。Neel壁的存在使樣品內(nèi)有了體積磁荷，它的退磁場將影響到周圍原子磁矩的取向，因此薄膜內(nèi)出現(xiàn)一種外形象交叉的刺的特殊疇壁，稱為十字疇壁。34ppt課件十字疇壁實(shí)質(zhì)是在Neel壁上分成許多磁荷正負(fù)相間的小段，它的形成顯然是為減小Neel壁上磁荷的影響。可是，當(dāng)膜的厚度進(jìn)一步減小時(shí)，十字壁的能量并不比Neel壁低了，當(dāng)D<200埃時(shí)，出現(xiàn)Neel壁；當(dāng)200埃<D<1000埃時(shí)，出現(xiàn)十字壁；當(dāng)D>1000埃，出現(xiàn)Bloch壁。十字壁的磁力線35ppt課件磁疇的形成原因磁疇的存在是磁體中各種能量共同作用的結(jié)果。這些能量包括交換作用能、退磁能、磁晶各向異性能以及疇壁能等。36ppt課件根據(jù)自發(fā)磁化理論，冷卻到居里點(diǎn)以下的鐵磁體在不受到外場的作用下，在交換作用能的作用下，整個(gè)晶體應(yīng)該自發(fā)磁化到飽和。為降低晶體的磁晶各向異性能和交換作用能，磁化應(yīng)沿著晶體的易磁化方向進(jìn)行，如圖(a)所示。磁疇的起因37ppt課件晶體是有一定形狀和尺寸的，整個(gè)晶體均勻磁化導(dǎo)致的結(jié)果是必然產(chǎn)生磁極，產(chǎn)生一個(gè)退磁場，如圖(a)所示。退磁場的出現(xiàn)給整個(gè)系統(tǒng)增加很大的退磁能。對硅鋼片來說，設(shè)長與厚度之比為200，則長度方向的退磁因子為0.0009，又設(shè)Ms＝1700kA/m，則Ed=0.7×104J/m3，如果不分疇，單位體積的退磁能達(dá)到104J左右。38ppt課件為降低退磁能，晶體將分成兩個(gè)、四個(gè)或者多個(gè)磁矩相互平行反向的區(qū)域，形成如圖(b)、(c)所示的片形疇結(jié)構(gòu)。退磁能的大小與退磁因子N有密切的關(guān)系。將磁體分成多個(gè)區(qū)域，退磁因子減小，退磁能將減小。如果磁體被分成n個(gè)區(qū)域，經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，退磁能將降低到原來的1/n。39ppt課件在分疇后的片形疇的結(jié)構(gòu)中，端面上仍有磁荷，仍然存在退磁能，只是比不分疇時(shí)小得多。此外，在片形疇中還需要考慮疇壁能，其他能量就不需要考慮了。磁矩在易磁化方向，磁晶各向異性能為零；沒有應(yīng)力，磁彈性能為零；疇內(nèi)的相鄰原子磁矩同向排列，交換能也不需要考慮。分疇后單位體積退磁能與疇壁能和為5.6×102J。40ppt課件不能無限增大n值。n值越大，磁體被分成的區(qū)域越多，磁疇就越多，由于相鄰疇壁之間存在磁疇壁，這又將給系統(tǒng)增加一定的疇壁能。磁疇的出現(xiàn)是疇壁能和退磁能的相加等于極小值為條件。為進(jìn)一步降低退磁能，試樣將在端表面形成封閉磁疇，如圖(d)、(e)所示。這種結(jié)構(gòu)的形成允許磁通量完全保持在試樣內(nèi)，從而完全消除退磁能對系統(tǒng)總能量的影響。

41ppt課件封閉疇中磁矩的方向與晶體中的易磁化方向有很大的偏離，因而封閉疇的出現(xiàn)將增加系統(tǒng)的磁晶各向異性能和磁彈性能。封閉疇的出現(xiàn)是使退磁能、磁晶各向異性能和磁彈性能相加得到最小值的結(jié)果。磁通量在樣品內(nèi)是閉合的，樣品端面上沒有磁荷，所以沒有退磁能。樣品是立方晶體，封閉疇的磁矩和主疇的磁矩都是在易磁化方向上，磁晶各向異性能也沒有，此時(shí)要考慮的只有疇壁能和磁彈性能。42ppt課件磁彈性能的出現(xiàn)是在于封閉疇在磁致伸縮時(shí)(自發(fā)形變)受到主疇的擠壓而不能自由形變，相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)應(yīng)力作用在封閉疇上，所以要考慮。封閉疇內(nèi)單位體積的總能量便是磁彈性能與疇壁能之和，其數(shù)量為1.27×10J。43ppt課件實(shí)際磁疇的形成往往還要受到材料的尺寸、晶界、應(yīng)力以及摻雜等因素的影響，因而磁疇結(jié)構(gòu)還更加復(fù)雜。要使一個(gè)系統(tǒng)從高磁能的飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變到低磁能的分疇狀態(tài)，凡是能夠?qū)е孪到y(tǒng)能量降低的可能性都可能是磁疇形成的原因。44ppt課件片形疇樣品內(nèi)的磁疇為片形，相鄰磁疇的自發(fā)磁化強(qiáng)度成180，如圖所示，僅需考慮退磁能和疇壁能。片形磁疇的理論模型45ppt課件設(shè)疇的大小為d，樣品的厚度為L，則在樣品單位面積、厚度為L的一個(gè)特定體積內(nèi)的能量f為f=疇壁能+退磁能對上式求?f/?d=0，得到：46ppt課件形成片形疇的最小能量fmin：試樣越薄，形成片形疇所需要的能量就越小。所以在鐵磁性薄膜中，如果薄膜足夠薄，磁疇很容易出現(xiàn)單疇，這和實(shí)驗(yàn)所觀察的現(xiàn)象是符合的，Ba鐵氧體的片形磁疇，L=8微米47ppt課件封閉疇

封閉疇是變形的片狀疇，它在端部形成閉合磁疇，封閉疇結(jié)構(gòu)由主疇和塞漏疇組成．中間部分為主疇，邊緣部分為塞漏疇，如圖所示。封閉疇的理論模型48ppt課件這種結(jié)構(gòu)使磁通量閉合在樣品內(nèi)部，不向空間發(fā)散，因此端面上不出現(xiàn)磁荷，退磁能為零。塞漏疇的易磁化方向和主疇有較大的偏離，因而增加了塞漏疇的各向異性能。在樣品單位表面，厚度為L的特定體積內(nèi)的能量為f=主疇的疇壁能+塞漏疇的各向異性能+塞漏疇的疇壁能49ppt課件對上式求?f/?d=0，得到：把片形疇的能量和封閉疇的能量加以對比對具體材料而言，如果它的單軸磁晶各向異性常數(shù)Ku1大于飽和磁化強(qiáng)度Ms平方的3.42×10-7倍，則在該材料內(nèi)出現(xiàn)片形疇結(jié)構(gòu)是有利的；反之出現(xiàn)封閉疇結(jié)構(gòu)是有利的。50ppt課件Co是六角晶體，Ku1=5.1×105J/m3，Ms=1.42×106A/m，所以計(jì)算的結(jié)果，有封閉疇時(shí)的能量比沒有封閉疇時(shí)的能量要低，所以在Co中應(yīng)該有封閉疇存在，事實(shí)也確是這樣。51ppt課件Ba鐵氧體是六角晶體。它的Ku1=3.2×105J/m3，Ms=3.8×105A/m，所以計(jì)算結(jié)果表明單純的片形磁疇比有封閉疇時(shí)的情況更穩(wěn)定，所以在Ba鐵氧體中應(yīng)該出現(xiàn)片形疇，事實(shí)也確是這樣，一般單軸各向異性的鐵氧體都屬于這樣的情況。52ppt課件當(dāng)然，實(shí)際觀察到的磁疇結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)不止片形疇和封閉疇，還有各種各樣的變形疇。為降低片形疇的退磁能，將片形疇分成許多正長方體的棋盤結(jié)構(gòu)；為降低退磁能，同時(shí)有不太增加疇壁能的蜂窩狀疇結(jié)構(gòu)和波形疇等。具體地說，只要能夠使磁疇的能量降低，那么可以形成各種形狀的磁疇。53ppt課件片形疇的變異

在討論片形疇時(shí)，可以看到片形疇的能量主要是退磁能所占比例較大，而且晶體厚度愈厚，能量愈高。因此，只有當(dāng)晶體厚度小于10微米時(shí)，才能保證出現(xiàn)片形疇。如果晶體厚度大于10微米，片形疇的出現(xiàn)便沒有保證；而封閉疇的出現(xiàn)使疇壁能也有所增加。為減少退磁能，同時(shí)又不增加太多的疇壁能，磁疇結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出各種形狀，以保證進(jìn)一步降低系統(tǒng)的能量。54ppt課件蜂窩狀的磁疇結(jié)構(gòu)是片形疇的變異結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，每一蜂窩的面為正六邊形，深度為L，如圖所示。蜂窩疇結(jié)構(gòu)的理論模型55ppt課件蜂窩內(nèi)的自發(fā)磁化強(qiáng)度與蜂窩外的自發(fā)磁化強(qiáng)度彼此反平行?？捎?jì)算了蜂窩疇退磁能為0.666Ms2d×10-7。在特定體積內(nèi)的總能量為：56ppt課件對上式求?f/?d=0，得到由于片形疇和蜂窩疇的能量較小，二者比較接近，實(shí)驗(yàn)上可以觀察到蜂窩疇，如右圖所示

在Ba鐵氧體中觀察到的蜂窩疇L=75微米57ppt課件當(dāng)晶體的厚度大于10微米時(shí)，片形疇結(jié)構(gòu)在能量上并不有利，因此往往被其他型式的疇結(jié)構(gòu)所代替。除了蜂窩疇，還出現(xiàn)其他形式的疇結(jié)構(gòu)。一種是具有波紋疇壁的結(jié)構(gòu)，即疇壁在樣品瑞面上是具有振幅的波片，從端面向樣品中部前進(jìn)時(shí)，振幅逐漸誠小，直至最后消失，如圖所示。波紋疇結(jié)構(gòu)理論模型58ppt課件這種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，一方面可以減少退磁能，另一方面又可以減少疇壁能。斯策克得到可能出現(xiàn)波紋疇結(jié)構(gòu)的晶體厚度的臨界尺寸L。當(dāng)晶體的厚度達(dá)到臨界尺寸時(shí)，片形疇便會(huì)被波紋疇所代替，這和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符。Ba鐵氧體中的波紋疇L=25微米59ppt課件還有一種是楔形-片形結(jié)構(gòu)，即在片形主疇的端面上，再出現(xiàn)一種楔子形的次級疇，如圖所示。楔形疇結(jié)構(gòu)的理論模型;60ppt課件卡澤對這種結(jié)構(gòu)也估算了臨界尺寸，該尺寸下片形疇結(jié)構(gòu)是不利的，楔形-片形疇結(jié)構(gòu)是有利的。為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)的退磁能，實(shí)驗(yàn)中還觀察到了楔形-波形疇，如圖所示。Ba鐵氧體中的楔形-波紋疇，L=750微米61ppt課件封閉疇的變異塞漏疇的各向異性能與晶體的厚度的平方根成正比。這就是說，隨著晶體厚度的增加，塞漏疇的各向異性能愈來愈大。為了降低這項(xiàng)能量，必須設(shè)想另一種封閉式的磁疇結(jié)構(gòu)，使得晶體厚度增加時(shí)，塞漏疇的各向異性能不會(huì)增加太多。62ppt課件圖(a)是設(shè)想的一種封閉式的疇結(jié)構(gòu)．在樣品的端面上有兩類塞漏疇(這兩類塞漏疇是由圖(b)的塞漏疇分裂而成，圖(a)虛線表示分裂前的界線)在樣品的內(nèi)部除主疇以外，還多了一種匕首疇，因此把這種疇結(jié)構(gòu)稱為匕首封閉疇。(a)(a)變異封閉疇-匕首疇結(jié)構(gòu)：(b)普通封閉疇(b)63ppt課件在圖(a)的結(jié)構(gòu)，匕首疇的疇壁與主疇的疇壁并不平行，匕首疇的尖瑞會(huì)出現(xiàn)磁荷，因而需要考慮匕首疇的退磁能。在圖(a)匕首封閉疇的結(jié)構(gòu)中需要考慮的能量有：兩類塞漏疇的磁晶各向異性能主疇和匕首疇的疇壁能匕首疇的退磁能64ppt課件設(shè)主疇的寬度為d，第一類塞漏疇的疇寬為ξd，第二類塞漏疇的疇寬為(1-2ξ)d，匕首疇的長度為l，則在晶體單位表面，厚度為L的特定體積內(nèi)，各種能量的計(jì)算如下：65ppt課件所以特定體積的總能量為：66ppt課件匕首疇總能量是主疇的寬度L、塞漏疇的分裂因子ξ和匕首疇的長度l的函數(shù)。這些變數(shù)確定以后，匕首封閉疇的具體尺寸也就確定了。運(yùn)用能量極小的原理，可得到L、ξ和l的表達(dá)式。實(shí)驗(yàn)中也觀察到了匕首疇的存在，如圖所示。金屬Co中的匕首疇67ppt課件三軸晶體中的磁疇在三軸晶體的(001)面上，有兩個(gè)易磁化軸，因此主疇和塞漏疇的自發(fā)磁化強(qiáng)度都在易磁化軸上，而且由于晶體的長度方向就是[100]，因此磁疇結(jié)構(gòu)是典型的封閉疇，如圖所示。三軸晶體的封閉疇結(jié)構(gòu)68ppt課件在這種情況下，退磁能和磁晶各向異性能都不需要考慮，只需考慮疇壁能和磁致伸縮能。材料自居里點(diǎn)冷下來時(shí)，發(fā)生自發(fā)形變。主疇和塞漏疇都要在其自發(fā)磁化強(qiáng)度的方向上伸長；由于主疇和塞漏疇的自發(fā)磁化強(qiáng)度彼此成90，所以形變方向互相牽制。由于主疇的阻擋，塞漏疇不能自由變形，因此塞漏疇好象受到壓縮而增加了能量，因而系統(tǒng)的能量中要考慮磁致伸縮能。69ppt課件在三軸單晶材料的表面上，有時(shí)出現(xiàn)從疇壁界線出發(fā)，向兩邊磁疇作斜線伸展的樹枝狀磁疇，如圖所示，圖中pq線是兩個(gè)主疇之間的疇壁界線。這種樹枝狀疇是一種附加疇，產(chǎn)生的原因和封閉疇相似，中間的立體矩形代表兩個(gè)相鄰磁疇的狀況，它們被疇壁間隔開，兩邊磁化方向是相反的。樹枝狀磁疇從這個(gè)疇壁向左右伸展而形成。樹枝狀磁疇70ppt課件產(chǎn)生樹枝狀磁疇的原因是兩個(gè)主疇的磁化方向與樣品的表面不平行，有一個(gè)微小的傾角。在圖中矩形體的左右兩個(gè)面上，以及分畫出來的CDD1C1和EFF1E1截面圖上，都用箭頭表示了這種傾角的情況。樹枝狀磁疇的產(chǎn)生71ppt課件在左邊主疇中，磁化方向向上傾斜，所以表面的左半部出現(xiàn)N極；右邊主疇的磁化方向同左邊磁疇的磁化方向相反，它的磁化方向向下傾斜，因而出現(xiàn)S極。由于左右兩個(gè)主疇的磁化方向?qū)Ρ砻嫔杂袃A斜，在垂直于表面的方向有微弱的磁矩分量，表面上出現(xiàn)磁極。這使接近表面的疇壁左右區(qū)域產(chǎn)生了方向從N極到S極的磁場，引起這個(gè)區(qū)域的橫向磁化，產(chǎn)生了樹枝狀疇。72ppt課件樹枝狀磁疇正如封閉疇那樣起減低退磁能的作用。材料表面上如果有一系列很密的樹枝狀疇，材料表面的磁極會(huì)減少很多，退磁能減低很多。這樣會(huì)增加一些疇壁面積，疇壁能會(huì)有增加。但疇壁能的增加少于退磁能的減低，總能量還是減低。這種附加疇經(jīng)常在三軸晶體中出現(xiàn)。73ppt課件不均勻物質(zhì)中的磁疇多晶體中晶粒的方向是雜亂的。通常每一晶粒中有許多磁疇，也有一個(gè)磁疇跨越兩個(gè)晶粒的。在同一晶粒內(nèi)，各磁疇的磁化方向是有一定關(guān)系的；在不同晶粒間，由于易磁化軸方向不同，磁疇的磁化方向就沒有一定關(guān)系。就整塊材料來說，磁疇有各種方向，材料對外顯出各向同性。74ppt課件下圖是多晶體中滋疇結(jié)構(gòu)的簡單示意圖，每一個(gè)晶粒分成片狀疇?？邕^晶粒邊界時(shí)，磁化方向雖轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，但磁力線大多仍是連續(xù)的。這樣，晶粒邊界上才少出現(xiàn)兩極，退磁能比較低，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。當(dāng)然，為降低系統(tǒng)能量，多晶體的磁疇結(jié)構(gòu)中還必然存在許多附加疇，形成復(fù)雜的磁疇結(jié)構(gòu)。多晶體中的磁疇75ppt課件材料中出現(xiàn)非磁性夾雜物和空隙，磁疇結(jié)構(gòu)將復(fù)雜化。不論夾雜物和空隙的形狀如何，在它們的接觸面上都會(huì)出現(xiàn)磁極，因而會(huì)產(chǎn)生退磁場。在離磁極不遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)，退磁場的方向同原有的磁化方向有很大的差別，這就造成這些區(qū)域在新的方向上磁化，形成附著在夾雜物或空隙上的楔型磁疇。楔型磁疇的磁化方向垂直于主疇方向，它們之間為90壁。76ppt課件夾雜物或空隙附近的退磁場和楔形磁疇77ppt課件技術(shù)磁化和反磁化

處于熱退磁狀態(tài)的大塊鐵磁休(多晶體)在外磁場中磁化，當(dāng)磁場由零逐漸增加時(shí)，鐵磁體的M或B也逐漸的增加，這個(gè)過程稱為技術(shù)磁化過程。反映B與H或M與H的關(guān)系曲線稱為磁化曲線，右圖是3％SiFe在室溫時(shí)的磁化曲線。3%SiFe的磁化曲線，放大插圖為曲線第二部分的Barkhausen跳躍78ppt課件技術(shù)磁化過程大致可分為四個(gè)階段，每一個(gè)階段與一定的疇結(jié)構(gòu)相對應(yīng)。疇壁的可逆位移，如圖中OA段所示。在外磁場較小的時(shí)候，對于自發(fā)磁化方向與外場相同或夾角小的磁疇，由于處于靜磁能低的有利地位，這種磁疇將發(fā)生擴(kuò)張；相反，那些自發(fā)磁化方向與外場方向相反或成鈍角的磁疇則縮小。79ppt課件這個(gè)過程是通過疇壁的遷移來完成的，通過疇壁的遷移，材料在宏觀上顯示出微弱的磁化。疇壁的這種微小遷移是可逆的，如果去除外場，磁疇結(jié)構(gòu)和宏觀磁化都將恢復(fù)到原來狀態(tài),該階段的磁化曲線是線性的。80ppt課件疇壁的不可逆位移如圖中的AB段所示。M和H曲線或者B和H曲線不再是線性的，磁化曲線上升很快，樣品的磁化強(qiáng)度急劇增加。1919年，Barkhausen指出這一階段是由許多M或B跳躍性的變化組成，實(shí)際上是疇壁的不可逆跳躍，稱為Barkhausen跳躍，或者是原來某些自發(fā)磁化方向與磁場成鈍角的磁疇瞬時(shí)轉(zhuǎn)向到與磁場成銳角的易磁化方向，由于大量元磁矩的瞬時(shí)轉(zhuǎn)向，故表現(xiàn)出強(qiáng)烈的磁化。81ppt課件這個(gè)過程是不可逆的，即使外磁場降低到0，疇壁的位置或疇壁的結(jié)構(gòu)也不會(huì)減小到零，而是出現(xiàn)剩磁，這種現(xiàn)象稱為磁滯。Fe的磁化曲線和磁滯回線82ppt課件磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)：如圖中的BS段所示。不可逆壁移階段結(jié)束后，即磁化到B點(diǎn)時(shí)，疇壁已消失，整個(gè)鐵磁體成為一個(gè)單疇體。但它的磁化強(qiáng)度方向與外磁場方向不一致，因此隨磁化場進(jìn)一步增加，磁矩逐漸轉(zhuǎn)動(dòng)到與外磁場一致的方向。由于這個(gè)過程是要增加磁晶各向異性能而做功，因而轉(zhuǎn)動(dòng)很困難，磁化也進(jìn)行得很弱。83ppt課件磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)，既可以是可逆的，也可以是不可逆的。一般情況下，兩種過程同時(shí)發(fā)生于這一階段。當(dāng)磁化到圖中的S點(diǎn)時(shí)，磁體己磁化到技術(shù)飽和，這時(shí)的磁化強(qiáng)度稱為飽和磁化強(qiáng)度Ms，相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs。84ppt課件順磁磁化階段：如圖中的SC段所示。這一階段的特點(diǎn)是盡管外磁場增加很大，磁化強(qiáng)度增加卻很小。磁化強(qiáng)度的增加一部分是因?yàn)榇女牬啪氐霓D(zhuǎn)動(dòng)，一部分是因?yàn)榇女爟?nèi)元磁矩排列的不整齊程度得到了改善。85ppt課件磁化過程的四個(gè)階段可以歸結(jié)為兩種基本方式：疇壁位移和磁疇磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)際磁化中，這兩個(gè)過程可能發(fā)生在上述四個(gè)過程中任何一個(gè)階段。對于大多數(shù)磁性材料，磁化的第一階段主要是疇壁的可逆位移；但對于某些磁導(dǎo)率不高的鐵氧體，第一階段主要是磁矩的可逆轉(zhuǎn)動(dòng)。任何磁性材料的磁化和反磁化，都是通過這兩種方式來實(shí)現(xiàn)的，至于這兩種方式的先后次序應(yīng)該視具體情況而定。86ppt課件鐵磁體經(jīng)過外磁場磁化達(dá)到飽和以后，若將外磁場去除，磁化強(qiáng)度并不為零，而是出現(xiàn)一個(gè)剩余磁化強(qiáng)度，只有在反方向再加上磁場后，才能使磁化強(qiáng)度逐漸回復(fù)到零。以上的這些過程就是反磁化過程，它在各個(gè)階段的情況，大致與磁化過程相類似，實(shí)質(zhì)也是疇壁的位移和磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)的過程。87ppt課件由C點(diǎn)的磁化狀態(tài)(+Ms)到C1點(diǎn)的磁化狀態(tài)(-Ms)，稱為反磁化過程。與反磁化過程相對應(yīng)的B-H曲線或M-H曲線稱為反磁化曲線。兩條反磁化曲線組成的閉合回線稱為磁滯回線。反磁化曲線由四部分組成。退磁曲線和磁滯回線88ppt課件第一部分是CBr，當(dāng)磁化場自C點(diǎn)減少到零時(shí)，每一個(gè)晶粒的磁矩都轉(zhuǎn)動(dòng)到該晶粒最靠近外場的易磁化方向。在一些磁性材料中，在磁化場減少到零的過程中，鐵磁體內(nèi)也可產(chǎn)生新的反磁化疇。第二部分是BrD．該階段可能是磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)過程，也可能是疇壁的小巴克豪森跳躍，也可能有新的反磁化疇的形成。第三部分是DF，它是不可逆的大巴克豪森跳躍。第四部分是FC1，它是磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)到反磁化場方向的過程。89ppt課件疇壁位移的磁化過程

未加磁場H前，疇壁位于a，左疇磁矩向上，右疇磁矩向下。施加磁場H后，左疇的磁矩與H的向上分量一致，靜磁能較低；右疇的靜磁能較高，疇壁從a位置右移到b位置。ab間原屬于右疇，方向朝下的磁矩轉(zhuǎn)到方向朝上而屬于左疇，增加磁場方向的磁化強(qiáng)度。壁移磁化示意圖90ppt課件疇壁的位移過程實(shí)質(zhì)也是一種磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)過程。疇壁是相鄰磁疇之間磁矩逐漸轉(zhuǎn)向的過渡層。圖中左疇的磁矩向上，右疇的磁矩向下，疇壁向右移動(dòng)，即左疇發(fā)生擴(kuò)張。這個(gè)過程實(shí)際上是右疇靠近疇壁的一層磁矩由原來朝下的方向開始轉(zhuǎn)動(dòng)，相繼進(jìn)入疇壁區(qū)。與此同時(shí)，疇壁中的磁矩也發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，且最左邊的一層磁矩最終完成了轉(zhuǎn)動(dòng)過程，脫離了疇壁區(qū)而加入了左疇的行列。91ppt課件應(yīng)該看到，所謂磁矩進(jìn)入和脫離疇壁區(qū)，并不意味著磁矩挪動(dòng)位置，只是通過方向的改變來實(shí)現(xiàn)疇壁區(qū)的遷移。壁移磁化本質(zhì)上也是磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)過程，但只是靠近疇壁的磁矩局部地先后轉(zhuǎn)動(dòng)，而且從一個(gè)磁疇磁化方向到相鄰磁疇磁化方向轉(zhuǎn)過的角度是一定的，這和整個(gè)磁疇磁矩同時(shí)一致轉(zhuǎn)動(dòng)有明顯的區(qū)別。92ppt課件在平衡狀態(tài)，磁體內(nèi)的疇壁能密度分布如圖所示。疇壁處在能量最低位置。此時(shí)施加一個(gè)強(qiáng)度為H的外場，該場與磁疇的自發(fā)磁化方向之間的夾角為θ，在磁場作用下，疇壁移動(dòng)了x距離。單位面積的疇壁移動(dòng)x距離后，靜磁能的變化為：

疇壁運(yùn)動(dòng)中的能量變化a—磁場作用下的180疇壁位移；b—磁體內(nèi)部疇壁能的不均勻分布c—疇壁密度的變化率93ppt課件負(fù)號表示疇壁位移過程靜磁能是降低的，因而靜磁能是疇壁位移的驅(qū)動(dòng)力。疇壁由于離開了能量最低的位置，疇壁能將有所升高。疇壁移動(dòng)了x的距離后，系統(tǒng)的能量變化為將上式對x微分，并令

94ppt課件式中左邊是靜磁能變化率，是推動(dòng)疇壁移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，右邊是疇壁能梯度，是疇壁位移的阻力。隨著外場的增大，疇壁位移增加，疇壁位移的阻力也逐漸增大。疇壁位移達(dá)到A點(diǎn)前，疇壁位移是可逆的，在這個(gè)臨界點(diǎn)上，疇壁位移有很大的阻力峰95ppt課件一旦疇壁位移到了這個(gè)臨界點(diǎn)后，由于克服了最大的阻力，它將發(fā)生Barkhausen跳躍，從而跳到另外一個(gè)臨界位置E點(diǎn)，面臨另外一個(gè)AE中各點(diǎn)的阻力都比A點(diǎn)小，既然驅(qū)動(dòng)力能克服阻力最大的地方，同樣的驅(qū)動(dòng)力自然能克服阻力較小的地方。所以越過A點(diǎn)后，疇壁位移可以達(dá)到E點(diǎn)。如果疇壁要想繼續(xù)移動(dòng)，那就必須克服F點(diǎn)的。去除外場后，疇壁將不會(huì)回到原來位置，而是出現(xiàn)一定的不可逆位移，回到D點(diǎn)。96ppt課件如果鐵磁體內(nèi)部存在一系列的，則疇壁要發(fā)生一連串Barkhausen跳躍。疇壁由可逆壁移轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢赡姹谝扑枰拇艌鰹榕R界場H0，可表示為：97ppt課件磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)的磁化過程疇壁移動(dòng)實(shí)質(zhì)上是磁矩非一致性轉(zhuǎn)動(dòng)的過程，而這里的磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)是磁疇內(nèi)的磁矩發(fā)生一致性轉(zhuǎn)動(dòng)的過程。所謂一致轉(zhuǎn)動(dòng)是指疇內(nèi)原子磁矩均勻一致地轉(zhuǎn)向外磁場的方向。對于磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)而引起的磁化實(shí)際上是靜磁能和磁晶各向異性能共同作用的結(jié)果。

98ppt課件從外磁場的角度看，自發(fā)磁化強(qiáng)度應(yīng)盡量與外場保持一致，即Ms與H的夾角θ越小越好，所以在外場作用下磁矩會(huì)向外場以降低靜磁能；從磁晶各向異性能的角度來看，希望磁化強(qiáng)度盡量與易磁化軸保持一致，磁矩向外磁場的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁矩偏離了磁疇的易磁化方向，從而提高了磁晶各向異性能。兩種能量作用的結(jié)果，使Ms穩(wěn)定在原自發(fā)磁化方向和磁場之間總能量最小的某一個(gè)角度上。99ppt課件磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)也包括可逆轉(zhuǎn)動(dòng)和不可逆轉(zhuǎn)動(dòng)。一般來說，在低場作用下是可逆轉(zhuǎn)動(dòng)；磁矩要發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)動(dòng)，磁場應(yīng)大于臨界場H0，或外場方向與原始磁化強(qiáng)度方向的夾角θ≥90。一個(gè)單軸單疇體的易磁化軸沿X軸的正方向，如圖所示?，F(xiàn)在沿X軸的負(fù)方向施加一個(gè)磁場，并且在該場的作用下，Ms偏離易磁化方向θ角。單軸單疇體的反磁化100ppt課件系統(tǒng)總能量為磁晶各向異性能與靜磁能之和：當(dāng)H一定后，θ的取值應(yīng)使E為最小，因而對上式取一階微分和二階微分，得到：令dE/dθ=0，由此得到θ=0或者θ=180。當(dāng)θ=0時(shí)，令d2E/dθ2>0，則有：當(dāng)θ=180時(shí)，令d2E/dθ2>0，則有：101ppt課件當(dāng)磁化場從0增加到以前，單疇體的磁化強(qiáng)度停留在θ=0處。當(dāng)反磁化場一旦增加到時(shí)，磁矩立即反轉(zhuǎn)180。這是一種不可逆的轉(zhuǎn)動(dòng)，對于其它類的單疇體，也有類似的臨界場表達(dá)式，只不過是Ku不同而已。102ppt課件單軸單晶體的磁化過程

磁性材料中，有很多是屬于單軸單晶體，如BaO·Fe2O3、Co以及SmCo合金等。在這些單軸單晶體中，只要它的磁晶各向異性常數(shù)比飽和磁化強(qiáng)度大很多，單晶體中的磁疇結(jié)構(gòu)就很可能是片形疇。所以，單軸單晶體的磁化主要是片形疇在磁化過程中的運(yùn)動(dòng)變化。103ppt課件片形疇在磁化過程中的運(yùn)動(dòng)變化的第一階段是磁場較小時(shí)的可逆疇壁移動(dòng)，在這一過程中，隨著外磁場的增加，正向疇的疇寬開始增加緩慢，后來增加很快；反向疇的疇寬則始終變化不大。第二階段是隨著磁場的增加，片狀的反向疇突然收縮為圓柱形的磁疇，這一階段的變化是不可逆的壁移和疇轉(zhuǎn)。104ppt課件第三個(gè)階段是隨著磁場繼續(xù)增加，圓柱形磁疇逐漸減小，直至最后消失，整個(gè)樣品被飽和磁化。如果將外場降低，樣品的磁化強(qiáng)度并不減少，而是維持飽和狀態(tài)，直至磁場降低到某一值時(shí)，才突然出現(xiàn)許多反向片狀磁疇，使樣品的磁化強(qiáng)度迅速降低。繼續(xù)減小磁場，磁化強(qiáng)度繼續(xù)降低，最后為零。105ppt課件三軸晶體的磁化過程

易磁化軸有三個(gè)的單晶體稱為三軸單晶體，工業(yè)上有重要應(yīng)用的電工硅鋼片和鐵的單晶體等都是三軸單晶體。對于該類晶體，磁疇自發(fā)磁化方向有多種選擇，所以磁疇結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但可以肯定的是，為了降低退磁能，磁疇中一般有封閉疇出現(xiàn)。所以，三軸單晶體的磁化主要考慮封閉疇對其磁化的影響。106ppt課件經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，三軸單晶體的磁疇結(jié)構(gòu)主要是變形的片形疇(截面是菱形或平行四邊形)，兩端連接著不同的封閉疇，如圖所示。退磁狀態(tài)下三軸單晶體的理想磁疇結(jié)構(gòu)107ppt課件封閉疇有兩種，一種是H=0時(shí)存在的q型封閉疇，它的出現(xiàn)主要是為降低主疇的退磁能；另一種是加上外場后才出現(xiàn)的p型封閉疇，它的出現(xiàn)主要是為了降低靜磁能。加上外場后三軸單晶體的磁疇結(jié)構(gòu)108ppt課件由于外場的作用對q型封閉疇不利，因而在磁化的第一階段，必然是通過疇壁的移動(dòng)使q型封閉疇的體積逐漸縮小，而p型封閉疇的體積逐漸增大。當(dāng)磁場進(jìn)一步加大時(shí)，主疇的自發(fā)磁化強(qiáng)度會(huì)向磁場方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)過程。最后，當(dāng)磁場繼續(xù)增加時(shí)，自發(fā)磁化強(qiáng)度與外磁場一致，整個(gè)樣品就達(dá)到飽和磁化。109ppt課件在多晶體的磁化過程中，磁疇結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)變化很難用一個(gè)模型加以概括，所以只能分析磁化的基本方式。然而多晶體的磁化方式也是壁移磁化和疇轉(zhuǎn)磁化，有所不同的是，多晶體在磁化過程中有更多阻礙疇壁運(yùn)動(dòng)的因素。110ppt課件疇壁運(yùn)動(dòng)的阻力從能量的觀點(diǎn)來看，如果疇壁移動(dòng)伴隨著某種能量增加的話，則這種移動(dòng)是不利的，這是因?yàn)橛心撤N能量的增加將阻礙疇壁的運(yùn)動(dòng)。引起疇壁能量增加的原因有很多，較為常見的是內(nèi)應(yīng)力、摻雜以及材料的非均勻區(qū)等原因。111ppt課件內(nèi)應(yīng)力阻礙疇壁的運(yùn)動(dòng)多晶材料中的晶格畸變、機(jī)械加工、壓延軋制、磁致伸縮等都會(huì)引起材料的內(nèi)