磁畴结构畴壁学习教案

会计学1磁畴结构磁畴结构(jigu)畴壁畴壁第一页，共78页。2OBHACDB.EF.HCBs.BrHs.初始磁初始磁化曲线化曲线Br剩剩 磁磁.HsBs. 饱和磁感应强度饱和磁感应强度矫顽力矫顽力HC磁滞回线磁滞回线磁滞回线磁滞回线第1页/共78页第二页，共78页。3居里点：居里点： 当温度达到一定当温度达到一定(ydng)时，铁磁质转变为顺时，铁磁质转变为顺磁质，称这一温度为磁质，称这一温度为“居里点居里点”居里居里.M 第2页/共78页第三页，共78页。4磁磁 畴畴 根据现代理论，铁磁质相邻原子的根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的电子之间存在很强的“交换耦合作用交换耦合作用(zuyng)”，使得在无外磁场作用使得在无外磁场作用(zuyng)时，电子自旋磁矩时，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列，形成自能在小区域内自发地平行排列，形成自发磁化达到饱和状态的微小区域。这些发磁化达到饱和状态的微小区域。这些区域称为区域称为“磁畴磁畴” 用磁畴理论可以用磁畴理论可以(ky)解释铁磁质的磁化解释铁磁质的磁化过程、磁滞现象、磁滞损耗以及居里点。过程、磁滞现象、磁滞损耗以及居里点。 1892年罗辛格首先提出年罗辛格首先提出(t ch)，磁畴的形成，磁畴的形成是由于磁偶极子间非磁性的相互作用。是由于磁偶极子间非磁性的相互作用。 第3页/共78页第四页，共78页。5 1926年海森堡用量子力学年海森堡用量子力学(lin z l xu)中的交换力解中的交换力解释了磁偶极子间相互作用的起源。释了磁偶极子间相互作用的起源。 第4页/共78页第五页，共78页。6 1935年，朗道和栗佛希兹从磁场能量的年，朗道和栗佛希兹从磁场能量的观点观点(gundin)说明了磁畴的成因。说明了磁畴的成因。第5页/共78页第六页，共78页。7显示(xinsh)磁畴结构的铁粉图形第6页/共78页第七页，共78页。8纯铁纯铁硅铁硅铁钴钴三种三种(sn zhn)铁磁性物质的磁畴铁磁性物质的磁畴第7页/共78页第八页，共78页。9Si-Fe单晶单晶(001)面的面的磁畴结构磁畴结构箭头表示箭头表示磁化方向磁化方向0.1mm第8页/共78页第九页，共78页。10单晶磁畴结构单晶磁畴结构(jigu) 示意图示意图多晶磁畴结构多晶磁畴结构(jigu) 示意图示意图第9页/共78页第十页，共78页。11铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第10页/共78页第十一页，共78页。12铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第11页/共78页第十二页，共78页。13铁磁质单晶体磁化(chu)过程H返回返回(fnhu)第12页/共78页第十三页，共78页。14铁磁质单晶体磁化(chu)过程H返回返回(fnhu)第13页/共78页第十四页，共78页。15铁磁质单晶体磁化(chu)过程H返回返回(fnhu)第14页/共78页第十五页，共78页。16铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第15页/共78页第十六页，共78页。17铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第16页/共78页第十七页，共78页。18铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第17页/共78页第十八页，共78页。19铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第18页/共78页第十九页，共78页。20铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第19页/共78页第二十页，共78页。21铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第20页/共78页第二十一页，共78页。22铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第21页/共78页第二十二页，共78页。23铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第22页/共78页第二十三页，共78页。24铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第23页/共78页第二十四页，共78页。25铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第24页/共78页第二十五页，共78页。26铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第25页/共78页第二十六页，共78页。27铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第26页/共78页第二十七页，共78页。28铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第27页/共78页第二十八页，共78页。29铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第28页/共78页第二十九页，共78页。30铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第29页/共78页第三十页，共78页。31铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第30页/共78页第三十一页，共78页。32铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第31页/共78页第三十二页，共78页。33铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第32页/共78页第三十三页，共78页。34铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第33页/共78页第三十四页，共78页。35铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第34页/共78页第三十五页，共78页。36铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第35页/共78页第三十六页，共78页。37铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第36页/共78页第三十七页，共78页。38铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第37页/共78页第三十八页，共78页。39铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第38页/共78页第三十九页，共78页。40铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第39页/共78页第四十页，共78页。41铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第40页/共78页第四十一页，共78页。42铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第41页/共78页第四十二页，共78页。43铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第42页/共78页第四十三页，共78页。44铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第43页/共78页第四十四页，共78页。45铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第44页/共78页第四十五页，共78页。46铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第45页/共78页第四十六页，共78页。47铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第46页/共78页第四十七页，共78页。48铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第47页/共78页第四十八页，共78页。49铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第48页/共78页第四十九页，共78页。50铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第49页/共78页第五十页，共78页。51铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第50页/共78页第五十一页，共78页。52铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第51页/共78页第五十二页，共78页。53铁磁质单晶体磁化(chu)过程H第52页/共78页第五十三页，共78页。54磁滞磁滞(c zh)损耗损耗 在交变电磁场中，铁磁质的反复在交变电磁场中，铁磁质的反复(fnf)磁化，磁化，将引起介质的发热，称为磁滞损耗。将引起介质的发热，称为磁滞损耗。 实验和理论都可以实验和理论都可以(ky)证明，磁滞损耗和磁证明，磁滞损耗和磁质回线所包围的面积成正比。质回线所包围的面积成正比。BH第53页/共78页第五十四页，共78页。553. 有剩磁(shngc)、磁饱和及磁滞现象。 2. 有很大的磁导率。放入线圈(xinqun)中时可以使磁场增强102 104倍。 4.温度超过居里点时，铁磁质转变为顺温度超过居里点时，铁磁质转变为顺磁质。磁质。第54页/共78页第五十五页，共78页。56软磁材料软磁材料(cilio)BH 应用：硅钢片，作变压器、电机、电磁应用：硅钢片，作变压器、电机、电磁(dinc)铁的铁芯。铁氧铁的铁芯。铁氧体（非金属）作体（非金属）作高频线圈的磁芯高频线圈的磁芯材料。材料。 特点：磁导率大，矫顽力小，容易特点：磁导率大，矫顽力小，容易(rngy)磁化磁化也容易也容易(rngy)退磁。磁滞回线包围面积小，磁滞损退磁。磁滞回线包围面积小，磁滞损耗小。耗小。第55页/共78页第五十六页，共78页。57 特点：剩余磁感应强度大，矫顽力大，不特点：剩余磁感应强度大，矫顽力大，不容易磁化，也不容易退磁容易磁化，也不容易退磁(tu c)。磁滞回线宽，磁。磁滞回线宽，磁滞损耗大。滞损耗大。硬磁材料硬磁材料应用：作永久磁铁应用：作永久磁铁(yn ji c ti)，永磁喇叭，永磁喇叭BH第56页/共78页第五十七页，共78页。58 应用：作计算机中的记忆应用：作计算机中的记忆(jy)元件。磁化时极元件。磁化时极性的反转构成了性的反转构成了“0”与与“1”。矩磁材料矩磁材料(cilio)：BH特点特点(tdin)：磁滞回线呈矩形状：磁滞回线呈矩形状第57页/共78页第五十八页，共78页。598.7 8.7 畴壁与磁畴结构畴壁与磁畴结构(jigu) (jigu) 图8-15是Si-Fe合金(hjn)在（001）晶面上观察到的磁畴，它由片状畴和三角畴组成 第58页/共78页第五十九页，共78页。60 畴与畴之间的边界称为畴壁。相邻(xin ln)两个片状畴的磁矩夹角为180时，它们的边界称为180畴壁。片状畴与三角畴（又称封闭畴）之间磁矩相互垂直，它们的边界称为90畴壁。在每一个磁畴内，磁矩平行或反平行地有序排列，产生自发磁化。而不同磁畴的自发磁化矢量则是随机排列 磁畴的形状、尺寸、磁畴壁的厚度由交换能、退磁场(cchng)能、磁晶各向异性能及磁弹性能来决定。平衡状态的磁畴结构，应具有最小的能量 第59页/共78页第六十页，共78页。611.磁畴壁磁畴壁在磁畴壁内原子磁矩的方向逐渐转变(zhunbin)。根据原子磁矩转变(zhunbin)的方式，可将畴壁分为布洛赫壁和奈尔壁 布洛赫壁的特点是畴壁内的磁矩转变(zhunbin)时始终与畴壁平面平行 当铁磁体厚度减少到相当于二维的情况，即厚度为1102nm的薄膜时，则畴壁的磁矩始终(shzhng)与薄膜表面平行地转变，这种畴壁称奈尔壁 第60页/共78页第六十一页，共78页。62图8.16：布洛赫壁和奈耳壁中磁矩过渡(gud)的方式(a)布洛壁中磁矩过渡(gud)的方式(b)奈耳壁中磁矩过渡(gud)的方式第61页/共78页第六十二页，共78页。63如图8-16(a)，设在畴壁内的2个相邻原子磁矩的夹角为，它们之间的交换(jiohun)作用能为 Eex=-2AS2cos 当很小时(xiosh)，cos（1-2/2），去掉常数项，则得： Eex=AS22 第62页/共78页第六十三页，共78页。64总能量最小时(xiosh)的畴壁能和畴壁厚度分别为： =2A1（K1+3s/2） =A1/（K1+3s/2） 可见畴壁厚度与材料的K1, A1，s，等参量(cnling)有关。K1越大，越小，越大 第63页/共78页第六十四页，共78页。65 在六方结构的Co和SmCo5等金属与合金(hjn)中， K1很大，很小，很大,使角达6180，并且角的分布是不均匀的。这种畴壁称为非连续畴壁模型 在Fe-Ni合金中，K1很小，如果内应力也很小的话，则畴壁厚度可相当地大,畴壁内相邻原子间磁矩的角度仅有0.18-1.8左右，磁矩的分布(fnb)近似具有连续性，这种畴壁称为连续性的畴壁模型 第64页/共78页第六十五页，共78页。662. 2. 磁畴结构磁畴结构(jigu)(jigu) 畴结构受到畴壁能E,磁晶各向异性能Ek、磁弹性能E和退磁场能Ed的制约(zhyu)，其中退磁场能将是铁磁体分成畴的动力。其它能量将决定磁畴的形状、尺寸和取向 第65页/共78页第六十六页，共78页。67图8.17 边长为1cm*1cm*1cm的方块形单晶铁的可能畴结构(jigu)，正面是(001)面第66页/共78页第六十七页，共78页。68情况(a)：一个单畴体磁晶各向异性能Ek、磁弹性(tnxng)能E均为零，方块形状决定的退磁场能就是总能量： Etotal=Ed= V (NMs20) /2 式中V是磁体的体积。方块状铁磁体的退磁因子接近(jijn)球体的退磁因子，即N=1/3， 设Ms=1.7310-6A/m,V=510-7m3, 代入上式Ed=0.313J 第67页/共78页第六十八页，共78页。69情况(qngkung)(b)：n个片状畴，退磁场能为： Ed= V (NMs20) /2/n 这样分畴越多，退磁能就越低。极端(jdun)地说，可以分到象反铁磁性物质那样原子间相互反平行排列。实验证明铁磁性物质的磁畴中有1015-1019个原子。这是因为实际上磁畴之间存在的（n-1）块畴壁具有畴壁能。因此这时的总能量Eb为： Eb= V (NMs20) /2/n + 180(n-1)S180 设n=20，则Eb=0.016J，是Ea的1/20 第68页/共78页第六十九页，共78页。70情况（c）：封闭畴它由四个三角畴和两块位于011面的90畴壁来组成。在畴壁内磁通是连续的，方块铁磁体表面不会出现磁荷，则退磁场能Ed为零，而K10决定了易磁化方向在方向上，所以所有磁畴中的磁矩都在易磁化方向，Ek为零，但这时四个三角畴都要沿自己的易磁化方向伸长(shn chn)，出现了由应力产生的磁弹性能。其总能量为Ec=E + 90S90= V2 100C11/2 + 90S90 = 25.710-5J 可见出现封闭(fngb)畴后，方块铁磁体得的能量大大降低。 第69页/共78页第七十页，共78页。71情况（d）片状畴加封闭(fngb)畴Ed和Ek然仍然为零，只存在磁弹性能和畴壁能，其总能量为Ed= V1002 c11/2 + 180S180 +90S90 假定出现(chxin)了n=8块的片状畴，则总能量为 Ee=1610-6J。4种畴结构(jigu)中，（d）是能量最低的。第70页/共78页第七十一页，共78页。72实际存在的畴结构(jigu)是与图8-17（d）的畴结构(jigu)相一致，说明在本例中封闭畴结构(jigu)比图8-17(b)所示的片状畴结构(jigu)的能量更低 实际材料中的畴结构，还要受到材料的尺寸、晶界、应力、掺杂和缺陷等的影响，因此实际材料的畴结构是相当(xingdng)复杂的 第71页/共78页第七十二页，共78页。73图图8-18空洞空洞(kngdng)（a）掺杂（）掺杂（b）和晶界）和晶界（c）对磁畴结构的影响）对磁畴结构的影响第72页/共78页第七十三页，共78页。743.3.单畴结构单畴结构(jigu)(jigu) 铁磁体的块度对磁畴结构也有很大影响。如果(rgu)材料的线度非常小，以至材料形成单畴时的退磁能小于形成多畴时的畴壁能，磁性材料就以单畴存在 第73页/共78页第七十四页，共78页。75一个(y )半径为R的立方单晶体结构的球。设磁晶各向异性常数K10，s和应力可以忽略。情况(a)：4块封闭畴结构球体中其他能量都为0，只有畴壁能，总能量是Ea= 902R2， 情况(b)：单畴球体中其他能量都为0，只有退磁能，总能量是Eb= V (NMs20) /2=802 Ms2 R3/9。 第74页/共78页第七十五页，共78页。76图8.19立方单晶铁磁体球状颗粒(K10)的磁畴结构以及(yj)能量随变化(a)分畴(b)不分畴第75页/共78页第七十六页，共78页。77当Ea=Eb时求出的球的半径(bnjng)称为单畴体的临界尺寸Rc，单晶体球体的RRc时，则分畴的情况下能量最低，以多畴体存在；当RRc时，则不分畴的情况下能量最低，以单畴体存在。 第76页/共78页第七十七页，共78页。78 如果将单畴体的临界尺寸继续减小到一定程度后，由于表面与体积比大大增加，热振动能可能和微粒的磁晶各向异性( xin y xn)能相当，这时微粒的磁矩不能固定地沿着易磁化方向排列，它随热振动自由改变，单畴微粒体就转变为超顺磁体。由单畴体转变为超顺磁体的临界尺寸Dp称为超顺磁体的临界尺寸。 磁性流体中的使用的磁性微粒一般具有超顺磁性。 超顺磁体超顺磁体(ct)第77页/共78页第七十八页，共78页。