第8章-磁畴

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F AS2 ( )2
N
当铁磁体晶格常数为a时,在厚度为 N,a 长和 宽均为1的畴壁体积中,单位面积畴壁面上共有 个 1/ a2 原子。单位面积畴壁中交换能增量为,
ex

N
1 a2
F

AS 2
2
Na 2
ex

N
1 a2
F

AS 2
2
Na 2
由此可见,畴壁中包括原子层数越多,也就是 畴越厚,则在畴壁中引起的交换能越小。所以, 为了使畴壁中引起的交换能增加的小一点,畴 壁中磁矩方向的改变只能采取逐渐过渡的形式。 而不能突变0—180。
所以,我们将上式变成 将上式代入下式得
FKU KU1 cos2 g( )
查积分表:樊映川高数p351

z
A1 d
A1 d
A1 lg tan( )
0 g( )
KU1 0 cos
KU1
24

c
1 os
x
dx

ln(
c
1 os
x

tan
x)

C
ln tan( x ) C 24
但是在畴壁中原子的自旋磁矩方向逐渐过渡,必然 会引起每一个原子磁矩方向偏离原来的磁晶各向异 性为最低的易磁化方向,从而导致了磁晶各向异性 能的增加。例如,单位面积的畴壁所具有的磁晶各 向异性能估算为
K K1V K1Na K1
显然,磁晶各向异性能随畴壁厚度的增加而增加。 因此,畴壁要具有一个稳定的结构必须满足畴壁中的 交换能和磁晶各向异性能的总和为极小。单位面积畴 壁中总畴壁能
1.布洛赫壁 在布洛赫壁中磁矩的过渡方式是始终保持平行于畴壁 平面,因而在畴壁面上无自由磁极出现,这样就保证 了畴壁上不会产生退磁场,但在晶体表面出现磁极有 退磁场。在铁磁材料中大块晶体材料内的畴壁属于布 洛赫壁。由于是大块晶体材料,尺寸很大,表面磁极 产生的退磁场可忽略不计。
2.奈尔壁 在薄膜材料中,一定条件下,将会出现奈尔壁。在奈 尔壁中磁矩是平行于薄膜表面逐步过渡的。不是像布 洛赫壁那样,磁矩平行于畴壁逐步过渡。这样在奈尔 壁两侧表面上将会出现磁极产生退磁场。只有在奈尔 壁的厚度比薄膜的厚度大很多时退磁场能才比较小。 因此,奈尔壁的稳定程度与薄膜的厚度有关。
w



[
A1
(

z
)2

g
(
)]dz

0
分别考虑,上式第一项为

A1
(

z
)2
dz


2 A1
( )dz
z z

2
A1
(

z
)
z
(
)dz

2
A1
(

z
)
|



2 A1
2
2.畴壁结构的第二定则 畴壁中原子磁矩在畴壁内过渡时,始终保持与 畴壁法线方向间的夹角不变。这一条,也是满 足畴壁表面不出现磁荷的条件的必然结果。
5.3 畴壁厚度和畴壁能计算
在讨论畴壁形成时,对畴壁厚度和畴壁能只 做了近似计算。当时假定在整个畴壁内,磁 矩是均匀过渡的,每个磁矩转向的角度都相 等。但是,实际情况中,磁矩在畴壁内不是 均匀过渡的。畴壁内磁矩过渡规律应由能量 最小原理来确定。
三、布洛赫壁的结构特征
1.畴壁结构第一定则 相邻两端磁畴中的自发磁化矢量 在畴壁法线方向的投影分量相等 。 若90畴壁,畴壁取向要满足畴 壁表面不出现磁荷的条件,只能 是相邻两磁畴中的磁化矢量在畴 壁法线方向的投影分量相等。所 以,180畴壁取向是平行于畴中 磁化矢量的任意平面;90畴壁 取向则是法线在相邻两畴的磁化 矢量夹角的平分面上的任意平面 。
( dz
d
) z 0

A1 KU1
由此定义畴壁的有效厚度
/ 2 A1 / 2 KU1 A1
KU1
A1 KU1
计算180畴壁能量密度
/2
/2
w 2
A1 / 2
g( )d 2
A1 KU 1
w ex k


[
A1 (

z
)2

g
(
)]dz
dz A1 d g( )
/2
w 2 A1 /2 g( )d
以上两式为计算畴壁厚度和畴壁能量的一般表达式。 以下举例说明:
1.单轴晶体中的180畴壁 单轴晶体的磁晶各向异性能表达式
FKU KU1 sin2 此式表示 KU1 0 易磁化轴在 0 方向。而关于磁畴壁能量的讨论中,易磁化轴在 / 2
由 E 0
D
可得平衡时的磁畴宽度D, D 104 wL
M S 17
二、决定磁畴结构的各种因素
除退磁场能这个决定因素外,其他因素也值得 考虑:磁各向异性能;交换相互作用能;磁弹 性能等。
圆片铁磁体各种磁畴结构
5.2 磁畴壁结构及其特性
一、畴壁的形成
磁畴壁是相邻两磁畴之间磁矩按照一定规律逐渐 改变方向的过渡层。 以下通过计算畴壁能量和厚度,说明铁磁体内相 邻两磁畴之间磁畴壁的形成以及磁畴壁内磁矩方 向变化是采用逐渐过渡方式的。 已经知道,相邻两原子间的交换能
例,180畴壁。在畴壁内部相邻两原子层之间的原子磁
矩转过角度 a。畴壁中相邻原子层的两个原子间的
交换能为
z
Eex

AS 2
2

AS 2a2 (
z
)2
对于简单立方晶体,每单位体积的原子个数为1/a3, 因此单位体积内的交换能
1 a3
Eex

AS 2 a
( z
)2
退磁场能,Ed

1.7

10
7
M
2 S
D
公式推导见钟书p202
式中D是片状磁畴的宽度,显然,片状磁畴的宽度D越
小,退磁场能越小。
磁畴壁能,Ew


w
L D
式中 w 为畴壁能量密度,L为 晶体的厚度。(参见宛书P215 图5-2(b)
总能量,
E

Ed

Ew

1.7

10
7
M
2 S
D


w
L D
第五章 磁畴理论
5.1 磁畴的成因
一、磁畴形成的根本原因
铁磁体内产生磁畴,实质上是自发磁化矢量平衡分 布要满足能量最小原理的必然结果。假设铁磁体无 外场无外应力作用,自发磁化矢量的取向,应该是 在由交换能、磁晶各向异性能和退磁场能等共同决 定的总自由能为极小的方向上。 仅考虑交换相互作用能(交换积分A>0),磁矩平 行排列,对方向无特殊要求。 再考虑磁晶各向异性能,当交换能和磁晶各向异性 能之和满足最小值条件,则自发磁化矢量只能分布 在铁磁体的一个易磁化方向上。
1 a3
Eex

AS 2 a
(
z
)2


A1( z
)2
因此,单位面积的畴壁中的交换能
ex

A1
( )2 dz
z
式中, A1

AS 2 a
单位面积畴壁中的磁晶各向异性能为

ex
g( )dz

g() 为单位体积的磁晶各向异性能,它随自发磁化
强度的方向而变化。 单位面积畴壁总能量
w
ex
k

A
S 2 2
Na 2
K1Na
w
ex
k

S 2 2
A Na2
K1Na
平衡时要求
w
N

0得
N S A Na S A
a K1a
K1a
单位面积的畴壁能 w 2S
K1 A a
如力果 各在向铁异磁性晶的体中23 S同 作时用有,磁这晶时各的向畴异壁性能K1和和应厚 度应当同时考虑磁晶各向异性能和应力各向异 性能。
w ex k


[

A1 (

z
)2

g(
)]dz
在稳定的畴壁状态中,畴壁内磁矩的转向角度 (z)必
须满足使总畴壁能为极小的条件。因此可以从上式极
小的条件,求出 随z变化的关系。这是一个变分问题, 对于任意小的变量 ,要求总的畴壁能改变 ,即
w 0

w
ex w
k 2S

(K1

A
S 2 2
Na 2

3 2
S
)
A
a
K1Na

3 2
SNa


Na

S
(K1
(单位面积畴壁能)

A
3 2
S
)a

w

2
(K1

3 2
S
)
二、磁畴壁的类型
两种划分畴壁类型的方法:
第一种,根据畴壁两侧磁畴 的自发磁化矢量方向间的关 系,可将畴壁划分为180和 90畴壁两大类。
磁晶各向异性能大的区域,相邻原子自旋磁矩转向的
角度就大;磁晶各向异性小的区域,相邻原子自旋磁
矩转向的角度就小。显然,g() 在晶体中各处并不相同。
所以,磁矩在畴壁中旋转的角度变化率 也不是均
匀的。
z
dz A1 d g( )

z
A1 d
0 g( )
畴壁的能量密度
/2
w 2 A1 /2 g( )d
与z之间的关系如图所示。
2
在z=0处, 的变化率最大,
最大。
z
0
z
因为在z=0处单轴晶体的磁晶
-2
各向异性为最大的难磁化方
-2
向,因此也是交换能最大的
地方。在畴壁的两边磁矩转
向逐渐变得平缓,没有一个
明显的边界。
F1
0
2
theta
为了计算方便,将z=0处磁矩旋转斜率近似为整 个畴壁厚度的磁矩旋转斜率,
dz

0
g( )
2 A1
2
z 2
0
g (
)

2 A1
2
z 2
用 同 时乘以上式的两边,并对z从
z
z到 积分,z z
z g( ) dz
z
z
2
2 A1 z 2
dz
z
z
g( )dz
F 2AS2 cos
当相邻两原子的磁矩平行排列时 0,其交换能为
F0 2 AS 2
则,原子间的夹角为 时,交换能增量为
F

F

F0

2AS2 (1 cos)

4AS2
s in 2

2
近似为wenku.baidu.com
F 4AS2 sin2 AS2 2
2
考虑畴壁是由N层原子组成,畴壁两侧磁矩夹 角为180。设每层原子转过相等的角度 ,/ N 则 引起的交换能增量为
z 2
dz

2 A1
2
z 2
dz
其中使用了在 ,处 w 0 式中第二项
。z 0

g( )dz
g( ) dz


因此得到 所以
w

[

g (
)

2
A1
2
z 2
]
但是实际的铁磁体有一定的几何尺寸,还要考虑退 磁场能。自发磁化矢量的一致排列,必然在铁磁体 表面上出现磁极而产生退磁场,这样就会因退磁场 能的存在使铁磁体内的总能量要增加,自发磁化矢 量的一致取向分布不再处于稳定状态。为降低表面 退磁能,只有改变自发磁化矢量的分布状态来实现。 于是在铁磁体内部分成许多大小和方向基本一致的 自发磁化区域,这样的每一个小区域称为磁畴。
磁畴壁内各个磁矩的方向取向不一致,必然 增加交换能和磁晶各向异性能而构成畴壁能 量。全面考虑,要由退磁场能的降低和磁畴 壁能量的增加的利弊,即由他们共同决定的 能量极小条件来决定磁畴的数目。原则上讲, 在形成磁畴的过程中,磁畴的数目和磁畴的 尺寸、形状等,应由退磁场能和磁畴壁能的 平衡条件来决定。 以下作定量分析。
对于不同的磁畴,其自发磁化强度的方向是不同的。 因此,退磁场能尽量小的要求是磁畴形成的根本原 因。退磁场最小要求将磁体分成尽量多的磁畴;但 是形成磁畴以后,两个相邻磁畴之间存在着一定宽 度的过渡区域,在此区域磁化强度由一个磁畴的方 向逐渐过渡到另一个磁畴的方向。磁矩遵循能量最 低原理,按照一定的规律变化。这样的过渡区域称 为磁畴壁。
二、磁畴壁的类型
1.180畴壁 畴壁两侧磁畴的自发磁化矢量的方向互成180 角,这样的畴壁为180畴壁。单易磁化轴晶体 只有180畴壁,多轴晶体也有180畴壁。
2.90畴壁
畴壁两侧磁畴的自发磁化矢量方向不是180, 而是90,107,71等,一律称为90畴壁。
对于理想晶体每个磁畴的自发磁化矢量都处在 晶体的易磁化轴上。这里理想晶体是指:没有 外场作用;无应力或缺陷存在;均匀单相且无 非磁性相;无内部退磁场。 第二种,根据畴壁中磁矩的过渡方式不同,可 将畴壁分为布洛赫(Bloch Wall)壁和奈尔壁 (Neel Wall)两种。
z

2 A1
z
2
z 2
dz
z
因为
z
时 g( ) 0, 0
z
,得
g(
)


A1( z
)2
g(
)

A1
(

z
)2
此式具有非常重要的意义,表明畴壁内任一位置处磁
化矢量取向分布处于平衡稳定状态时,其交换能和磁
晶各向异性能在这一位置上是相等的。在整个畴壁中
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