磁疇結(jié)構(gòu)和磁化曲線市公開課獲獎?wù)n件

1、磁學與磁性材料（3） Magnetism and Magnetic Materials材料科學與工程學院李 軍10月1第1頁第1頁磁疇結(jié)構(gòu)和磁化曲線2第2頁第2頁磁疇結(jié)構(gòu)疇壁和疇壁能疇壁和疇壁能單軸晶體中Bloch壁厚度和疇壁能密度 鐵磁薄膜內(nèi)疇壁磁疇形成原因3第3頁第3頁磁疇形狀 片形疇 封閉疇 片形疇變異 封閉疇變異 三軸晶體中磁疇 不均勻物質(zhì)中磁疇 4第4頁第4頁磁化曲線技術(shù)磁化和反磁化疇壁位移磁化過程磁矩轉(zhuǎn)動磁化過程單晶體磁化過程單軸單晶體磁化過程 三軸晶體磁化過程 疇壁運動阻力5第5頁第5頁依據(jù)Weiss假設(shè)，在居里點溫度下列磁體都分成許多微小但卻是宏觀區(qū)域，在這些區(qū)域中存在著與某一

2、溫度相應(yīng)自發(fā)磁化強度，這種區(qū)域被稱之為磁疇。磁疇形狀、大小及它們之間搭配方式，統(tǒng)稱為磁疇結(jié)構(gòu)。磁性材料技術(shù)性能都是由磁疇結(jié)構(gòu)改變決定。研究磁疇結(jié)構(gòu)形狀和改變，對材料磁性改進起著指導性作用。6第6頁第6頁磁疇壁 鐵磁體中磁疇沿晶體易磁化方向進行磁化，那么在相鄰兩磁疇之間必定存在過渡層作為磁疇間分界，稱為疇壁。疇壁厚度約等于幾百個原子間距。疇壁是磁疇結(jié)構(gòu)主要構(gòu)成部分，它對磁疇大小、形狀以及相鄰磁疇關(guān)系等都有主要影響。鐵磁體中磁疇示意圖7第7頁第7頁鐵磁體中一個易軸上有兩個相反易磁化方向，兩個相鄰磁疇磁化方向正好相反，這兩個磁疇之間疇壁稱為180壁，也稱為Bloch壁。假如兩個磁疇磁化易軸互相垂直，

3、它們之間疇壁為90壁。假如鐵磁體易磁化方向是方向，兩個這樣方向相交109或71，則兩個相鄰磁疇易磁化方向也相差109或71，它們之間疇壁為109壁或71壁。8第8頁第8頁疇壁既然是一個過渡層，那它就有一定厚度。相鄰磁疇磁矩形成一定角度，那么從這一磁疇磁矩方向變到相鄰磁疇磁矩方向，是如何改變呢？也就疇壁內(nèi)原于磁矩是如何排列？假定在大塊樣品內(nèi)，疇壁表面和內(nèi)部都不出現(xiàn)磁荷(磁荷出現(xiàn)會使疇壁能量大大增長),疇壁內(nèi)原子磁矩只能采用特殊方式排列：每一原子磁矩在疇壁法線方向分量都必須相等。9第9頁第9頁180疇壁內(nèi)原子磁矩排列方式：所有原子磁矩都只在與疇壁平行原子面上改變方向，同一原子面磁矩方向則相同，它們

4、在疇壁法線方向分量都為零。原子磁矩在疇壁內(nèi)是逐步轉(zhuǎn)向。180疇壁內(nèi)原子磁矩方向改變示意圖10第10頁第10頁假如磁化強度取向從一個磁疇內(nèi)最后一個原子處0忽然轉(zhuǎn)變成相鄰磁疇第一個原子處180(這種情況也可理解為疇壁厚度很小，甚至為零)，即使磁化方向還是保持在磁疇易磁化方向，磁晶各向異性能沒有改變，但卻引起互換作用能急劇改變。Ba鐵氧體SmCo合金11第11頁第11頁跨過疇壁一對原子之間互換作用能為：假如材料Tc很高，如FeTc為1000K，玻爾磁子kB為9.2710-24Am2，則互換積分常數(shù) Eex數(shù)值在10-20J左右，疇壁能密度w通過計算大約在10-2J/m2左右，這比化學表面能大幾種數(shù)量

5、級，甚至不小于材料磁晶各向異性能。材料將尋找一個從一個磁疇到另外一個磁疇轉(zhuǎn)變時耗能較小磁化方式。12第12頁第12頁疇壁內(nèi)磁矩假如逐步改變，互換能可通過度布在180旋轉(zhuǎn)跨越若干自旋磁矩來減小。假如疇壁厚度為N個原子間距，則相鄰自旋將相差一個角度ij/N。當N較大時，互換能將變?yōu)椋哼@種自旋方式互換能相對于直接自旋轉(zhuǎn)向方式大約減小了1/N2；但不利之處于于原子磁矩逐步轉(zhuǎn)向引起磁晶各向異性能增長。系統(tǒng)總能量是互換能和磁晶各向異性能之和，疇壁厚度和疇壁能密度也主要由兩者擬定。13第13頁第13頁Bloch壁厚度和疇壁能密度 選直角坐標系Z軸與疇壁法向一致，則xy面為壁面。假如設(shè)為任一磁矩與易磁化方向間

6、夾角，則是z函數(shù)(z)，而任意兩個最近鄰磁矩間角度ij=a(d/dz)，a為晶格常數(shù)。Bloch壁內(nèi)原子磁矩方向改變14第14頁第14頁兩個近鄰原子磁矩從平行排列變到不平行排列，其互換能增長為：長度為dz疇壁內(nèi)有dz/a個磁矩自旋，因此一條線鏈上互換能為疇壁單位表面共有1/a2條線鏈，設(shè)F=AS2/a，則互換能密度為15第15頁第15頁單軸晶體磁晶各向異性能密度為Ek=K1Sin2，疇壁單位面積上磁晶各向異性能為：疇壁單位面積總能量為 16第16頁第16頁疇壁內(nèi)原子磁矩轉(zhuǎn)向方式必須滿足為最小時才干實現(xiàn)，即要求上式積分最小。將上式進行變分：對上式中一部分進行分步積分：17第17頁第17頁能夠認為

7、自旋開始轉(zhuǎn)向位置z1和轉(zhuǎn)向結(jié)束位置z2所相應(yīng)所相應(yīng)都等于零，因此上式變?yōu)椋河纱四軌虻玫剑毫?0，上式可變成：18第18頁第18頁朗道指出，疇壁厚度0總是比磁疇本身厚度d小得多，d/0趨近于。選疇壁中心為坐標原點，則在磁疇內(nèi)Z都是趨近于，因此設(shè)定下列邊界條件：當Z=-時，=0；當Z=+時，=；當Z=時，d/dz=0。將上式進行一次積分，得出19第19頁第19頁利用邊界條件，C=1，因此上式可變?yōu)椋簩⑸鲜竭M行積分：將上式進行代數(shù)改變，令20第20頁第20頁利用邊界條件能夠得到積分常數(shù)C=0上式表示單軸晶體180疇壁內(nèi)原子磁矩方向改變。 21第21頁第21頁單軸晶體180疇壁內(nèi)原子磁矩方向改變圖解如

8、圖所表示。由此可見，磁矩在壁內(nèi)方向改變，開始較慢，開始較快，至疇壁中央最快。 180疇壁內(nèi)原子磁矩改變22第22頁第22頁下表列出壁內(nèi)不同厚度磁矩方向。當壁厚為50時，磁矩方向改變就可從=9變?yōu)?171，即在此厚度內(nèi)，180壁磁矩方向改變已完成90%。Z-0.500.50-00622811732402613934Z-1.501.50-2.502.502506154549171180疇壁內(nèi)磁矩方向23第23頁第23頁由于而因此又由于24第24頁第24頁因而對于Co而言，利用上式，其K1=5105J/m2。F=410-7 J/m2，算得=1.79J/m2，這與實際測得1.6 J/m2相近。由此可見

9、，理論和試驗值相稱符合。25第25頁第25頁鐵磁薄膜內(nèi)疇壁鐵磁薄膜指是這樣一類材料：厚度不超出10-8-10-9m；晶粒邊界與晶體體積之比遠遠超出大塊材料同類數(shù)值之比存在一個臨界厚度，同樣材料，在小于臨界厚度時，磁性要發(fā)生改變 磁性薄膜器件-光盤薄膜合金磁頭26第26頁第26頁在計算Bloch壁厚度和能量密度中，假設(shè)疇壁與樣品表面交界處不出現(xiàn)磁荷，實際情況是要出現(xiàn)磁荷，但普通不考慮大塊樣品退磁能（大塊樣品厚度D比疇壁厚度大得多，疇壁平面內(nèi)退磁因子很小，因此退磁能能夠忽略不計）假如樣品是鐵磁薄膜，樣品厚度D比疇壁厚度大得多條件不成立，退磁能不能忽略?？紤]退磁能，薄膜疇壁特性會有明顯改變。27第2

10、7頁第27頁把疇壁近似看作長軸為D，短軸為無限長橢圓柱體，其長軸方向退磁能為Ed=0NM2/2，N為橢圓長軸方向退磁因子，且N=/(+D)?？紤]退磁能后疇壁能密度為：28第28頁第28頁假定疇壁內(nèi)相鄰原子磁矩之間夾角不變，即ij=a(d/dz)是常數(shù)，在180疇壁中d/dz=/，因而函數(shù)(z)= z/，將上式代入后得出： 29第29頁第29頁由于橢圓內(nèi)長軸方向磁化強度這里正弦平均是相對疇壁內(nèi)所有原子磁矩，即：因此30第30頁第30頁令/=0，可得疇壁厚度與相關(guān)參數(shù)關(guān)系：兩種極端情況下疇壁厚度B和疇壁能量B，當D趨近于時，得到： 當D趨近于0時，得到：31第31頁第31頁假如疇壁仍然是Bloch

11、話，那么伴隨樣品厚度減小，疇壁內(nèi)能量要升高。為了使疇壁內(nèi)能量減少，Neel提出了疇壁內(nèi)原子磁矩方向改變新模式，這種新方式就是原子磁矩方向改變在和樣品表面平行平面進行，但凡這樣疇壁被稱為Neel壁， 鐵磁薄膜內(nèi)Neel壁32第32頁第32頁按照上面討論過程，得到Neel壁能量和厚度，不同是Neel壁退磁因子變?yōu)镈/(D+)：也可求出兩種極端情況下疇壁厚度和能量：當D趨近于時，得到： 當D趨近于0時，得到：33第33頁第33頁當樣品厚度增長時，Bloch壁能量較低；當樣品厚度變薄時，出現(xiàn)Neel壁能量較低。Neel壁存在使樣品內(nèi)有了體積磁荷，它退磁場將影響到周圍原子磁矩取向，因此薄膜內(nèi)出現(xiàn)一個外形

12、象交叉刺特殊疇壁，稱為十字疇壁。 34第34頁第34頁十字疇壁實質(zhì)是在Neel壁上分成許多磁荷正負相間小段，它形成顯然是為減小Neel壁上磁荷影響。可是，當膜厚度進一步減小時，十字壁能量并不比Neel壁低了，當D200埃時，出現(xiàn)Neel壁；當200埃D1000埃，出現(xiàn)Bloch壁。十字壁磁力線35第35頁第35頁磁疇形成原因磁疇存在是磁體中各種能量共同作用結(jié)果。這些能量包括互換作用能、退磁能、磁晶各向異性能以及疇壁能等。36第36頁第36頁依據(jù)自發(fā)磁化理論，冷卻到居里點下列鐵磁體在不受到外場作用下，在互換作用能作用下，整個晶體應(yīng)當自發(fā)磁化到飽和。為減少晶體磁晶各向異性能和互換作用能，磁化應(yīng)沿著

13、晶體易磁化方向進行，如圖(a)所表示。磁疇起因37第37頁第37頁晶體是有一定形狀和尺寸，整個晶體均勻磁化造成結(jié)果是必定產(chǎn)生磁極，產(chǎn)生一個退磁場，如圖(a)所表示。退磁場出現(xiàn)給整個系統(tǒng)增長很大退磁能。對硅鋼片來說，設(shè)長與厚度之比為200，則長度方向退磁因子為0.0009，又設(shè)Ms1700kA/m，則Ed=0.7104J/m3，假如不分疇，單位體積退磁能達到104J左右。38第38頁第38頁為減少退磁能，晶體將分成兩個、四個或者多個磁矩互相平行反向區(qū)域，形成如圖(b)、(c)所表示片形疇結(jié)構(gòu)。退磁能大小與退磁因子N有密切關(guān)系。將磁體分成多個區(qū)域，退磁因子減小，退磁能將減小。假如磁體被分成n個區(qū)域

14、，經(jīng)統(tǒng)計計算，退磁能將減少到本來1/n。39第39頁第39頁在分疇后片形疇結(jié)構(gòu)中，端面上仍有磁荷，仍然存在退磁能，只是比不分疇時小得多。另外，在片形疇中還需要考慮疇壁能，其它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)相鄰原子磁矩同向排列，互換能也不需要考慮。分疇后單位體積退磁能與疇壁能和為5.6102J。40第40頁第40頁不能無限增大n值。n值越大，磁體被分成區(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)增長一定疇壁能。磁疇出現(xiàn)是疇壁能和退磁能相加等于極小值為條件。為進一步減少退磁能，試樣將在端表面形成封閉磁疇，如圖(d)、(e)所

15、表示。這種結(jié)構(gòu)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)總能量影響。 41第41頁第41頁封閉疇中磁矩方向與晶體中易磁化方向有很大偏離，因而封閉疇出現(xiàn)將增長系統(tǒng)磁晶各向異性能和磁彈性能。封閉疇出現(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結(jié)果。磁通量在樣品內(nèi)是閉合，樣品端面上沒有磁荷，因此沒有退磁能。樣品是立方晶體，封閉疇磁矩和主疇磁矩都是在易磁化方向上，磁晶各向異性能也沒有，此時要考慮只有疇壁能和磁彈性能。42第42頁第42頁磁彈性能出現(xiàn)是在于封閉疇在磁致伸縮時(自發(fā)形變)受到主疇擠壓而不能自由形變，相稱于一個內(nèi)應(yīng)力作用在封閉疇上，因此要考慮。封閉疇內(nèi)單位體積總能量便是

16、磁彈性能與疇壁能之和，其數(shù)量為1.2710J。43第43頁第43頁實際磁疇形成往往還要受到材料尺寸、晶界、應(yīng)力以及摻雜等原因影響，因而磁疇結(jié)構(gòu)還愈加復雜。要使一個系統(tǒng)從高磁能飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變到低磁能分疇狀態(tài)，但凡能夠造成系統(tǒng)能量減少也許性都也許是磁疇形成原因。44第44頁第44頁片形疇 樣品內(nèi)磁疇為片形，相鄰磁疇自發(fā)磁化強度成180，如圖所表示，僅需考慮退磁能和疇壁能。 片形磁疇理論模型45第45頁第45頁設(shè)疇大小為d，樣品厚度為L，則在樣品單位面積、厚度為L一個特定體積內(nèi)能量f為f=疇壁能+退磁能對上式求f/d=0，得到：46第46頁第46頁形成片形疇最小能量fmin： 試樣越薄，形成片形疇所需

17、要能量就越小。因此在鐵磁性薄膜中，假如薄膜足夠薄，磁疇很容易出現(xiàn)單疇，這和試驗所觀測現(xiàn)象是符合， Ba鐵氧體片形磁疇，L=8微米47第47頁第47頁封閉疇 封閉疇是變形片狀疇，它在端部形成閉合磁疇，封閉疇結(jié)構(gòu)由主疇和塞漏疇構(gòu)成中間部分為主疇，邊沿部分為塞漏疇，如圖所表示。 封閉疇理論模型48第48頁第48頁這種結(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。塞漏疇易磁化方向和主疇有較大偏離，因而增長了塞漏疇各向異性能。在樣品單位表面，厚度為L特定體積內(nèi)能量為f=主疇疇壁能+塞漏疇各向異性能+塞漏疇疇壁能49第49頁第49頁對上式求f/d=0，得到：把片形疇能量和封閉

18、疇能量加以對比對詳細材料而言，假如它單軸磁晶各向異性常數(shù)Ku1不小于飽和磁化強度Ms平方3.4210-7倍，則在該材料內(nèi)出現(xiàn)片形疇結(jié)構(gòu)是有利；反之出現(xiàn)封閉疇結(jié)構(gòu)是有利。50第50頁第50頁 Co是六角晶體，Ku1=5.1105J/m3，Ms=1.42106A/m，因此計算結(jié)果，有封閉疇時能量比沒有封閉疇時能量要低，因此在Co中應(yīng)當有封閉疇存在，事實也確是這樣。51第51頁第51頁Ba鐵氧體是六角晶體。它Ku1=3.2105J/m3，Ms=3.8105A/m，因此計算結(jié)果表明單純片形磁疇比有封閉疇時情況更穩(wěn)定，因此在Ba鐵氧體中應(yīng)當出現(xiàn)片形疇，事實也確是這樣，普通單軸各向異性鐵氧體都屬于這樣情況

19、。52第52頁第52頁當然，實際觀測到磁疇結(jié)構(gòu)遠不止片形疇和封閉疇，尚有各種各樣變形疇。為減少片形疇退磁能，將片形疇分成許多正長方體棋盤結(jié)構(gòu)；為減少退磁能，同時有不太增長疇壁能蜂窩狀疇結(jié)構(gòu)和波形疇等。詳細地說，只要能夠使磁疇能量減少，那么能夠形成各種形狀磁疇。53第53頁第53頁片形疇變異 在討論片形疇時，能夠看到片形疇能量主要是退磁能所占百分比較大，并且晶體厚度愈厚，能量愈高。因此，只有當晶體厚度小于10微米時，才干確保出現(xiàn)片形疇。假如晶體厚度不小于10微米，片形疇出現(xiàn)便沒有確保；而封閉疇出現(xiàn)使疇壁能也有所增長。為減少退磁能，同時又不增長太多疇壁能，磁疇結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出各種形狀，以確保進一步減少系

20、統(tǒng)能量。54第54頁第54頁蜂窩狀磁疇結(jié)構(gòu)是片形疇變異結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)特點是，每一蜂窩面為正六邊形，深度為L，如圖所表示。蜂窩疇結(jié)構(gòu)理論模型 55第55頁第55頁蜂窩內(nèi)自發(fā)磁化強度與蜂窩外自發(fā)磁化強度彼此反平行?？捎嬎懔朔涓C疇退磁能為0.666Ms2d10-7。在特定體積內(nèi)總能量為：56第56頁第56頁對上式求f/d=0，得到 由于片形疇和蜂窩疇能量較小，兩者比較靠近，試驗上能夠觀測到蜂窩疇，如右圖所表示 在Ba鐵氧體中觀測到蜂窩疇L=75微米57第57頁第57頁當晶體厚度不小于10微米時，片形疇結(jié)構(gòu)在能量上并不有利，因此往往被其它型式疇結(jié)構(gòu)所代替。除了蜂窩疇，還出現(xiàn)其它形式疇結(jié)構(gòu)。一個是含有

21、波紋疇壁結(jié)構(gòu)，即疇壁在樣品瑞面上是含有振幅波片，從端面向樣品中部邁進時，振幅逐步誠小，直至最后消失，如圖所表示。波紋疇結(jié)構(gòu)理論模型58第58頁第58頁這種結(jié)構(gòu)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。斯策克得到也許出現(xiàn)波紋疇結(jié)構(gòu)晶體厚度臨界尺寸L。當晶體厚度達到臨界尺寸時，片形疇便會被波紋疇所代替，這和實驗結(jié)果基本相符。Ba鐵氧體中波紋疇L=25微米59第59頁第59頁尚有一個是楔形-片形結(jié)構(gòu)，即在片形主疇端面上，再出現(xiàn)一個楔子形次級疇，如圖所表示。楔形疇結(jié)構(gòu)理論模型; 60第60頁第60頁卡澤對這種結(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，楔形-片形疇結(jié)構(gòu)是有利。為了進一步

22、減少系統(tǒng)退磁能，試驗中還觀測到了楔形-波形疇，如圖所表示。Ba鐵氧體中楔形-波紋疇，L=750微米61第61頁第61頁封閉疇變異 塞漏疇各向異性能與晶體厚度平方根成正比。這就是說，伴隨晶體厚度增長，塞漏疇各向異性能愈來愈大。為了減少這項能量，必須設(shè)想另一個封閉式磁疇結(jié)構(gòu)，使得晶體厚度增長時，塞漏疇各向異性能不會增長太多。62第62頁第62頁圖(a)是設(shè)想一個封閉式疇結(jié)構(gòu)在樣品端面上有兩類塞漏疇(這兩類塞漏疇是由圖(b)塞漏疇分裂而成，圖(a)虛線表示分裂前界線)在樣品內(nèi)部除主疇以外，還多了一個匕首疇，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)6

23、3第63頁第63頁在圖(a)結(jié)構(gòu)，匕首疇疇壁與主疇疇壁并不平行，匕首疇尖瑞會出現(xiàn)磁荷，因而需要考慮匕首疇退磁能。在圖(a)匕首封閉疇結(jié)構(gòu)中需要考慮能量有：兩類塞漏疇磁晶各向異性能主疇和匕首疇疇壁能匕首疇退磁能64第64頁第64頁設(shè)主疇寬度為d，第一類塞漏疇疇寬為d，第二類塞漏疇疇寬為(1-2) d，匕首疇長度為l，則在晶體單位表面，厚度為L特定體積內(nèi)，各種能量計算下列：65第65頁第65頁因此特定體積總能量為：66第66頁第66頁匕首疇總能量是主疇寬度L、塞漏疇分裂因子和匕首疇長度l函數(shù)。這些變數(shù)擬定以后，匕首封閉疇詳細尺寸也就擬定了。利用能量極小原理，可得到L、和l表示式。試驗中也觀測到了匕

24、首疇存在，如圖所表示。金屬Co中匕首疇67第67頁第67頁三軸晶體中磁疇在三軸晶體(001)面上，有兩個易磁化軸，因此主疇和塞漏疇自發(fā)磁化強度都在易磁化軸上，并且由于晶體長度方向就是100，因此磁疇結(jié)構(gòu)是典型封閉疇，如圖所表示。 三軸晶體封閉疇結(jié)構(gòu)68第68頁第68頁在這種情況下，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。材料自居里點冷下來時，發(fā)生自發(fā)形變。主疇和塞漏疇都要在其自發(fā)磁化強度方向上伸長；由于主疇和塞漏疇自發(fā)磁化強度彼此成90，因此形變方向互相牽制。由于主疇阻擋，塞漏疇不能自由變形，因此塞漏疇好象受到壓縮而增長了能量，因而系統(tǒng)能量中要考慮磁致伸縮能。69第69

25、頁第69頁在三軸單晶材料表面上，有時出現(xiàn)從疇壁界線出發(fā)，向兩邊磁疇作斜線伸展樹枝狀磁疇，如圖所表示，圖中pq線是兩個主疇之間疇壁界線。這種樹枝狀疇是一個附加疇，產(chǎn)生原因和封閉疇相同，中間立體矩形代表兩個相鄰磁疇情況，它們被疇壁間隔開，兩邊磁化方向是相反。樹枝狀磁疇從這個疇壁向左右伸展而形成。樹枝狀磁疇70第70頁第70頁產(chǎn)生樹枝狀磁疇原因是兩個主疇磁化方向與樣品表面不平行，有一個微小傾角。在圖中矩形體左右兩個面上，以及分畫出來CDD1C1和EFF1E1截面圖上，都用箭頭表示了這種傾角情況。樹枝狀磁疇產(chǎn)生71第71頁第71頁在左邊主疇中，磁化方向向上傾斜，因此表面左半部出現(xiàn)N極；右邊主疇磁化方向

26、同左邊磁疇磁化方向相反，它磁化方向向下傾斜，因而出現(xiàn)S極。由于左右兩個主疇磁化方向?qū)Ρ砻嫔杂袃A斜，在垂直于表面方向有微弱磁矩分量，表面上出現(xiàn)磁極。這使靠近表面疇壁左右區(qū)域產(chǎn)生了方向從N極到S極磁場，引起這個區(qū)域橫向磁化，產(chǎn)生了樹枝狀疇。72第72頁第72頁樹枝狀磁疇正如封閉疇那樣起減低退磁能作用。材料表面上假如有一系列很密樹枝狀疇，材料表面磁極會減少諸多，退磁能減低諸多。這樣會增長一些疇壁面積，疇壁能會有增長。但疇壁能增長少于退磁能減低，總能量還是減低。這種附加疇經(jīng)常在三軸晶體中出現(xiàn)。73第73頁第73頁不均勻物質(zhì)中磁疇 多晶體中晶粒方向是雜亂。通常每一晶粒中有許多磁疇，也有一個磁疇跨越兩個晶

27、粒。在同一晶粒內(nèi)，各磁疇磁化方向是有一定關(guān)系；在不同晶粒間，因為易磁化軸方向不同，磁疇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。 74第74頁第74頁下圖是多晶體中滋疇結(jié)構(gòu)簡樸示意圖，每一個晶粒分成片狀疇?？邕^晶粒邊界時，磁化方向雖轉(zhuǎn)了一個角度，但磁力線大多仍是連續(xù)。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。當然，為減少系統(tǒng)能量，多晶體磁疇結(jié)構(gòu)中還必定存在許多附加疇，形成復雜磁疇結(jié)構(gòu)。多晶體中磁疇75第75頁第75頁材料中出現(xiàn)非磁性夾雜物和空隙，磁疇結(jié)構(gòu)將復雜化。無論夾雜物和空隙形狀如何，在它們接觸面上都會出現(xiàn)磁極，因而會產(chǎn)生退磁場。在離磁極不

28、遠區(qū)域內(nèi)，退磁場方向同原有磁化方向有很大差別，這就造成這些區(qū)域在新方向上磁化，形成附著在夾雜物或空隙上楔型磁疇。楔型磁疇磁化方向垂直于主疇方向，它們之間為90壁。76第76頁第76頁夾雜物或空隙附近退磁場和楔形磁疇77第77頁第77頁技術(shù)磁化和反磁化 處于熱退磁狀態(tài)大塊鐵磁休(多晶體)在外磁場中磁化，當磁場由零逐步增長時，鐵磁體M或B也逐步增長，這個過程稱為技術(shù)磁化過程。反應(yīng)B與H或M與H關(guān)系曲線稱為磁化曲線，右圖是3SiFe在室溫時磁化曲線。3%SiFe磁化曲線，放大插圖為曲線第二部分Barkhausen跳躍78第78頁第78頁技術(shù)磁化過程大體可分為四個階段，每一個階段與一定疇結(jié)構(gòu)相相應(yīng)。疇

29、壁可逆位移，如圖中OA段所表示。在外磁場較小時候，對于自發(fā)磁化方向與外場相同或夾角小磁疇，由于處于靜磁能低有利地位，這種磁疇將發(fā)生擴張；相反，那些自發(fā)磁化方向與外場方向相反或成鈍角磁疇則縮小。79第79頁第79頁這個過程是通過疇壁遷移來完畢，通過疇壁遷移，材料在宏觀上顯示出微弱磁化。疇壁這種微小遷移是可逆，假如清除外場，磁疇結(jié)構(gòu)和宏觀磁化都將恢復到本來狀態(tài),該階段磁化曲線是線性。80第80頁第80頁疇壁不可逆位移如圖中AB段所表示。M和H曲線或者B和H曲線不再是線性，磁化曲線上升不久，樣品磁化強度急劇增長。19，Barkhausen指出這一階段是由許多M或B跳躍性改變構(gòu)成，事實上是疇壁不可逆跳

30、躍，稱為Barkhausen跳躍，或者是本來一些自發(fā)磁化方向與磁場成鈍角磁疇瞬時轉(zhuǎn)向到與磁場成銳角易磁化方向，由于大量元磁矩瞬時轉(zhuǎn)向，故表現(xiàn)出強烈磁化。81第81頁第81頁這個過程是不可逆，即使外磁場減少到0，疇壁位置或疇壁結(jié)構(gòu)也不會減小到零，而是出現(xiàn)剩磁，這種現(xiàn)象稱為磁滯。Fe磁化曲線和磁滯回線82第82頁第82頁磁疇磁矩轉(zhuǎn)動：如圖中BS段所表示。不可逆壁移階段結(jié)束后，即磁化到B點時，疇壁已消失，整個鐵磁體成為一個單疇體。但它磁化強度方向與外磁場方向不一致，因此隨磁化場進一步增長，磁矩逐步轉(zhuǎn)動到與外磁場一致方向。由于這個過程是要增長磁晶各向異性能而做功，因而轉(zhuǎn)動很困難，磁化也進行得很弱。83

31、第83頁第83頁磁疇磁矩轉(zhuǎn)動，既能夠是可逆，也能夠是不可逆。普通情況下，兩種過程同時發(fā)生于這一階段。當磁化到圖中S點時，磁體己磁化到技術(shù)飽和，這時磁化強度稱為飽和磁化強度Ms，相應(yīng)磁感應(yīng)強度稱為飽和磁感應(yīng)強度Bs。84第84頁第84頁順磁磁化階段：如圖中SC段所表示。這一階段特點是盡管外磁場增長很大，磁化強度增長卻很小。磁化強度增長一部分是由于磁疇磁矩轉(zhuǎn)動，一部分是由于磁疇內(nèi)元磁矩排列不整潔程度得到了改進。85第85頁第85頁磁化過程四個階段能夠歸結(jié)為兩種基本方式：疇壁位移和磁疇磁矩轉(zhuǎn)動。實際磁化中，這兩個過程也許發(fā)生在上述四個過程中任何一個階段。對于大多數(shù)磁性材料，磁化第一階段主要是疇壁可逆

32、位移；但對于一些磁導率不高鐵氧體，第一階段主要是磁矩可逆轉(zhuǎn)動。任何磁性材料磁化和反磁化，都是通過這兩種方式來實現(xiàn)，至于這兩種方式先后順序應(yīng)當視詳細情況而定。86第86頁第86頁鐵磁體通過外磁場磁化達到飽和以后，若將外磁場清除，磁化強度并不為零，而是出現(xiàn)一個剩余磁化強度，只有在反方向再加上磁場后，才干使磁化強度逐步回復到零。以上這些過程就是反磁化過程，它在各個階段情況，大體與磁化過程相類似，實質(zhì)也是疇壁位移和磁矩轉(zhuǎn)動過程。87第87頁第87頁由C點磁化狀態(tài)(+Ms)到C1點磁化狀態(tài)(-Ms)，稱為反磁化過程。與反磁化過程相相應(yīng)B-H曲線或M-H曲線稱為反磁化曲線。兩條反磁化曲線構(gòu)成閉合回線稱為磁

33、滯回線。反磁化曲線由四部分構(gòu)成。退磁曲線和磁滯回線88第88頁第88頁第一部分是CBr，當磁化場自C點減少到零時，每一個晶粒磁矩都轉(zhuǎn)動到該晶粒最靠近外場易磁化方向。在一些磁性材料中，在磁化場減少到零過程中，鐵磁體內(nèi)也可產(chǎn)生新反磁化疇。第二部分是BrD該階段也許是磁矩轉(zhuǎn)動過程，也也許是疇壁小巴克豪森跳躍，也也許有新反磁化疇形成。第三部分是DF，它是不可逆大巴克豪森跳躍。第四部分是FC1，它是磁矩轉(zhuǎn)動到反磁化場方向過程。89第89頁第89頁疇壁位移磁化過程 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，左疇磁矩與H向上分量一致，靜磁能較低；右疇靜磁能較高，疇壁從a位置右移到b

34、位置。ab間原屬于右疇，方向朝下磁矩轉(zhuǎn)到方向朝上而屬于左疇，增長磁場方向磁化強度。壁移磁化示意圖90第90頁第90頁疇壁位移過程實質(zhì)也是一個磁矩轉(zhuǎn)動過程。疇壁是相鄰磁疇之間磁矩逐步轉(zhuǎn)向過渡層。圖中左疇磁矩向上，右疇磁矩向下，疇壁向右移動，即左疇發(fā)生擴張。這個過程事實上是右疇靠近疇壁一層磁矩由本來朝下方向開始轉(zhuǎn)動，相繼進入疇壁區(qū)。與此同時，疇壁中磁矩也發(fā)生轉(zhuǎn)動，且最左邊一層磁矩最后完畢了轉(zhuǎn)動過程，脫離了疇壁區(qū)而加入了左疇行列。91第91頁第91頁應(yīng)當看到，所謂磁矩進入和脫離疇壁區(qū)，并不意味著磁矩挪動位置，只是通過方向改變來實現(xiàn)疇壁區(qū)遷移。壁移磁化本質(zhì)上也是磁矩轉(zhuǎn)動過程，但只是靠近疇壁磁矩局部地先

35、后轉(zhuǎn)動，并且從一個磁疇磁化方向到相鄰磁疇磁化方向轉(zhuǎn)過角度是一定，這和整個磁疇磁矩同時一致轉(zhuǎn)動有明顯區(qū)別。92第92頁第92頁在平衡狀態(tài)，磁體內(nèi)疇壁能密度分布如圖所表示。 疇壁處于能量最低位置。此時施加一個強度為H外場，該場與磁疇自發(fā)磁化方向之間夾角為，在磁場作用下，疇壁移動了x距離。單位面積疇壁移動x距離后，靜磁能改變?yōu)椋?疇壁運動中能量改變a磁場作用下180疇壁位移；b磁體內(nèi)部疇壁能不均勻分布c疇壁密度改變率93第93頁第93頁負號表示疇壁位移過程靜磁能是減少，因而靜磁能是疇壁位移驅(qū)動力。疇壁由于離開了能量最低位置，疇壁能將有所升高。疇壁移動了x距離后，系統(tǒng)能量改變?yōu)?將上式對x微分，并令

36、94第94頁第94頁式中左邊是靜磁能改變率，是推動疇壁移動驅(qū)動力，右邊是疇壁能梯度，是疇壁位移阻力。伴隨外場增大，疇壁位移增長，疇壁位移阻力也逐步增大。疇壁位移達到A點前，疇壁位移是可逆，在這個臨界點上，疇壁位移有很大阻力峰95第95頁第95頁一旦疇壁位移到了這個臨界點后，由于克服了最大阻力，它將發(fā)生Barkhausen跳躍，從而跳到另外一個臨界位置E點，面臨另外一個 AE中各點阻力都比A點小，既然驅(qū)動力能克服阻力最大地方，同樣驅(qū)動力自然能克服阻力較小地方。因此越過A點后，疇壁位移能夠達到E點。假如疇壁要想繼續(xù)移動，那就必須克服F點 。清除外場后，疇壁將不會回到本來位置，而是出現(xiàn)一定不可逆位移

37、，回到D點。96第96頁第96頁假如鐵磁體內(nèi)部存在一系列 ，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艌鰹榕R界場H0，可表示為： 97第97頁第97頁磁矩轉(zhuǎn)動磁化過程 疇壁移動實質(zhì)上是磁矩非一致性轉(zhuǎn)動過程，而這里磁矩轉(zhuǎn)動是磁疇內(nèi)磁矩發(fā)生一致性轉(zhuǎn)動過程。所謂一致轉(zhuǎn)動是指疇內(nèi)原子磁矩均勻一致地轉(zhuǎn)向外磁場方向。對于磁矩轉(zhuǎn)動而引起磁化事實上是靜磁能和磁晶各向異性能共同作用結(jié)果。 98第98頁第98頁從外磁場角度看，自發(fā)磁化強度應(yīng)盡也許與外場保持一致，即Ms與H夾角越小越好，因此在外場作用下磁矩會向外場以降低靜磁能；從磁晶各向異性能角度來看，希望磁化強度盡也許與易

38、磁化軸保持一致，磁矩向外磁場轉(zhuǎn)動使磁矩偏離了磁疇易磁化方向，從而提升了磁晶各向異性能。兩種能量作用結(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某一個角度上。99第99頁第99頁磁矩轉(zhuǎn)動也包括可逆轉(zhuǎn)動和不可逆轉(zhuǎn)動。普通來說，在低場作用下是可逆轉(zhuǎn)動；磁矩要發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)動，磁場應(yīng)不小于臨界場H0，或外場方向與原始磁化強度方向夾角90。一個單軸單疇體易磁化軸沿X軸正方向，如圖所表示?，F(xiàn)在沿X軸負方向施加一個磁場，并且在該場作用下，Ms偏離易磁化方向角。單軸單疇體反磁化100第100頁第100頁系統(tǒng)總能量為磁晶各向異性能與靜磁能之和：當H一定后，取值應(yīng)使E為最小，因而對上式取一階微分和二階微分，

39、得到：令dE/d=0，由此得到=0或者=180。當=0時，令d2E/d20，則有：當=180時，令d2E/d20，則有：101第101頁第101頁當磁化場從0增加到 以前，單疇體磁化強度停留在=0處。當反磁化場一旦增加到 時，磁矩馬上反轉(zhuǎn)180。這是一個不可逆轉(zhuǎn)動，對于其它類單疇體，也有類似臨界場表示式，只不過是Ku不同而已。 102第102頁第102頁單軸單晶體磁化過程 磁性材料中，有諸多是屬于單軸單晶體，如BaOFe2O3、Co以及SmCo合金等。在這些單軸單晶體中，只要它磁晶各向異性常數(shù)比飽和磁化強度大諸多，單晶體中磁疇結(jié)構(gòu)就很也許是片形疇。因此，單軸單晶體磁化主要是片形疇在磁化過程中運

40、動改變。103第103頁第103頁片形疇在磁化過程中運動改變第一階段是磁場較小時可逆疇壁移動，在這一過程中，伴隨外磁場增長，正向疇疇寬開始增長緩慢，以后增長不久；反向疇疇寬則始終改變不大。第二階段是伴隨磁場增長，片狀反向疇忽然收縮為圓柱形磁疇，這一階段改變是不可逆壁移和疇轉(zhuǎn)。104第104頁第104頁第三個階段是伴隨磁場繼續(xù)增長，圓柱形磁疇逐步減小，直至最后消失，整個樣品被飽和磁化。假如將外場減少，樣品磁化強度并不減少，而是維持飽和狀態(tài)，直至磁場減少到某一值時，才忽然出現(xiàn)許多反向片狀磁疇，使樣品磁化強度快速減少。繼續(xù)減小磁場，磁化強度繼續(xù)減少，最后為零。105第105頁第105頁三軸晶體磁化過

41、程 易磁化軸有三個單晶體稱為三軸單晶體，工業(yè)上有主要應(yīng)用電工硅鋼片和鐵單晶體等都是三軸單晶體。對于該類晶體，磁疇自發(fā)磁化方向有各種選擇，因此磁疇結(jié)構(gòu)比較復雜，但能夠必定是，為了減少退磁能，磁疇中普通有封閉疇出現(xiàn)。因此，三軸單晶體磁化主要考慮封閉疇對其磁化影響。106第106頁第106頁經(jīng)試驗證實，三軸單晶體磁疇結(jié)構(gòu)主要是變形片形疇(截面是菱形或平行四邊形)，兩端連接著不同封閉疇，如圖所表示。退磁狀態(tài)下三軸單晶體抱負磁疇結(jié)構(gòu)107第107頁第107頁封閉疇有兩種，一個是H=0時存在q型封閉疇，它出現(xiàn)主要是為減少主疇退磁能；另一個是加上外場后才出現(xiàn)p型封閉疇，它出現(xiàn)主要是為了減少靜磁能。加上外場后

42、三軸單晶體磁疇結(jié)構(gòu)108第108頁第108頁由于外場作用對q型封閉疇不利，因而在磁化第一階段，必定是通過疇壁移動使q型封閉疇體積逐步縮小，而p型封閉疇體積逐步增大。當磁場進一步加大時，主疇自發(fā)磁化強度會向磁場方向轉(zhuǎn)動，這就是磁矩轉(zhuǎn)動過程。最后，當磁場繼續(xù)增長時，自發(fā)磁化強度與外磁場一致，整個樣品就達到飽和磁化。109第109頁第109頁在多晶體磁化過程中，磁疇結(jié)構(gòu)及其運動改變極難用一個模型加以概括，因此只能分析磁化基本方式。然而多晶體磁化方式也是壁移磁化和疇轉(zhuǎn)磁化，有所不同是，多晶體在磁化過程中有更多妨礙疇壁運動原因。110第110頁第110頁疇壁運動阻力從能量觀點來看，假如疇壁移動伴伴隨某種能量增長話，則這種移動是不利，這是由于有某種能量增長將阻礙疇壁運動。引起疇壁能量增長原因有諸多，較為常見是內(nèi)應(yīng)力、摻雜以及材料非均勻區(qū)等原因。111第111頁第111頁內(nèi)應(yīng)力阻礙疇壁運動 多晶材料中晶格畸變、機械加工、壓延軋制、磁致伸縮等都會引起材料內(nèi)應(yīng)力i出現(xiàn)，由此將通過三種方式引起能量增長。磁彈性能增