课件：第讲磁晶各向异性和磁轴伸缩.ppt

第八章 磁性物理 在其他章节中，对物质的导电性能等进行了介绍。本章将介绍物质的磁性。着重介绍物质的磁性来源，原子磁矩的计算，各种材料中原子磁矩的计算原则。进一步介绍物质磁性的分类，抗磁性概念，顺磁性的居里外斯定理，铁磁性的分子场理论，物质铁磁性的来源，亚铁磁性的超交换理论。也介绍了铁磁性物质内部的能量和磁畴的形成。 本章提要 8.6 铁磁体中的磁晶各向异性、磁致伸缩 交换作用能使铁磁物质中晌相邻原子磁矩同向平行(铁磁性耦合)或反向平行(反铁磁性耦合)排列，在磁畴范围内使原子磁矩自发磁化到饱和，但不可能使整个大块的铁磁体自发磁化到饱和。 8.6 铁磁体中的磁晶各向异性、磁致伸缩 交换作用能使铁磁物质中晌相邻原子磁矩同向平行(铁磁性耦合)或反向平行(反铁磁性耦合)排列，在磁畴范围内使原子磁矩自发磁化到饱和，但不可能使整个大块的铁磁体自发磁化到饱和。 大块铁磁体磁化到饱和后，退磁能要大大地提高，它迫使铁磁体分成畴。磁畴的大小、形状、取向与铁磁体的磁晶各向异性能、退磁场能、磁弹性能、交换能等有关。 交换能是近程的，属于静电性质的，其数值比其它各项能量大3~4个数量级。其它各项能量属于静磁相互作用性质的。 1．磁晶各向异性能 在单晶体的不同晶体学方向上，其光学、电学、热膨胀、力学和磁学性能都不同。这种特性称为晶体的各向异性 单晶体的磁性各向异性称为磁晶各向异性(magnetic anisotropy) 磁晶各向异性能Ek定义为饱和磁化强度矢量在铁磁体中取不同方向而改变的能量。很明显，磁晶各向异性能是磁化强度方向的函数。 图8.13Fe单晶在不同晶轴方向的磁化曲线 对立方晶体，α1，α2，α3分别是磁化强度与三个晶轴的方向余弦，将它按泰勒级数展开，并用晶体的对称性和三角函数的关系式演算，可得： Ek= K1 (α12α22+α22α32+α32α12)　　　　　+ K2 (α12α22α32) 式中K1, K2称为磁场晶各向异性常数。当K2很小时，可以只用K1来描述立方晶体的磁晶各向异性能Ek 对于六角晶体，如果易磁化轴是晶体的六重对称轴，那么易磁化轴只有一个，所以称为单轴晶体。单轴晶体磁晶各向异性能是sinθ的函数，即Ek=f(θ)。将此式按泰勒级数展开 Ek= Ku1 sinθ2+ Ku2 sinθ4 磁晶各向异性常数K1和K2或K1+K2是衡量材料的磁各向异性大小的重要常数，它的大小与晶体的对称性有关。晶体的对称性越低，它的K1+K2的数值越大。K1和K2是内禀特性，主要决定于材料的成分 用自旋-轨道相互作用解释磁晶各向异性的起源的中心思想 磁晶各向异性和晶体场对电子轨道运动的影响有关。一方面电子轨道磁矩产生的磁场对电子自旋运动作用，使轨道和自旋间存在耦合作用；另一方面电子轨道平面受晶体场作用能量简并被消除,这两方面的作用叠加在一起，就使得原子磁矩倾向于在晶体的某些方向上能量最低，而在另一些方向上能量高。原子磁矩能量低的方向为易磁化方向，而能量高的方向为难磁化方向。在无外磁场作用的平衡状态下，原子磁矩倾向于在易磁化方向上 稀土元素的轨道磁矩没有淬灭，所以轨道和自旋间存在耦合作用很强，它的磁晶各向异性要大于3d过渡族元素。利用它的大磁晶各向异性，可以制备永磁材料。 2　退磁场能 实验表明，磁性材料被磁化后，只要材料不是闭合形状或者无限长，材料内部的总磁场H将小于外磁场He 这是因为非闭合的磁性材料被磁化后在其端面将会有正负磁荷出现。这些磁荷将在材料内外产生一个退磁场Hd，Hd的方向在材料内部与He和M方向向反，其作用是削弱外磁场。退磁场越大，材料磁化越不容易 开路磁体的退磁场 退磁场Hd和材料的磁化强度，材料的形状成正比： ?Hd=NＭ? 这里N称退磁因子，式中的负号表示Ｈd与Ｍ的方向相反 THANK YOU SUCCESS * * 可编辑 当材料均均磁化时，退磁因子仅和其形状有关。 椭圆形材料的3个主轴方向a,b,c的退磁因子有如下关系： Na+Nb+Nc=1 薄片：Nx=Ny=0,Nz=1； 球：Nx=Ny=Nz=1/3； 棒：Nx=Ny=1/2, Nz=0。 当材料均均磁化时，退磁因子仅和其形状有关 如果材料不是均均磁化，则退磁因子不仅和尺寸有关，还和材料的磁导率有关 铁磁性材料与自身退磁场的相互作用能？称为退磁场能。 Ed=∫μ0HddM=μ0NMs2/2 3　磁致伸缩和磁弹性能 在磁场中磁化时，铁磁体的尺寸或体积发生变化的现象称为磁致伸缩 用纵向磁致伸缩系数λ=Δl/l来描述铁磁体的磁致伸缩。磁致伸缩系数随磁场的增强而增加，当磁场达到一定数值后，它达到饱和值，称为饱和磁致伸缩系数λs 立方晶体的磁致伸缩系数的表达式： λs=λ100*3/2(α12β1