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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,磁学与磁性材料（3）,Magnetism and Magnetic Materials,材料科学与工程学院,李 军,年10月,1,第1页,磁畴结构和磁化曲线,2,第2页,磁畴结构,畴壁和畴壁能,畴壁和畴壁能,单轴晶体中Bloch壁厚度和畴壁能密度,铁磁薄膜内畴壁,磁畴形成原因,3,第3页,磁畴形状,片形畴,封闭畴,片形畴变异,封闭畴变异,三轴晶体中磁畴,不均匀物质中磁畴,4,第4页,磁化曲线,技术磁化和反磁化,畴壁位移磁化过程,磁矩转动磁化过程,单晶体磁化过程,单轴单晶体磁化过程,三轴晶体磁化过程,畴壁运动阻力,5,第5页,依据Weiss假设，在,居里点温度以下,磁体都分成许多,微小但却是宏观区域,，在这些区域中,存在着与某一温度对应自发磁化强度,，这种区域被称之为,磁畴,。,磁畴,形状、大小及它们之间搭配方式,，统称为,磁畴结构,。,磁性材料技术性能都是由磁畴结构改变决定。研究磁畴结构形状和改变，对材料磁性改进起着指导性作用。,6,第6页,磁畴壁,铁磁体中磁畴沿晶体易磁化方向进行磁化，那么在,相邻两磁畴之间,必定存在,过渡层,作为磁畴间分界，称为,畴壁,。,畴壁厚度,约等于几百个原子间距。,畴壁是磁畴结构主要组成部分,，它对,磁畴大小、形状以及相邻磁畴关系,等都有主要影响。,铁磁体中磁畴示意图,7,第7页,铁磁体中一个易轴上有两个相反易磁化方向，两个相邻磁畴磁化方向恰好相反，这两个磁畴之间畴壁称为180壁，也称为,Bloch壁,。,假如两个磁畴磁化易轴相互垂直，它们之间畴壁为,90壁,。,假如铁磁体易磁化方向是方向，两个这么方向相交109或71，则两个相邻磁畴易磁化方向也相差109或71，它们之间畴壁为,109壁或71壁,。,8,第8页,畴壁既然是一个过渡层，那它就有一定厚度。,相邻磁畴磁矩形成一定角度，,那么从这一磁畴磁矩方向变到相邻磁畴磁矩方向，是怎样改变呢,？也就,畴壁内原于磁矩是怎样排列,？,假定,在大块样品内，,畴壁表面和内部都不出现磁荷,(磁荷出现会使畴壁能量大大增加),畴壁内原子磁矩只能采取特殊方式排列：,每一原子磁矩在畴壁法线方向分量都必须相等,。,9,第9页,180畴壁内原子磁矩排列方式：全部原子磁矩,都只在与畴壁平行原子面上改变方向,，同一原子面磁矩方向则相同，,它们在畴壁法线方向分量都为零,。,原子磁矩在畴壁内是逐步转向。,180畴壁内原子磁矩方向改变示意图,10,第10页,假如磁化强度取向从一个磁畴内最终一个原子处0突然转变成相邻磁畴第一个原子处180(这种情况也可了解为畴壁厚度很小，甚至为零)，即使磁化方向还是保持在磁畴易磁化方向，,磁晶各向异性能,没有改变，但却引发,交换作用能,急剧改变,。,Ba铁氧体,SmCo合金,11,第11页,跨过畴壁一对原子之间交换作用能为：,假如材料T,c,很高，如FeT,c,为1000K，玻尔磁子k,B,为9.27,10,-24,Am,2,，则交换积分常数,E,ex,数值在10,-20,J左右，畴壁能密度,w,经过计算大约在10,-2,J/m,2,左右，这比化学表面能大几个数量级，甚至大于材料磁晶各向异性能。,材料将寻找一个,从一个磁畴到另外一个磁畴转变时,耗能较小磁化方式,。,12,第12页,畴壁内磁矩假如逐步改变，,交换能可经过分布在180旋转跨越若干自旋磁矩来减小,。,假如畴壁厚度为,N,个原子间距，则相邻自旋将相差一个角度,ij,/N。,当N较大时，交换能将变为：,这种自旋方式交换能相对于直接自旋转向方式大约,减小了1/N,2,；但不利之处于于,原子磁矩逐步转向引发磁晶各向异性能增加,。,系统总能量是交换能和磁晶各向异性能之和，畴壁厚度和畴壁能密度也主要由二者确定。,13,第13页,Bloch壁厚度和畴壁能密度,选直角坐标系Z轴与畴壁法向一致，则xy面为壁面。,假如设为任一磁矩与易磁化方向间夹角，则是z函数(z)，而任意两个最近邻磁矩间角度,ij,=a(d/dz)，a为晶格常数。,Bloch壁内原子磁矩方向改变,14,第14页,两个近邻原子磁矩从平行排列变到不平行排列，其交换能增加为：,长度为dz畴壁内有dz/a个,磁矩自旋，所以一条线链上交换能为,畴壁单位表面共有1/a,2,条线链，设F=AS,2,/a，则交换能密度为,15,第15页,单轴晶体磁晶各向异性能密度为E,k,=K,1,Sin,2,，,畴壁单位面积上磁晶各向异性能为：,畴壁单位面积总能量为,16,第16页,畴壁内原子磁矩转向方式必须满足,为最小时才能实现，即要求上式积分最小。,将上式进行变分：,对上式中一部分进行分步积分：,17,第17页,能够认为自旋开始转向位置z,1,和转向结束位置z,2,所对应所对应,都等于零,，所以上式变为：,由此能够得到：,令,=0,，上式可变成：,18,第18页,朗道指出，畴壁厚度,0,总是比磁畴本身厚度d小得多，d/,0,趋近于。,选畴壁中心为坐标原点，则在磁畴内Z都是趋近于，所以设定以下边界条件：,当Z=-时，=0；,当Z=+时，=；,当Z=时，d/dz=0。,将上式进行一次积分，得出,19,第19页,利用边界条件，C=1，所以上式可变为：,将上式进行积分：,将上式进行代数改变，令,20,第20页,利用边界条件能够得到积分常数C=0,上式表示单轴晶体180畴壁内原子磁矩方向改变。,21,第21页,单轴晶体180畴壁内原子磁矩方向改变图解如图所表示。由此可见，磁矩在壁内方向改变，开始较慢，开始较快，至畴壁中央最快。,180畴壁内原子磁矩改变,22,第22页,下表列出壁内不一样厚度磁矩方向。当壁厚为5,0,时，磁矩方向改变就可从=9变为=171，即在此厚度内，180壁磁矩方向改变已完成90%。,Z,-0.5,0,0.5,0,-,0,0,6228,11732,4026,13934,Z,-1.50,1.50,-2.50,2.50,2506,15454,9,171,180畴壁内磁矩方向,23,第23页,因为,而,所以,又因为,24,第24页,因而,对于Co而言，利用上式，其K,1,=510,5,J/m,2,。F=410,-7,J/m,2,，算得=1.79J/m,2,，这与实际测得1.6 J/m,2,相近。,由此可见，理论和试验值相当符合。,25,第25页,铁磁薄膜内畴壁,铁磁薄膜,指是这么一类材料：,厚度不超出10,-8,-10,-9,m；,晶粒边界与晶体体积之比远远超出大块材料同类数值之比,存在一个临界厚度，一样材料，在小于临界厚度时，磁性要发生改变,磁性薄膜器件-光盘,薄膜合金磁头,26,第26页,在计算Bloch壁厚度和能量密度中，,假设,畴壁与样品表面交界处不出现磁荷，,实际情况是要出现磁荷,，但,普通不考虑大块样品退磁能,（大块样品厚度D比畴壁厚度,大得多,，畴壁平面内,退磁因子很小,，所以退磁能能够忽略不计）,假如样品是,铁磁薄膜,，样品厚度D比畴壁厚度大得多条件不成立，,退磁能不能忽略,。,考虑退磁能，薄膜畴壁特征会有显著改变。,27,第27页,把,畴壁近似看作长轴为D，短轴为无限长椭圆柱体,，其长轴方向退磁能为E,d,=,0,NM,2,/2，N为椭圆长轴方向退磁因子，且N=/(+D)。,考虑退磁能后畴壁能密度为：,28,第28页,假定畴壁内相邻原子磁矩之间夹角不变，即,ij,=a(d/dz)是常数，在180畴壁中d/dz=/，因而函数(z)=z/，,将上式代入后得出：,29,第29页,因为椭圆内长轴方向磁化强度,这里正弦平均是相对畴壁内全部原子磁矩，即：,所以,30,第30页,令/=0，可得畴壁厚度与相关参数关系：,两种极端情况下畴壁厚度,B,和畴壁能量,B,，,当D趋近于时，得到：,当D趋近于0时，得到：,31,第31页,假如畴壁依然是Bloch话，那么伴随样品厚度减小，畴壁内能量要升高。,为了使畴壁内能量降低，Neel提出了畴壁内原子磁矩方向改变新模式，,这种新方式就是原子磁矩方向改变在和样品表面平行平面进行，凡是这么畴壁被称为,Neel壁,，,铁磁薄膜内Neel壁,32,第32页,按照上面讨论过程，得到Neel壁能量和厚度，不一样是Neel壁退磁因子变为D/(D+)：,也可求出两种极端情况下畴壁厚度和能量：,当,D,趋近于时，得到：,当,D,趋近于0时，得到：,33,第33页,当样品厚度增加时，Bloch壁能量较低；,当样品厚度变薄时，出现Neel壁能量较低,。,Neel壁存在使样品内有了体积磁荷，它退磁场将影响到周围原子磁矩取向，所以薄膜内出现一个外形象交叉刺特殊畴壁，称为,十字畴壁,。,34,第34页,十字畴壁实质是在Neel壁上分成许多磁荷正负相间小段，它形成显然是为减小Neel壁上磁荷影响。可是，当膜厚度深入减小时，十字壁能量并不比Neel壁低了，,当D200埃时，出现Neel壁；,当200埃D1000埃，出现Bloch壁。,十字壁磁力线,35,第35页,磁畴形成原因,磁畴存在是磁体中各种能量共同作用结果,。,这些能量包含,交换作用能、退磁能、磁晶各向异性能以及畴壁能,等。,36,第36页,依据自发磁化理论，冷却到居里点以下铁磁体在不受到外场作用下，在交换作用能作用下，整个晶体应该自发磁化到饱和。,为降低晶体磁晶各向异性能和交换作用能，磁化应沿着晶体易磁化方向进行，如图(a)所表示。,磁畴起因,37,第37页,晶体是有一定形状和尺寸，,整个晶体均匀磁化造成结果是必定产生磁极,，产生一个退磁场，如图(a)所表示。,退磁场出现给整个系统增加很大退磁能。对硅钢片来说，设长与厚度之比为200，则长度方向退磁因子为0.0009，又设M,s,1700kA/m，则E,d,=0.710,4,J/m3，,假如不分畴，单位体积退磁能到达,10,4,J,左右。,38,第38页,为降低退磁能，晶体将分成两个、四个或者多个磁矩相互平行反向区域，形成如图(b)、(c)所表示片形畴结构。,退磁能大小与退磁因子N有亲密关系。将磁体分成多个区域，退磁因子减小，退磁能将减小。,假如磁体被分成,n,个区域，经统计计算，退磁能将降低到原来1/n,。,39,第39页,在分畴后片形畴结构中，端面上仍有磁荷，依然存在,退磁能,，只是比不分畴时小得多。,另外，在片形畴中还需要考虑,畴壁能,，,其它能量就不需要考虑了,。,磁矩在易磁化方向，,磁晶各向异性能,为零；,没有应力，,磁弹性能,为零；,畴内相邻原子磁矩同向排列，,交换能,也不需要考虑。,分畴后单位体积退磁能与畴壁能和为,5.610,2,J,。,40,第40页,不能无限增大n值,。,n值越大，磁体被分成区域越多，磁畴就越多，因为相邻畴壁之间存在磁畴壁，这又将给系统增加一定畴壁能。,磁畴出现是畴壁能和退磁能相加等于极小值为条件,。,为深入降低退磁能，试样将在端表面形成,封闭磁畴,，如图(d)、(e)所表示。这种结构形成允许磁通量完全保持在试样内，从而,完全消除退磁能,对系统总能量影响,。,41,第41页,封闭畴中磁矩方向与晶体中易磁化方向有很大偏离，因而封闭畴出现将增加系统磁晶各向异性能和磁弹性能。,封闭畴出现是使退磁能、磁晶各向异性能和磁弹性能相加得到最小值结果,。,磁通量在样品内是闭合，样品端面上没有磁荷，所以,没有退磁能,。,样品是立方晶体，封闭畴磁矩和主畴磁矩都是在易磁化方向上，,磁晶各向异性能也没有,，,此时要考虑,只有畴壁能和磁弹性能,。,42,第42页,磁弹性能出现是在于封闭畴在磁致伸缩时(自发形变)受到主畴挤压而不能自由形变，相当于一个内应力作用在封闭畴上，所以要考虑。,封闭畴内单位体积总能量便是磁弹性能与畴壁能之和，其数量为,1.2710J,。,43,第43页,实际磁畴形成往往还要受到,材料尺寸、晶界、应力以及掺杂等,原因影响，因而磁畴结构还愈加复杂。,要使一个系统从高磁能饱和状态转变到低磁能分畴状态，,凡是能够造成系统能量降低可能性都可能是磁畴形成原因,。,44,第44页,片形畴,样品内磁畴为片形，相邻磁畴自发磁化强度成180，如图所表示，,仅需考虑退磁能和畴壁能,。,片形磁畴理论模型,45,第45页,设畴大小为d，样品厚度为L，则在样品单位面积、厚度为L一个特定体积内能量f为,f=畴壁能+退磁能,对上式求f/d=0，得到,：,46,第46页,形成片形畴最小能量f,min,：,试样越薄，形成片形畴所需要能量就越小。所以在铁磁性薄膜中，假如薄膜足够薄，磁畴很轻易出现单畴，这和试验所观察现象是符合，,Ba铁氧体片形磁畴，L=8微米,47,第47页,封闭畴,封闭畴是变形片状畴,，它在端部形成闭合磁畴，封闭畴结构由主畴和塞漏畴组成中间部分为主畴，边缘部分为塞漏畴，如图所表示。,封闭畴理论模型,48,第48页,这种结构使磁通量闭合在样品内部，不向空间发散，所以端面上不出现磁荷，,退磁能为零,。,塞漏畴易磁化方向和主畴有较大偏离，因而,增加了塞漏畴各向异性能,。,在样品单位表面，厚度为L特定体积内能量为,f,=主畴畴壁能+塞漏畴各向异性能,+塞漏畴畴壁能,49,第49页,对上式求,f/d=0,，得到：,把片形畴能量和封闭畴能量加以对比,对详细材料而言，假如它单轴磁晶各向异性常数K,u1,大于饱和磁化强度M,s,平方3.4210,-7,倍，则在该材料内出现片形畴结构是有利；反之出现封闭畴结构是有利。,50,第50页,Co是六角晶体，K,u1,=5.110,5,J/m,3,，M,s,=1.4210,6,A/m，所以,计算结果，有封闭畴时能量比没有封闭畴时能量要低，所以在Co中应该有封闭畴存在，事实也确是这么。,51,第51页,Ba铁氧体是六角晶体。它K,u1,=3.210,5,J/m,3,，M,s,=3.810,5,A/m，所以,计算结果表明单纯片形磁畴比有封闭畴时情况更稳定，所以在Ba铁氧体中应该出现片形畴，事实也确是这么，普通单轴各向异性铁氧体都属于这么情况。,52,第52页,当然，实际观察到磁畴结构远不止片形畴和封闭畴，还有各种各样变形畴。,为降低片形畴退磁能，将片形畴分成许多正长方体棋盘结构；,为降低退磁能，同时有不太增加畴壁能蜂窝状畴结构和波形畴等。,详细地说，只要能够使磁畴能量降低，那么能够形成各种形状磁畴,。,53,第53页,片形畴变异,在讨论片形畴时，能够看到片形畴能量主要是退磁能所占百分比较大，而且晶体厚度愈厚，能量愈高。所以，只有当晶体厚度小于10微米时，才能确保出现片形畴。,假如晶体厚度大于10微米，片形畴出现便没有确保；而封闭畴出现使畴壁能也有所增加。,为降低退磁能，同时又不增加太多畴壁能，磁畴结构展现出各种形状，,以确保深入降低系统能量。,54,第54页,蜂窝状磁畴,结构是片形畴变异结构，这种结构特点是，每一蜂窝面为正六边形，深度为L，如图所表示。,蜂窝畴结构理论模型,55,第55页,蜂窝内自发磁化强度与蜂窝外自发磁化强度彼此反平行,。,卡泽计算了蜂窝畴退磁能为0.666M,s,2,d10,-7,。,在特定体积内总能量为：,56,第56页,对上式求,f/d=0,，得到,因为片形畴和蜂窝畴能量较小，二者比较靠近，试验上能够观察到蜂窝畴，如右图所表示,在Ba铁氧体中观察到蜂窝畴,L=75微米,57,第57页,当晶体厚度大于10微米时，片形畴结构在能量上并不有利，所以往往被其它型式畴结构所代替。除了蜂窝畴，还出现其它形式畴结构。,一个是含有,波纹畴壁,结构，即畴壁在样品瑞面上是含有振幅波片，从端面向样品中部前进时，振幅逐步诚小，直至最终消失，如图所表示。,波纹畴结构理论模型,58,第58页,这种结构出现，首先能够降低退磁能，另首先又能够降低畴壁能。,斯策克得到可能出现波纹畴结构晶体厚度临界尺寸L。当晶体厚度到达临界尺寸时，片形畴便会被波纹畴所代替，这和试验结果基本相符。,Ba铁氧体中波纹畴,L=25微米,59,第59页,还有一个是,楔形-片形结构,，即在片形主畴端面上，再出现一个楔子形次级畴，如图所表示。,楔形畴结构理论模型;,60,第60页,卡泽对这种结构也估算了临界尺寸，该尺寸下片形畴结构是不利，楔形-片形畴结构是有利。,为了深入降低系统退磁能，试验中还观察到了楔形-波形畴，如图所表示。,Ba铁氧体中楔形-波纹畴，L=750微米,61,第61页,封闭畴变异,塞漏畴各向异性能与晶体厚度平方根成正比。这就是说，,伴随晶体厚度增加，塞漏畴各向异性能愈来愈大,。,为了降低这项能量，必须构想另一个封闭式磁畴结构，使得晶体厚度增加时，塞漏畴各向异性能不会增加太多。,62,第62页,图(a)是构想一个封闭式畴结构在样品端面上有两类塞漏畴(这两类塞漏畴是由图(b)塞漏畴分裂而成，图(a)虚线表示分裂前界限),在样品内部除主畴以外，还多了一个匕首畴，所以把这种畴结构称为,匕首封闭畴,。,(a),(a)变异封闭畴-匕首畴结构：(b)普通封闭畴,(b),63,第63页,在图(a)结构，匕首畴畴壁与主畴畴壁并不平行，匕首畴尖瑞会出现磁荷，因而需要考虑匕首畴退磁能。,在图(a)匕首封闭畴结构中需要考虑能量有：,两类塞漏畴磁晶各向异性能,主畴和匕首畴畴壁能,匕首畴退磁能,64,第64页,设主畴宽度为d，第一类塞漏畴畴宽为d，第二类塞漏畴畴宽为(1-2)d，匕首畴长度为l，则在晶体单位表面，厚度为L特定体积内，各种能量计算以下：,65,第65页,所以特定体积总能量为：,66,第66页,匕首畴总能量是主畴宽度L、塞漏畴分裂因子和匕首畴长度l函数。,这些变数确定以后，匕首封闭畴详细尺寸也就确定了。,利用能量极小原理，可得到L、和l表示式。,试验中也观察到了匕首畴存在，如图所表示。,金属Co中匕首畴,67,第67页,三轴晶体中磁畴,在三轴晶体(001)面上，有两个易磁化轴，所以主畴和塞漏畴自发磁化强度都在易磁化轴上，而且因为晶体长度方向就是100，所以磁畴结构是经典封闭畴，如图所表示。,三轴晶体封闭畴结构,68,第68页,在这种情况下，,退磁能和磁晶各向异性能都不需要考虑，只需考虑畴壁能和磁致伸缩能,。,材料自居里点冷下来时，发生自发形变。主畴和塞漏畴都要在其自发磁化强度方向上伸长；,因为主畴和塞漏畴自发磁化强度彼此成90，所以形变方向相互牵制。,因为,主畴阻挡，塞漏畴不能自由变形,，所以塞漏畴好象受到压缩而增加了能量，因而系统能量中要考虑,磁致伸缩能,。,69,第69页,在三轴单晶材料表面上，有时出现从畴壁界限出发，向两边磁畴作斜线伸展树枝状磁畴，如图所表示，图中pq线是两个主畴之间畴壁界限。,这种树枝状畴是一个附加畴，产生原因和封闭畴相同，中间立体矩形代表两个相邻磁畴情况，它们被畴壁间隔开，两边磁化方向是相反。树枝状磁畴从这个畴壁向左右伸展而形成。,树枝状磁畴,70,第70页,产生树枝状磁畴原因是两个主畴磁化方向与样品表面不平行，有一个微小倾角。,在图中矩形体左右两个面上，以及分画出来CDD,1,C,1,和EFF,1,E,1,截面图上，都用箭头表示了这种倾角情况。,树枝状磁畴产生,71,第71页,在左边主畴中，磁化方向向上倾斜，所以表面左半部出现N极；,右边主畴磁化方向同左边磁畴磁化方向相反，它磁化方向向下倾斜，因而出现S极。,因为左右两个主畴磁化方向对表面稍有倾斜，在垂直于表面方向有微弱磁矩分量，表面上出现磁极。这使靠近表面畴壁左右区域产生了方向从N极到S极磁场，引发这个区域横向磁化，产生了树枝状畴。,72,第72页,树枝状磁畴正如封闭畴那样起减低退磁能作用,。,材料表面上假如有一系列很密树枝状畴，材料表面磁极会降低很多，退磁能减低很多。,这么会增加一些畴壁面积，畴壁能会有增加。但畴壁能增加少于退磁能减低，总能量还是减低。,这种附加畴经常在三轴晶体中出现。,73,第73页,不均匀物质中磁畴,多晶体中晶粒方向是杂乱。通常每一晶粒中有许多磁畴，也有一个磁畴跨越两个晶粒。,在同一晶粒内，各磁畴磁化方向是有一定关系；在不一样晶粒间，因为易磁化轴方向不一样，磁畴磁化方向就没有一定关系。,就整块材料来说，磁畴有各种方向，,材料对外显出各向同性,。,74,第74页,下列图是多晶体中滋畴结构简单示意图，,每一个晶粒分成片状畴,。,跨过晶粒边界时，,磁化方向虽转了一个角度，但磁力线大多仍是连续,。这么，晶粒边界上才少出现两极，退磁能比较低，结构较稳定。,当然，为降低系统能量，,多晶体磁畴结构中还必定存在许多附加畴,，形成复杂磁畴结构。,多晶体中磁畴,75,第75页,材料中出现非磁性夹杂物和空隙，磁畴结构将复杂化。,不论夹杂物和空隙形状怎样，在它们接触面上都会出现磁极，因而会产生退磁场。,在离磁极不远区域内，退磁场方向同原有磁化方向有很大差异，这就造成这些区域在新方向上磁化，形成附着在夹杂物或空隙上,楔型磁畴,。楔型磁畴磁化方向垂直于主畴方向，它们之间为90壁。,76,第76页,夹杂物或空隙附近退磁场和楔形磁畴,77,第77页,技术磁化和反磁化,处于热退磁状态大块铁磁休(多晶体)在外磁场中磁化，,当磁场由零逐步增加时，铁磁体M或B也逐步增加，这个过程称为,技术磁化过程,。,反应B与H或M与H关系曲线称为磁化曲线,，右图是3SiFe在室温时磁化曲线。,3%SiFe磁化曲线，放大插图为曲线第二部分Barkhausen跳跃,78,第78页,技术磁化过程大致可分为四个阶段,，每一个阶段与一定畴结构相对应。,畴壁可逆位移,，如图中OA段所表示。,在外磁场较小时候，对于自发磁化方向与外场相同或夹角小磁畴，因为处于静磁能低有利地位，这种磁畴将发生扩张；,相反，那些自发磁化方向与外场方向相反或成钝角磁畴则缩小。,79,第79页,这个过程是经过畴壁迁移来完成，经过畴壁迁移，材料在宏观上显示出微弱磁化。,畴壁这种微小迁移是可逆,，假如去除外场，磁畴结构和宏观磁化都将恢复到原来状态,该阶段磁化曲线是线性,。,80,第80页,畴壁不可逆位移,如图中AB段所表示。,M和H曲线或者B和H曲线不再是线性,，磁化曲线上升很快，样品磁化强度急剧增加。,1919年，Barkhausen指出这一阶段是由许多M或B跳跃性改变组成，实际上是畴壁不可逆跳跃，称为,Barkhausen跳跃,，或者是原来一些自发磁化方向与磁场成钝角磁畴瞬时转向到与磁场成锐角易磁化方向，因为大量元磁矩瞬时转向，故表现出强烈磁化。,81,第81页,这个过程是不可逆，即使外磁场降低到0，畴壁位置或畴壁结构也不会减小到零，而是出现,剩磁,，这种现象称为,磁滞,。,Fe磁化曲线和磁滞回线,82,第82页,磁畴磁矩转动：,如图中BS段所表示。,不可逆壁移阶段结束后，即磁化到B点时，畴壁已消失，整个铁磁体成为一个单畴体。,但它磁化强度方向与外磁场方向不一致，所以随磁化场深入增加，磁矩逐步转动到与外磁场一致方向。,因为这个过程是要增加磁晶各向异性能而做功，因而转动很困难，磁化也进行得很弱。,83,第83页,磁畴磁矩转动，既能够是可逆，也能够是不可逆。,普通情况下，两种过程同时发生于这一阶段。,当磁化到图中S点时，磁体己磁化到技术饱和，这时磁化强度称为,饱和磁化强度M,s,，对应磁感应强度称为,饱和磁感应强度B,s,。,84,第84页,顺磁磁化阶段：,如图中SC段所表示。,这一阶段特点是尽管外磁场增加很大，磁化强度增加却很小。,磁化强度增加一部分是因为磁畴磁矩转动，一部分是因为磁畴内元磁矩排列不整齐程度得到了改进。,85,第85页,磁化过程四个阶段能够归结为两种基本方式：,畴壁位移和磁畴磁矩转动,。,实际磁化中，这两个过程可能发生在上述四个过程中任何一个阶段。,对于大多数磁性材料，磁化第一阶段主要是畴壁可逆位移；但对于一些磁导率不高铁氧体，第一阶段主要是磁矩可逆转动,。,任何磁性材料磁化和反磁化，都是经过这两种方式来实现，至于这两种方式先后次序应该视详细情况而定。,86,第86页,铁磁体经过外磁场磁化到达饱和以后，,若将外磁场去除，磁化强度并不为零，而是出现一个剩下磁化强度，只有在反方向再加上磁场后，才能使磁化强度逐步回复到零,。,以上这些过程就是,反磁化过程,，它在各个阶段情况，大致与磁化过程相类似，,实质也是畴壁位移和磁矩转动过程,。,87,第87页,由C点磁化状态(+M,s,)到C,1,点磁化状态(-M,s,)，称为,反磁化过程,。,与,反磁化过程相对应B-H曲线或M-H曲线称为,反磁化曲线,。,两条反磁化曲线组成闭合回线称为,磁滞回线,。,反磁化曲线由四部分组成。,退磁曲线和磁滞回线,88,第88页,第一部分是CB,r,，当磁化场自C点降低到零时，,每一个晶粒磁矩都转动到该晶粒最靠近外场易磁化方向,。在一些磁性材料中，在磁化场降低到零过程中，铁磁体内也可产生新反磁化畴。,第二部分是B,r,D该阶段可能是磁矩转动过程，也可能是,畴壁小巴克豪森跳跃,，也可能有新反磁化畴形成。,第三部分是DF，它是,不可逆大巴克豪森跳跃,。,第四部分是FC,1,，它是,磁矩转动到反磁化场方向过程,。,89,第89页,畴壁位移磁化过程,未加磁场H前，畴壁位于a，左畴磁矩向上，右畴磁矩向下。,施加磁场H后，左畴磁矩与H向上分量一致，静磁能较低；右畴静磁能较高，畴壁从a位置右移到b位置。,ab间原属于右畴，方向朝下磁矩转到方向朝上而属于左畴，增加磁场方向磁化强度。,壁移磁化示意图,90,第90页,畴壁位移过程实质也是一个磁矩转动过程。,畴壁是相邻磁畴之间磁矩逐步转向过渡层。图中左畴磁矩向上，右畴磁矩向下，畴壁向右移动，即左畴发生扩张。,这个过程实际上是,右畴靠近畴壁一层磁矩由原来朝下方向开始转动，相继进入畴壁区,。,与此同时，,畴壁中磁矩也发生转动，且最左边一层磁矩最终完成了转动过程，脱离了畴壁区而加入了左畴行列,。,91,第91页,应该看到，所谓,磁矩进入和脱离畴壁区，并不意味着磁矩挪动位置，只是经过方向改变来实现畴壁区迁移,。,壁移磁化本质上也是磁矩转动过程,，但,只是靠近畴壁磁矩局部地先后转动,，,而且从一个磁畴磁化方向到相邻磁畴磁化方向转过角度是一定,，这和整个磁畴磁矩同时一致转动有显著区分。,92,第92页,在平衡状态，磁体内畴壁能密度分布如图所表示。,畴壁处于能量最低位置。此时施加一个强度为H外场，该场与磁畴自发磁化方向之间夹角为,，在磁场作用下，畴壁移动了,x,距离。,单位面积畴壁移动,x,距离后，静磁能改变为：,畴壁运动中能量改变,a磁场作用下180畴壁位移；,b磁体内部畴壁能不均匀分布,c畴壁密度改变率,93,第93页,负号表示畴壁位移过程静磁能是降低，因而,静磁能是畴壁位移驱动力,。,畴壁因为离开了能量最低位置，,畴壁能将有所升高,。,畴壁移动了x距离后，系统能量改变为,将上式对x微分，并令,94,第94页,式中左边是,静磁能改变率，是推进畴壁移动驱动力,，右边是,畴壁能梯度，是畴壁位移阻力,。,伴随外场增大，畴壁位移增加，畴壁位移阻力也逐步增大。,畴壁位移到达A点前，畴壁位移是可逆，在这个临界点上，畴壁位移有很大阻力峰,95,第95页,一旦畴壁位移到了这个临界点后，因为克服了最大阻力，它将发生Barkhausen跳跃，从而跳到另外一个临界位置E点，面临另外一个,AE中各点阻力都比A点小，既然驱动力能克服阻力最大地方，一样驱动力自然能克服阻力较小地方。所以越过A点后，畴壁位移能够到达E点。假如畴壁要想继续移动，那就必须克服F点 。,去除外场后，畴壁将不会回到原来位置，而是出现一定不可逆位移，回到D点。,96,第96页,假如铁磁体内部存在一系列 ，则畴壁要发生一连串Barkhausen跳跃。,畴壁由可逆壁移转变为不可逆壁移所需要磁场为临界场H,0,，可表示为：,97,第97页,磁矩转动磁化过程,畴壁移动实质上是磁矩非一致性转动过程，而这里,磁矩转动是磁畴内磁矩发生一致性转动,过程。,所谓一致转动是指,畴内原子磁矩均匀一致地转向外磁场方向,。,对于磁矩转动而引发磁化实际上是,静磁能,和,磁晶各向异性能,共同作用结果。,98,第98页,从外磁场角度看，自发磁化强度应尽可能与外场保持一致，即M,s,与H夹角越小越好，所以在外场作用下磁矩会向外场以降低静磁能；,从磁晶各向异性能角度来看，希望磁化强度尽可能与易磁化轴保持一致，磁矩向外磁场转动使磁矩偏离了磁畴易磁化方向，从而提升了磁晶各向异性能。,两种能量作用结果，使M,s,稳定在原自发磁化方向和磁场之间总能量最小某一个角度上,。,99,第99页,磁矩转动也包含,可逆转动和不可逆转动,。,普通来说，在低场作用下是可逆转动；磁矩要发生不可逆转动，磁场应大于临界场H,0,，或外场方向与原始磁化强度方向夹角90。,一个单轴单畴体易磁化轴沿X轴正方向，如图所表示。现在沿X轴负方向施加一个磁场，而且在该场作用下，M,s,偏离易磁化方向角。,单轴单畴体反磁化,100,第100页,系统总能量为磁晶各向异性能与静磁能之和：,当H一定后，取值应使E为最小，因而对上式取一阶微分和二阶微分，得到：,令dE/d=0，由此得到=0或者=180。,当=0时，令d,2,E/d,2,0，则有：,当=180时，令d,2,E/d,2,0，则有：,101,第101页,当磁化场从0增加到 以前，单畴体磁化强度停留在=0处。,当反磁化场一旦增加到 时，磁矩马上反转180。这是一个不可逆转动，,对于其它类单畴体，也有类似临界场表示式，只不过是K,u,不一样而已。,102,第102页,单轴单晶体磁化过程,磁性材料中，有很多是属于单轴单晶体，如,BaOFe,2,O,3,、Co以及SmCo合金,等。,在这些单轴单晶体中，只要它磁晶各向异性常数比饱和磁化强度大很多，单晶体中磁畴结构就很可能是片形畴。,所以，,单轴单晶体磁化主要是片形畴在磁化过程中运动改变,。,103,第103页,片形畴在磁化过程中运动改变第一阶段是磁场较小时可逆畴壁移动，在这一过程中，伴随外磁场增加，,正向畴畴宽开始增加迟缓，以后增加很快；反向畴畴宽则一直改变不大,。,第二阶段是伴随磁场增加，,片状反向畴突然收缩为圆柱形磁畴,，,这一阶段改变是不可逆壁移和畴转,。,104,第104页,第三个阶段是伴随磁场继续增加，,圆柱形磁畴逐步减小，直至最终消失,，整个样品被饱和磁化。,假如将外场降低，样品磁化强度并不降低，而是维持饱和状态，,直至磁场降低到某一值时，才突然出现许多反向片状磁畴,，使样品磁化强度快速降低。,继续减小磁场，磁化强度继续降低，最终为零。,105,第105页,三轴晶体磁化过程,易磁化轴有三个单晶体称为三轴单晶体，工业上有主要应用,电工硅钢片和铁单晶体等,都是三轴单晶体。,对于该类晶体，磁畴自发磁化方向有各种选择，所以磁畴结构比较复杂，但能够必定是，,为了降低退磁能，磁畴中普通有封闭畴出现,。,所以，三轴单晶体磁化主要考虑封闭畴对其磁化影响。,106,第106页,经试验证实，三轴单晶体磁畴结构主要是变形片形畴(截面是菱形或平行四边形)，两端连接着不一样封闭畴，如图所表示。,退磁状态下三轴单晶体理想磁畴结构,107,第107页,封闭畴有两种，一个是H=0时存在,q型封闭畴,，,它出现主要是为降低主畴退磁能,；,另一个是加上,外场后才出现p型封闭畴，它出现主要是为了降低静磁能,。,加上外场后三轴单晶体磁畴结构,108,第108页,因为外场作用对q型封闭畴不利，因而在磁化第一阶段，必定是经过畴壁移动使q型封闭畴体积逐步缩小，而p型封闭畴体积逐步增大。,当磁场深入加大时，主畴自发磁化强度会向磁场方向转动，这就是磁矩转动过程。,最终，当磁场继续增加时，自发磁化强度与外磁场一致，整个样品就到达饱和磁化。,109,第109页,在多晶体磁化过程中，磁畴结构及其运动改变极难用一个模型加以概括，所以只能分析磁化基本方式。然而多晶体磁化方式也是壁移磁化和畴转磁化，有所不一样是，,多晶体在磁化过程中有更多妨碍畴壁运动原因,。,110,第110页,畴壁运动阻力,从能量观点来看，假如畴壁移动伴伴随某种能量增加话，则这种移动是不利，这是因为有,某种能量增加将妨碍畴壁运动,。,引发畴壁能量增加原因有很多，较为常见是,内应力、掺杂以及材料非均匀区等,原因。,111,第111页,内应力妨碍畴壁运动,多晶材料中,晶格畸变、机械加工、压延轧制、磁致伸缩等,都会引发材料内应力,i,出现，由此将经过三种方式引发能量增加。,磁弹性能增加：磁弹性能密度为,假如内应力,i,或内应力与磁化强度夹角发生改变，E,将发生改变。,在退磁状态下，E,总取极小值；加上外场后，畴壁发生位移，磁化强度转向外场方向，引发,i,和发生改变，致使E,增加。,磁弹性能将妨碍畴壁移动,。,112,第112页,畴壁能增加：当存在内应力时，单位面积畴壁能表示式为,假如内应力伴随材料内部位置不一样而不一样话，则单位面积畴壁能也是位置函数。,退磁状态下，畴壁总是处于,w,最小位置；加上外场后，畴壁发生移动，离开了,w,最小位置，从而使畴壁能增加。,畴壁能增加也将妨碍畴壁移动,。,113,第113页,退磁能增加：内应力使自发磁化强度方向偏离了平均方向，从而在内应力所在区域边缘上产生磁荷。,退磁状态下，畴壁停留在退磁能最小位置；加上外磁场后，畴壁发生移动，磁荷密度增加，退磁能增加。,退磁能增加也妨碍畴壁移动,。,114,第114页,掺杂妨碍畴壁运动,夹杂物和空隙对畴壁移动也有很大影响，,夹杂物在两个磁畴之间，界面上磁极半数位置是交换，如图(a)所表示；,夹杂物处于同一磁畴中，界面上N极和S极分别集中在一边，如图(b)所表示。,(a),(b),非磁性夹杂边界上出现磁极,(a)畴壁与夹杂相交;,(b)畴壁与夹杂不相交,115,第115页,前一个情况退磁能比后一个情况要小得多,。,在内应力或掺杂附近因为磁力线不连续，便会出现磁荷，材料内部这些磁荷相互作用便产生内部退磁场。,当畴壁移动时，内部退磁场也对应改变，从而引发能量增加。在一些情况下。这种能量增加要比畴壁总能量增加主要得多。,116,第116页,当一块180畴壁离开直径为d掺杂时，畴壁能改变为E,w,为：,退磁能改变E,d,为：,只要掺杂颗粒直径足够大，则退磁能改变将比畴壁能改变大得多,。,117,第117页,从畴壁面积看，前一个也比后一个小得多,。,若畴壁移动碰到掺杂时，畴壁表面积被掺杂占去一部分，使畴壁面积减小，即使单位面积畴壁能不变话，整个畴壁能也发生改变。,退磁状态下畴壁停留在能量最小位置(就是畴壁表面被掺杂占去最大面积位置)，加上外磁场后，畴壁发生位移，离开掺杂，畴壁面积将增大。,畴壁能增加将妨碍畴壁移动。,118,第118页,畴壁经过夹杂物或空隙时，系统退磁能和畴壁能都比较小，其总畴壁能也比较小。,畴壁经过夹杂物或空隙比处于它们近旁要稳定,。,把畴壁从经过夹杂物或空隙位置移开必须提供能量，即需要外力做功。,材料中夹杂物越多，壁移磁化就越困难，磁化率也越低。,这种情况对软磁铁氧体性能影响尤其显著。,119,第119页,当畴壁经过非磁性夹杂物或空隙时，实际上不一定只出现畴壁经过夹杂物简单情况，,也会在夹杂物上产生附加畴以降低退磁能,。,这些附加畴会把近旁畴壁连接起来。,所以，,对畴壁有影响不只是畴壁经过夹杂物，还有畴壁附近夹杂物,。,畴壁经过非磁性夹杂物时,产生附加畴,120,第120页,材料非均匀区妨碍畴壁运动,在材料内部存在一些不均匀区域，,这些不均匀区域内各向异性常数K和交换积分常数A都与周围均匀区不一样,。,人们发觉在靠近不均匀区中心，畴壁能降低得最快，形成一个尖锐下凹谷。这说明畴壁停在此处最有利。稍一离开便会使能量增加，因而妨碍畴壁移动。,121,第121页,这种情况好象是畴壁会停在材料内某个地方不动，好向被钉扎一样，所以也称为,畴壁钉扎,，这在稀土永磁材料中较为常见。,消磁状态畴壁,钉扎状态畴壁,畴壁被钉扎,122,第122页,谢谢大家！,123,第123页,
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