磁介質的磁化機理和規(guī)律鐵電體

1、12022-3-18磁介質的磁化規(guī)律和機理磁介質的磁化規(guī)律和機理 鐵電體鐵電體22022-3-18分子磁矩的由來 o在原子或分子內，一般不止有一個電子 o分子磁矩：所有電子的軌道磁矩和自旋磁矩的矢量和m分子= ml+ mso電子軌道磁矩22eriSlnm22erevTeillPme2mn電子自旋磁矩sSPmemn兩種可能：兩種可能：n所有電子的總角動量（含軌道和自旋）為零所有電子的總角動量（含軌道和自旋）為零無固有磁矩無固有磁矩n所有電子的總角動量（含軌道和自旋）不為零所有電子的總角動量（含軌道和自旋）不為零有固有磁矩有固有磁矩32022-3-18各種磁介質o磁介質分類n弱磁性：順磁質、抗磁質

2、n強磁性：鐵磁質o一般有兩類分子 無外場 有外場 n分子磁矩 m分子= ml+ ms0 m分子=0 m分子0 n分子磁矩 m分子= ml+ ms 0 m分子=0 m分子0o順磁質的磁化 n分子在外磁場作用下趨向于外磁場排列n熱運動與磁場作用相抵抗溫度越高，該效應越弱 抗磁質抗磁質順磁質順磁質42022-3-18抗磁質 o抗磁質分子的固有磁矩m分子= ml+ ms0o不存在由非零的分子固有磁矩規(guī)則取向引起的順磁效應。磁性來源？ o抗磁質磁性起源于電子軌道運動在外磁場下的變化 o電子軌道運動為什么會變化？原因：在外磁場下受洛倫茲力 52022-3-18外磁場對電子軌道運動的影響o外磁場作用在一個抗

3、磁原子上，考慮電子的軌道運動(設電子角速度平行于外磁場)n求無外磁場時的角速度 0(電子只受庫侖力）n加外磁場加外磁場B0，電子受庫侖力、洛倫茲力（指向中心），假設軌道的半徑，電子受庫侖力、洛倫茲力（指向中心），假設軌道的半徑不變（相當于定態(tài)假設），設洛倫茲力遠小于庫侖力不變（相當于定態(tài)假設），設洛倫茲力遠小于庫侖力rmrZe202024213020)4(mrZermrBerZe20202400,0202262022-3-180000200,emBBrmrBe不太大時rmrmrBerBerZe02000020224洛倫茲力遠小于洛倫茲力遠小于庫侖力，高階無庫侖力，高階無窮小，略窮小，略meB2

4、0n考慮電子角速度反平行于外磁場，有同考慮電子角速度反平行于外磁場，有同樣結論，樣結論，的方向總是與外磁場的方向總是與外磁場B0相同相同 n電子角速度改變將引起電子磁矩改變電子角速度改變將引起電子磁矩改變 022242Bmmreer總是與外總是與外磁場方向磁場方向相反相反72022-3-18o當介質處于磁場中時，每個電子磁矩都受到磁力矩的作用 成任何角度成任何角度B與00BmBL82022-3-18o特點 n其中M的值相當大； nM與H不成正比關系，甚至也不是單值關系。實驗表明，M和H間的函數關系比較復雜，且與磁化的歷史有關。n鐵磁質的M與H、B的關系通常通過實驗測定 鐵磁質 n起始磁化曲線起

5、始磁化曲線：Ms、Bs分別分別為為飽和磁化強度飽和磁化強度和和飽和磁感飽和磁感應強度應強度 nMH、BH之間的關系之間的關系是非線性和非單值的是非線性和非單值的 92022-3-18磁滯回線 oMR：剩余磁化強度oBR: 剩余磁感應強度oHC：矯頑力。o在上述變化過程中，M和B的變化總是落后于H的變化，這一現象稱為磁滯現象;上述曲線叫磁滯回線。oP260-261102022-3-18磁滯損耗 o當鐵磁質在交變磁場作用下，反復磁化是由于磁滯效應，磁體要發(fā)熱而散失熱量，這種能量損失稱為磁滯損耗。 o可以證明：BH圖中磁滯回線所包圍的“面積”代表在一個反復磁化的循環(huán)過程中單位體積的鐵芯內損耗的能量

6、o磁滯回線越胖，曲線下面積越大，損耗越大；o磁滯回線越瘦，曲線下面積越小，損耗越小 o證明 p262，計算電源要抵抗感應電動勢做功 112022-3-18證明以有閉合鐵芯的螺繞環(huán)為例 o設t時刻介質處于某一磁化狀態(tài)P，此處H0，B0odt內， PP ，鐵心中磁通改變量為do電源抵抗感應電動勢做功dIdtdtdIdtIdA000lNnnIH,0VHdBSlHdBNSdBlNHdIdA0NSB周長周長HdBVdAda積”磁滯回線所包圍的“面磁滯回線磁滯回線HdBdaa122022-3-18鐵磁質磁化機制 o自發(fā)磁化區(qū) n近代科學實驗證明，鐵磁質的磁性主要來源于電子自旋磁矩。在沒有外磁場的條件下鐵磁

7、質中電子自旋磁矩可以在小范圍內“自發(fā)地”排列起來，形成一個個小的“自發(fā)磁化區(qū)”磁疇 n自發(fā)磁化的原因是由于相鄰原子中電子之間存在著一種交換作用（一種量子效應），使電子的原子磁矩平行排列起來而達到自發(fā)磁化的飽和狀態(tài) n單晶和多晶磁疇結構的示意 132022-3-18磁化過程示意 oa：未磁化時狀態(tài)ob：疇壁的可逆位移階段OA段oc：不可逆的磁化AB段od：磁疇磁矩的轉動BC段oe：趨于飽和的階段CS段等于每個磁疇中等于每個磁疇中原有的磁化強度原有的磁化強度 n在外磁場撤消后，鐵磁質內在外磁場撤消后，鐵磁質內摻雜摻雜和和內應力內應力或因為或因為介質存在缺陷介質存在缺陷阻礙磁疇恢復阻礙磁疇恢復到原來

8、的狀態(tài)到原來的狀態(tài) 142022-3-18磁疇 o影響鐵磁質磁性的因素 n 溫度對磁性有影響溫度高過居里點鐵磁性就消失，變?yōu)轫槾刨|。如純鐵的居里點為1043K，鏑的居里點為89K；n強烈震動會瓦解磁疇 n尺寸影響磁疇結構性介觀尺度下有新現象n介觀尺度：即介于宏觀尺度與微觀尺度之間，一般為0.1100nma 片形疇（片形疇（L=8微米）；微米）； b 蜂窩疇（蜂窩疇（L=75微米）；微米）； c 楔形疇楔形疇圖圖 幾種鐵磁材料的磁疇結構，其中幾種鐵磁材料的磁疇結構，其中a、b為為Ba鐵氧體單晶基面上的鐵氧體單晶基面上的磁疇結構，磁疇結構，L為晶體厚度；為晶體厚度；c 為鈷的兩個晶粒上的磁疇結構為

9、鈷的兩個晶粒上的磁疇結構152022-3-18宏觀鐵磁體的尺寸減小到介觀尺度 o此時磁性材料不再是具有疇壁的多磁疇結構，而是沒有疇壁的單疇結構，單疇的臨界尺度大約在納米級范圍，例如鐵（Fe）的球形顆粒產生單疇的臨界直徑為28nm，鈷(Co)為240nm。o由于熱擾動的影響，使這些磁有序物質系統(tǒng)表現出特別的磁性質，如類似順磁性的超順磁性 o與同類常規(guī)塊狀磁體相比，納米量級材料的居里溫度低，矯頑力高。n磁性液體：用表面活性劑處理過的超細磁性微粒高度分散在載液中形成一種磁性膠體溶液，呈現出超順磁性 162022-3-18磁性材料的分類及其應用 o按矯頑力大小分類o軟磁材料 nHC小，磁滯回線瘦，磁滯

10、損耗??；n有的BR小，通電后立即磁化獲得強磁場，斷電立即退磁，適合用于強電n有的 起始磁導率大，適合用于弱電o硬磁材料 nBR大，HC大，nHC：104106A/m；n磁滯回線胖，磁滯損耗大；n撤外場后，仍能保持強磁性。172022-3-18磁性材料在信息技術中的應用o隨著信息時代的到來，多種磁性材料在信息高新技術中獲得廣泛而重要的應用 o磁記錄：主要有存儲裝置和寫入、讀出設備。存儲裝置是用永磁材料制成的設備，包括磁頭和磁記錄介質 n磁頭磁頭：n寫入過程中：磁頭將電信號寫入過程中：磁頭將電信號磁場磁場n讀出過程中：將磁記錄介質的磁場讀出過程中：將磁記錄介質的磁場轉變?yōu)殡娦盘栟D變?yōu)殡娦盘杗磁記錄

11、介質磁記錄介質：內存、外存、磁盤和磁：內存、外存、磁盤和磁帶等帶等182022-3-18磁性功能材料o壓磁材料也叫磁致伸縮材料 n鐵磁質磁疇中磁化方向改變會導致介質中晶格間距的改變 o 磁電阻材料n磁場可以使許多金屬的電阻發(fā)生改變，這種現象稱為磁電阻效應，相應的材料為磁電阻材料(MR) n磁電阻材料(MR)： n巨磁電阻效應（簡稱GMR） n超巨磁電阻材料 n在小型化的 微型化高密度磁記錄讀出磁頭、隨機存儲器和微型傳感器中獲得重要應用 o液體磁性n既具有固體的強磁性，又具有液體的流動性 %6%2/RR%50/達到RR631010/ RR192022-3-18鐵電體o鐵電體的極化特征：鐵電體的極

12、化特征：n極化狀態(tài)不僅決定于電場，還與極化歷史有關，其性質類似極化狀態(tài)不僅決定于電場，還與極化歷史有關，其性質類似于鐵磁體于鐵磁體n電滯回線：鐵電體極化過程中極化強度矢量電滯回線：鐵電體極化過程中極化強度矢量P P隨外場的變化曲隨外場的變化曲線是非線性的，類似于鐵磁體的磁滯回線（如圖）線是非線性的，類似于鐵磁體的磁滯回線（如圖）n 鐵電體是一類特殊的電介質，其電容率的特點是：鐵電體是一類特殊的電介質，其電容率的特點是：n數值大、非線性效應強；數值大、非線性效應強；n有顯著的溫度依賴性和頻率依賴性；有顯著的溫度依賴性和頻率依賴性；n有很強的壓電效應和電致伸縮效應有很強的壓電效應和電致伸縮效應n作為重要的功能材料作為重要的功能材料 n絕緣和儲能方面；絕緣和儲能方面；n換能、熱電探測、電光調制；換能、熱電探測、電光調制；n非線性光學、光信息存儲和實時處理等非線性光學、光信息存儲和實時處理等 202022-3-18鐵電體極化的微觀機制 o有鐵電體特征的晶體內部存在著各個不同方向的自發(fā)有鐵電體特征的晶體內部存在著各個不同方向的自發(fā)極化小區(qū)域極化小區(qū)域 o在每個小區(qū)域內，極化均勻、方向相同，存在一固有在每個小區(qū)域內，極化均勻、方