什麼是磁疇?磁疇和磁化的關係

2020-12-14 找磁材

根據物質在外磁場中表現出的特性,物質可分為五類:順磁性物質、抗磁性物質、鐵磁性物質、亞鐵磁性物質和反鐵磁性物質。鐵磁性物質是一種在外部磁場的作用下被磁化後,即使外部磁場消失,依然能保持其磁化的狀態具有磁性的物質,鐵磁性物質的基本特徵是物質內部存在自發磁化和磁疇結構

磁疇理論是現代磁化理論的基礎,幾乎所有磁學應用都以疇為基本單元,而不是以一個電子自旋為單元,磁學中討論磁矩都是基於疇而展開的;但磁疇是我們肉眼不可見的一種東西,所以理解和認識起來有一些難度,今天懂磁帝就帶大家一起了解一下什麼是磁疇。

基於掃描電子顯微鏡照片的金屬性磁疇效

1、磁疇的形成

我們都知道鐵磁性物質在沒有充磁(磁化)前對外是不顯示磁性的,這是由於在居裡溫度以下,大塊鐵磁晶體中會形成磁疇結構,每個磁疇內部自發磁化是均勻一致的,但不同磁疇之間自發磁化方向不同,磁矩相互抵消,矢量和為零,因此宏觀上鐵磁體並不顯示磁性。

磁疇是鐵磁體材料在自發磁化的過程中,為降低靜磁能而產生分化的方向各異的小型磁化區域,每個區域內部包含大量原子,這些原子的磁矩都象一個個小磁鐵那樣整齊排列,但相鄰的不同區域之間原子磁矩排列的方向不同。各個磁疇之間的交界面稱為磁疇壁。

磁疇的形成,可以簡單地理解為降低布滿外部空間的雜散場所攜帶的磁偶極能,即退磁能。下圖c-ⅰ是一個單疇磁體,其雜散場分布區域廣大,為了削弱這一區域,磁體內部會自發地發生磁矩重新分布,形成磁疇。最直觀的重新分布即如圖c-ⅱ所示形成上下兩個疇,雜散場得以大幅削弱。如果進一步形成上下四個疇,如圖c-ⅲ所示,則雜散場會進一步削弱。不過,這一進程也會反過來增加靜磁交換能,可以大致理解為疇壁能。磁疇的最終形態與尺度是磁偶極能與交換能相互競爭的產物。如果鐵磁樣品的尺寸和外觀形狀發生變化,磁疇的形態會有豐富的表現,如形成圖c-ⅴ之類的疇結構。

2、磁疇壁

磁疇與磁疇之間的邊界稱為磁疇壁,相鄰磁疇原子磁矩相反(磁矩夾角為180°)的磁疇壁稱為180°疇壁;相鄰磁疇原子磁矩相互垂直的磁疇壁為90°疇壁。磁疇壁有若干個原子的厚度,不同材料的磁疇壁厚度不同。

磁疇壁是一個過渡區,具有一定的厚度。磁疇的磁化方向在疇壁處不能突然轉一個很大的角度,而是經過疇壁一定厚度逐步轉過去的,即在這個過渡區中原子磁矩是逐步改變方向的。疇壁內部的能量總比疇內的能量高。

3、技術磁化過程

為區別鐵磁體或亞鐵磁體中磁疇內的自發磁化,我們把鐵磁體或亞鐵磁體在磁場中的磁化稱為技術磁化。

我們都知道,鐵磁性或亞鐵磁性物質的技術磁化曲線(M~H曲線)是非線性的,縱坐標是磁化強度M,橫坐標是磁場強度H。假設磁體有兩個磁疇:

當磁場為零時,上磁疇和下磁疇原子磁矩數目相等,方向相反,原子磁矩的矢量和為零,該物質的磁化強度為零。如圖(a)

當沿橫坐標正方向施加磁場H1時,上磁疇的磁矩M與外磁場的夾角θ<90°,靜磁能較低,比較穩定;而下磁疇的磁矩M與外磁場的夾角θ>90°,靜磁能較高,比較不穩定。因此在外磁場H1的作用下,上磁疇要擴大,下磁疇會縮小,也就是180°疇壁如圖(b)中所示,沿箭頭方向位移,導致沿磁場方向的磁化增加,並且180°疇壁位移速度可能很快,M~H磁化曲線的ab段變得很陡。

當外磁場增加大HR時,即圖中c點,疇壁位移已經結束,180°疇壁已經被趕出磁體外,整個磁體就是一個單疇體了,原子磁矩還停留在上磁疇原磁矩方向上,如圖(c),由a點到c點即技術磁化過程,是疇壁位移的過程。

當外磁場從HR點逐漸增加到HS點,即c點到d點,原子磁矩都逐漸轉動的與外磁場一致的方向,如圖(d)。當外磁場增加到HS點,原子磁矩基本都已經轉動到與外磁場方向平行的方向,此時磁體已經達到技術磁化飽和狀態了,此時的磁化強度稱為飽和磁化強度。技術磁化過程基本上是由疇壁位移和磁矩轉動兩種方式來實現的。

如果把外磁場減小到零,原子磁矩將逐漸移動到長軸方向,如圖(e),這個過程是磁矩轉動的過程。可見,去除外磁場後磁化強度沒有降低到零,在磁場正方向上,磁化強度還保留有Mr值,稱為剩餘磁化強度。

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