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磁畴(Magnetic Domain)理论是用量子理论从微观上说明铁磁质的磁化机理。所谓磁畴,是指铁磁体材料在自发磁化的过程中为降低静磁能而产生分化的方向各异的小型磁化区域,每个区域内部包含大量原子,这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列,但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同,如图所示。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。宏观物体一般总是具有很多磁畴,这样,磁畴的磁矩方向各不相同,结果相互抵消,矢量和为零,整个物体的磁矩为零,它也就不能吸引其它磁性材料。也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后,它才能对外显示出磁性。

简介

分子或原子是构成物质材料的基元,基元中电子绕着原子核的运转形成了电流,该电流产生的磁场,使每个基元都相当于一个微小的磁体,由大量基元组成一个集团结构,集团中所有基元产生的磁场都同方向整齐排列,这样的集团叫做磁畴。在居里温度以下,在大块铁磁性亚铁磁性(见铁氧体单晶体(或多 晶体中的晶粒)中,形成很多小区域,每个区域内的原子磁矩沿特定的方向排列,呈现均匀的自发磁化。但是在不同的区域内,磁矩的方向不同,使得晶体总的磁化强度为零。这种自发磁化的小区域也称为磁畴。图1是用粉纹法在Si-Fe
磁畴

磁畴

单晶的(001)面上观察到的磁畴结构。
铁磁性物质内部,由于原子的磁矩不等于零,每一个原子的表现就好似微小的永久磁铁。假设聚集于一个小区域的原子,其磁矩都均匀地同向平行排列,则称这小区域为磁畴或外斯畴(Weiss domain)。使用磁力显微镜(magnetic force microscope),可以观测到磁畴。
不同种类的磁畴与:a)单独磁畴。b)两个异向磁畴。c)多个磁畴,最小能量态。磁畴所生成的磁场以带箭头细曲线表示。磁化强度以带箭头粗直线表示。
磁畴的存在是能量极小化的后果。这是物理大师列夫·朗道和叶津·李佛西兹(Evgeny Lifshitz)提出的点子。假设一个铁磁性长方体是单独磁畴(图a),则会有很多正磁荷与负磁荷分别形成于长方块的顶面与底面,从而拥有较强烈的磁能。假设铁磁性长方块分为两个磁畴(图b),其中一个磁畴的磁矩朝上,另一个朝下,则会有正磁荷与负磁荷分别形成于顶面的左右边,又有负磁荷与正磁荷相反地分别形成于底面的左右边,所以,磁能较微弱,大约为图a的一半。假设铁磁性长方块是由多个磁畴组成,如图c所示,则由于磁荷不会形成于顶面与底面,只会形成于斜虚界面,所有的磁场都包含于长方块内部,磁能更微弱。这种组态称为“闭磁畴”(closure domain),是最小能量态

原理简析

在铁磁质中
磁畴

磁畴

相邻电子之间存在着一种很强的“交换耦合”作用,在无外磁场的情况下,它们的自旋磁矩能在一个个微小区域内“自发地”整齐排列起来而形成自发磁化小区域,称为磁畴。在未经磁化的铁磁质中,虽然每一磁畴内部都有确定的自发磁化方向,有很大的磁性,但大量磁畴的磁化方向各不相同因而整个铁磁质不显磁性。如图所示。
铁磁质处于外磁场中时,那些自发磁化方向和外磁场方向成小角度的磁畴其体积随着外加磁场的增大而扩大并使磁畴的磁化方向进一步转向外磁场方向。另一些自发磁化方向和外磁场方向成大角度的磁畴其体积则逐渐缩小,这时铁磁质对外呈现宏观磁性。当外磁场增大时,上述效应相应增大,直到所有磁畴都沿外磁场排列达到饱和。由于在每个磁畴中个单元磁矩已排列整齐,因此具有很强的宏观磁性。

磁畴性质

在居里温度以下,铁磁或亚铁磁材料内部存在很多各自具有自发磁矩,且磁矩成对的小区域。他们排列的方向紊乱,如不加磁场进行磁化,从整体上看,磁矩为零。这些小区
磁畴

磁畴

域即称为磁畴。磁畴之间的界面称为磁畴壁(magnetic domain wall)。当有外磁场作用时,磁畴内一些磁矩转向外磁场方向,使得与外磁场方向接近一致的总磁矩得到增加,这类磁畴得到成长,而其他磁畴变小,结果是磁化强度增高。随着外磁场强度的进一步增高,磁化强度增大,但即使磁畴内的磁矩取向一致,成了单一磁畴区,其磁化方向与外磁场方向也不完全一致。只有当外磁场强度增加到一定程度时,所有磁畴中磁矩的磁化方向才能全部与外磁场方向取向完全一致。此时,铁磁体就达到磁饱和状态,即成饱和磁化。一旦达到饱和磁化后,即使磁场减小到零,磁矩也不会回到零,残留下一些磁化效应。这种残留磁化值称为残余磁感应强度(以符号Br表示)。饱和磁化值称为饱和磁感应强度(Bs)。若加上反向磁场,使剩余磁感应强度回到零,则此时的磁场强度称为矫顽磁场强度或矫顽力(Hc)。
从物质的原子结构观点来看,铁磁质内电子间因自旋引起的相互作用是非常强烈的,在这种作用下,铁磁质内部形成了一些微小的自发磁化区域,叫做磁畴。每一个磁畴中,各个电子的自旋磁矩排列的很整齐,因此它具有很强的磁性。磁畴的体积约为10^(-12)m^3~10^(-9)m^3,内含约10^17~10^20 个原子。在没有外磁场时,铁磁质内各个磁畴的排列方向是无序的,所以铁磁质对外不显磁性。当铁磁质处于外磁场中时,各个磁畴的磁矩在外磁场的作用下都趋向于沿外磁场中的磁化程度非常大,它所建立的附加磁场强度B'比外磁场的磁场强度B在数值上一般要大几十倍到数千倍,甚至达数万倍。

温度影响

从实验中我们得知,铁磁质的磁化和温度有关。随着温度的升高,它的磁化能力逐渐减小,当温度升高到某一温度时,铁磁性就完全消失,铁磁质退化成顺磁质。这个温度叫做居里温度或叫居里点。这是因为铁磁质自发磁化区域因剧烈的分子热运动而遭到破坏,磁畴也就瓦解了,铁磁质的铁磁性消失,过渡到顺磁质,从实验知道,铁的居里温度是1043K,78%坡莫合金的居里温度是873K,45%坡莫合金的居里温度是673K。
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- 来自原声例句
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