磁介质的磁化机理和规律铁电体

1、12022-3-18磁介质的磁化规律和机理磁介质的磁化规律和机理 铁电体铁电体22022-3-18分子磁矩的由来 o在原子或分子内，一般不止有一个电子 o分子磁矩：所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和m分子= ml+ mso电子轨道磁矩22eriSlnm22erevTeillPme2mn电子自旋磁矩sSPmemn两种可能：两种可能：n所有电子的总角动量（含轨道和自旋）为零所有电子的总角动量（含轨道和自旋）为零无固有磁矩无固有磁矩n所有电子的总角动量（含轨道和自旋）不为零所有电子的总角动量（含轨道和自旋）不为零有固有磁矩有固有磁矩32022-3-18各种磁介质o磁介质分类n弱磁性：顺磁质、抗磁质

2、n强磁性：铁磁质o一般有两类分子 无外场 有外场 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顺磁质的磁化 n分子在外磁场作用下趋向于外磁场排列n热运动与磁场作用相抵抗温度越高，该效应越弱 抗磁质抗磁质顺磁质顺磁质42022-3-18抗磁质 o抗磁质分子的固有磁矩m分子= ml+ ms0o不存在由非零的分子固有磁矩规则取向引起的顺磁效应。磁性来源？ o抗磁质磁性起源于电子轨道运动在外磁场下的变化 o电子轨道运动为什么会变化？原因：在外磁场下受洛伦兹力 52022-3-18外磁场对电子轨道运动的影响o外磁场作用在一个抗

3、磁原子上，考虑电子的轨道运动(设电子角速度平行于外磁场)n求无外磁场时的角速度 0(电子只受库仑力）n加外磁场加外磁场B0，电子受库仑力、洛伦兹力（指向中心），假设轨道的半径，电子受库仑力、洛伦兹力（指向中心），假设轨道的半径不变（相当于定态假设），设洛伦兹力远小于库仑力不变（相当于定态假设），设洛伦兹力远小于库仑力rmrZe202024213020)4(mrZermrBerZe20202400,0202262022-3-180000200,emBBrmrBe不太大时rmrmrBerBerZe02000020224洛伦兹力远小于洛伦兹力远小于库仑力，高阶无库仑力，高阶无穷小，略穷小，略meB2

4、0n考虑电子角速度反平行于外磁场，有同考虑电子角速度反平行于外磁场，有同样结论，样结论，的方向总是与外磁场的方向总是与外磁场B0相同相同 n电子角速度改变将引起电子磁矩改变电子角速度改变将引起电子磁矩改变 022242Bmmreer总是与外总是与外磁场方向磁场方向相反相反72022-3-18o当介质处于磁场中时，每个电子磁矩都受到磁力矩的作用 成任何角度成任何角度B与00BmBL82022-3-18o特点 n其中M的值相当大； nM与H不成正比关系，甚至也不是单值关系。实验表明，M和H间的函数关系比较复杂，且与磁化的历史有关。n铁磁质的M与H、B的关系通常通过实验测定 铁磁质 n起始磁化曲线起

5、始磁化曲线：Ms、Bs分别分别为为饱和磁化强度饱和磁化强度和和饱和磁感饱和磁感应强度应强度 nMH、BH之间的关系之间的关系是非线性和非单值的是非线性和非单值的 92022-3-18磁滞回线 oMR：剩余磁化强度oBR: 剩余磁感应强度oHC：矫顽力。o在上述变化过程中，M和B的变化总是落后于H的变化，这一现象称为磁滞现象;上述曲线叫磁滞回线。oP260-261102022-3-18磁滞损耗 o当铁磁质在交变磁场作用下，反复磁化是由于磁滞效应，磁体要发热而散失热量，这种能量损失称为磁滞损耗。 o可以证明：BH图中磁滞回线所包围的“面积”代表在一个反复磁化的循环过程中单位体积的铁芯内损耗的能量

6、o磁滞回线越胖，曲线下面积越大，损耗越大；o磁滞回线越瘦，曲线下面积越小，损耗越小 o证明 p262，计算电源要抵抗感应电动势做功 112022-3-18证明以有闭合铁芯的螺绕环为例 o设t时刻介质处于某一磁化状态P，此处H0，B0odt内， PP ，铁心中磁通改变量为do电源抵抗感应电动势做功dIdtdtdIdtIdA000lNnnIH,0VHdBSlHdBNSdBlNHdIdA0NSB周长周长HdBVdAda积”磁滞回线所包围的“面磁滞回线磁滞回线HdBdaa122022-3-18铁磁质磁化机制 o自发磁化区 n近代科学实验证明，铁磁质的磁性主要来源于电子自旋磁矩。在没有外磁场的条件下铁磁

7、质中电子自旋磁矩可以在小范围内“自发地”排列起来，形成一个个小的“自发磁化区”磁畴 n自发磁化的原因是由于相邻原子中电子之间存在着一种交换作用（一种量子效应），使电子的原子磁矩平行排列起来而达到自发磁化的饱和状态 n单晶和多晶磁畴结构的示意 132022-3-18磁化过程示意 oa：未磁化时状态ob：畴壁的可逆位移阶段OA段oc：不可逆的磁化AB段od：磁畴磁矩的转动BC段oe：趋于饱和的阶段CS段等于每个磁畴中等于每个磁畴中原有的磁化强度原有的磁化强度 n在外磁场撤消后，铁磁质内在外磁场撤消后，铁磁质内掺杂掺杂和和内应力内应力或因为或因为介质存在缺陷介质存在缺陷阻碍磁畴恢复阻碍磁畴恢复到原来

8、的状态到原来的状态 142022-3-18磁畴 o影响铁磁质磁性的因素 n 温度对磁性有影响温度高过居里点铁磁性就消失，变为顺磁质。如纯铁的居里点为1043K，镝的居里点为89K；n强烈震动会瓦解磁畴 n尺寸影响磁畴结构性介观尺度下有新现象n介观尺度：即介于宏观尺度与微观尺度之间，一般为0.1100nma 片形畴（片形畴（L=8微米）；微米）； b 蜂窝畴（蜂窝畴（L=75微米）；微米）； c 楔形畴楔形畴图图 几种铁磁材料的磁畴结构，其中几种铁磁材料的磁畴结构，其中a、b为为Ba铁氧体单晶基面上的铁氧体单晶基面上的磁畴结构，磁畴结构，L为晶体厚度；为晶体厚度；c 为钴的两个晶粒上的磁畴结构为

9、钴的两个晶粒上的磁畴结构152022-3-18宏观铁磁体的尺寸减小到介观尺度 o此时磁性材料不再是具有畴壁的多磁畴结构，而是没有畴壁的单畴结构，单畴的临界尺度大约在纳米级范围，例如铁（Fe）的球形颗粒产生单畴的临界直径为28nm，钴(Co)为240nm。o由于热扰动的影响，使这些磁有序物质系统表现出特别的磁性质，如类似顺磁性的超顺磁性 o与同类常规块状磁体相比，纳米量级材料的居里温度低，矫顽力高。n磁性液体：用表面活性剂处理过的超细磁性微粒高度分散在载液中形成一种磁性胶体溶液，呈现出超顺磁性 162022-3-18磁性材料的分类及其应用 o按矫顽力大小分类o软磁材料 nHC小，磁滞回线瘦，磁滞

10、损耗小；n有的BR小，通电后立即磁化获得强磁场，断电立即退磁，适合用于强电n有的 起始磁导率大，适合用于弱电o硬磁材料 nBR大，HC大，nHC：104106A/m；n磁滞回线胖，磁滞损耗大；n撤外场后，仍能保持强磁性。172022-3-18磁性材料在信息技术中的应用o随着信息时代的到来，多种磁性材料在信息高新技术中获得广泛而重要的应用 o磁记录：主要有存储装置和写入、读出设备。存储装置是用永磁材料制成的设备，包括磁头和磁记录介质 n磁头磁头：n写入过程中：磁头将电信号写入过程中：磁头将电信号磁场磁场n读出过程中：将磁记录介质的磁场读出过程中：将磁记录介质的磁场转变为电信号转变为电信号n磁记录

11、介质磁记录介质：内存、外存、磁盘和磁：内存、外存、磁盘和磁带等带等182022-3-18磁性功能材料o压磁材料也叫磁致伸缩材料 n铁磁质磁畴中磁化方向改变会导致介质中晶格间距的改变 o 磁电阻材料n磁场可以使许多金属的电阻发生改变，这种现象称为磁电阻效应，相应的材料为磁电阻材料(MR) n磁电阻材料(MR)： n巨磁电阻效应（简称GMR） n超巨磁电阻材料 n在小型化的 微型化高密度磁记录读出磁头、随机存储器和微型传感器中获得重要应用 o液体磁性n既具有固体的强磁性，又具有液体的流动性 %6%2/RR%50/达到RR631010/ RR192022-3-18铁电体o铁电体的极化特征：铁电体的极

12、化特征：n极化状态不仅决定于电场，还与极化历史有关，其性质类似极化状态不仅决定于电场，还与极化历史有关，其性质类似于铁磁体于铁磁体n电滞回线：铁电体极化过程中极化强度矢量电滞回线：铁电体极化过程中极化强度矢量P P随外场的变化曲随外场的变化曲线是非线性的，类似于铁磁体的磁滞回线（如图）线是非线性的，类似于铁磁体的磁滞回线（如图）n 铁电体是一类特殊的电介质，其电容率的特点是：铁电体是一类特殊的电介质，其电容率的特点是：n数值大、非线性效应强；数值大、非线性效应强；n有显著的温度依赖性和频率依赖性；有显著的温度依赖性和频率依赖性；n有很强的压电效应和电致伸缩效应有很强的压电效应和电致伸缩效应n作为重要的功能材料作为重要的功能材料 n绝缘和储能方面；绝缘和储能方面；n换能、热电探测、电光调制；换能、热电探测、电光调制；n非线性光学、光信息存储和实时处理等非线性光学、光信息存储和实时处理等 202022-3-18铁电体极化的微观机制 o有铁电体特征的晶体内部存在着各个不同方向的自发有铁电体特征的晶体内部存在着各个不同方向的自发极化小区域极化小区域 o在每个小区域内，极化均匀、方向相同，存在一固有在每个小区域内，极化均匀、方