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磁性材料是由很多磁矩構成的,這些磁矩在每個格點上的大小是M,假設它們的大小都是一樣的,對應飽和磁化磁矩Ms,但取向是各個方向的。這樣磁性材料可以被描述為一個連續的模型,它的能量決定於在各個地方磁矩的取向n。
一般來說,能量包括如下幾項:
第一項是交換能,它的起源是相鄰格點間自旋的交換作用(一種量子效應),我們可以用海森堡模型來描述交換項:
這裡i,j表示對相鄰格點的求和,Si和Sj是相鄰格點的自旋算符,如果交換積分J>0,對應的是鐵磁材料。
即便不考慮Si和Sj是量子力學算符,我們把它們看做是兩個經典向量的點乘,我們也會發現Si和Sj的取向是應該平行排列的,換句話說如果所有的S都取向相同,對應單位向量n的取向都一樣,此時能量最低。
我們考慮在能量最低基礎上的一個小的偏離,假設Si和Sj之間有個夾角φ,或說ni和nj之間有個夾角φ,假設φ很小。
我們將得到一項取值為正的能量貢獻,其大小正比於φ的平方,這項能量就是交換項Eex,在連續近似下,可以表示為:
假如能量中只有這一項就不會有磁疇了,因為所有的n取向相同能量最低,對應的是一個磁疇,或磁疇壁的厚度等於無窮大。
現在考慮磁性材料能量項中的第二項,各向異性能:Ean,各向異性能說的是磁矩在晶格中更喜歡在某個特別的取向上平行排列,而不大容易在其他某個方向上平行排列,前者叫“易軸”(easy axis),後者叫“難軸”(hard axis),用能量的語言說就是磁矩取向在“易軸”方向時達到最小,而在“難軸”取向時達到最大,這就是各向異性能,一般表示為:
顯然在θ等於0和π時,能量最小。換句話說磁矩取向或者是平行的或者是反平行的,這樣對能量來說是最有利的。
我們現在考慮磁疇壁的寬度是N,即經過N倍晶格常數,磁矩取向將翻轉180°,假設只有交換能,N是越大越好的,假設只有各向異性能,N是越小越好,對能量取極值後,我們能求出磁疇疇壁的寬度δ,
能量項中的第三項是塞曼能,
塞曼能要求磁矩取向n與外加磁場B平行。當外加磁場B=0的時候,塞曼能為0。由於要降低能量項中第四項(靜磁能,也叫退磁能)的貢獻,要求磁性材料整體儘量不體現出磁性,此時磁性材料會形成很多磁疇,在每一個磁疇的內部,磁矩取向平行,不同取向的磁疇之間形成一定寬度的磁疇壁。
隨著外加磁場B的增加,為了降低塞曼能,需要更多的磁矩取向與外加磁場平行,最初是通過磁疇壁的移動來實現的。
磁疇壁的移動會增加能量有利磁疇區域的面積,同時磁疇壁在移動的過程中也可能被材料中的應力,缺陷或表面所釘扎,體現為能量項中的最後一項,磁彈性能Eme。磁疇壁移動能力的降低,體現為磁性材料具有較大的矯頑力(coercive force)。
當外加磁場足夠大的時候,磁疇內所有磁矩也會步調一致地改變取向以降低塞曼能。
上圖表示的是磁疇在磁化過程中的移動過程,最上面的陰影區域,對應磁疇內磁矩的步調一致的轉動過程。