03.02 磁畴是什么,如何通俗的解释?

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要理解磁畴的形成,关键是要理解磁性系统里面的能量。

我们从最微观的角度说,对铁磁体,相邻原子或分子上具有非零磁矩,而且这些非零磁矩倾向于平行排列,写成海森堡模型的话就是:

这里系数J小于零,所以Sa和Sb是倾向于平行排列的,如果J的绝对值很大,Sa和Sb的平行排列就很稳固,否则很容易被热涨落的能量所破坏,热涨落的能量是kT,温度越高,热涨落的能量越大。

假设磁性系统处于低于居里温度的情形,相邻磁矩不但是倾向于平行排列的,而且还会在很大尺寸上形成磁矩的有序排列,行话叫形成长程序,在宏观上就会体现为很强的磁矩,或者说就是一个磁铁,可以吸引铁钉。

如果是这样的话,就没有磁畴的概念了。磁畴英文叫Magnetic domain,字面意思就是具有磁性的小区域,直观理解就是在某个小区域内,磁矩都按某一个方向排列,但出了这个小区域,磁矩就换个方向有序地排列了,磁性系统里有很多这样的小区域,每个区域里磁化方向都不一样,区域和区域之间的界面叫畴壁(domain walls)。

克尔显微术观察到的磁畴结构,大小是10-20微米。

之所以会有磁畴这个微结构,我们还是要回到能量的考虑去,磁性系统除了刚刚说的海森堡交换能,磁场本身还有能量,比如在真空中磁场的能量密度是:

换句话说,如果磁性系统里所有磁性原子的磁矩都平行排列,会在周围形成很强的磁场,而这些磁场具有大于零的能量贡献,按照能量最低原理,这是不利于系统稳定的。


为了降低系统能量,磁性系统会趋于形成磁畴,这样的好处是在磁畴内部降低了海森堡交换能,同时不同磁畴磁化方向是不一样的,很多磁畴在一起磁场趋于相互抵消,又降低了磁场能。

磁畴的形成,最右侧的能量最低。

在实际的磁性系统里,有很多不同来源的能量的项,它们之间是相互竞争的,按照“朗道-栗弗西兹”理论,我们一般把它们写为:

其中第一项Eex表示的是海森堡交换能,对铁磁体来说,原子的磁矩倾向于平行排列。

第二项ED是静磁能,就是我们刚刚介绍的静磁场的能量,这一项是产生磁畴的主要原因。

第三项Eλ是磁弹各向异性能,这一项与磁致弹性效应有关。

第四项Ek是磁晶各向异性能,由于磁性原子是处于晶体结构中的,所以磁性原子沿某些方向有序排列比沿其他方向要容易些,容易的方向其实就是能量最低的方向,我们称为易轴(easy axis)。

第五项EH是塞曼能,如果磁性系统存在外加磁场,磁性原子会获得一份额外的能量(-μ·B)。当我们对磁性系统加以外磁场时,磁畴会发生相应的移动以扩大或减少各自的区域。当外加磁场足够强的时候,所有磁畴会合并为一个磁畴,对应磁体的最强磁矩,这个磁场就是饱和磁场。

随着外加磁场的增强,所有磁畴会逐渐运动合并为一个磁畴。


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