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  • 1 # 奇蹟筆記

    要理解磁疇的形成,關鍵是要理解磁性系統裡面的能量。

    我們從最微觀的角度說,對鐵磁體,相鄰原子或分子上具有非零磁矩,而且這些非零磁矩傾向於平行排列,寫成海森堡模型的話就是:

    這裡係數J小於零,所以Sa和Sb是傾向於平行排列的,如果J的絕對值很大,Sa和Sb的平行排列就很穩固,否則很容易被熱漲落的能量所破壞,熱漲落的能量是kT,溫度越高,熱漲落的能量越大。

    假設磁性系統處於低於居里溫度的情形,相鄰磁矩不但是傾向於平行排列的,而且還會在很大尺寸上形成磁矩的有序排列,行話叫形成長程式,在宏觀上就會體現為很強的磁矩,或者說就是一個磁鐵,可以吸引鐵釘。

    如果是這樣的話,就沒有磁疇的概念了。磁疇英文叫Magnetic domain,字面意思就是具有磁性的小區域,直觀理解就是在某個小區域內,磁矩都按某一個方向排列,但出了這個小區域,磁矩就換個方向有序地排列了,磁性系統裡有很多這樣的小區域,每個區域裡磁化方向都不一樣,區域和區域之間的介面叫疇壁(domain walls)。

    克爾顯微術觀察到的磁疇結構,大小是10-20微米。

    之所以會有磁疇這個微結構,我們還是要回到能量的考慮去,磁性系統除了剛剛說的海森堡交換能,磁場本身還有能量,比如在真空中磁場的能量密度是:

    換句話說,如果磁性系統裡所有磁性原子的磁矩都平行排列,會在周圍形成很強的磁場,而這些磁場具有大於零的能量貢獻,按照能量最低原理,這是不利於系統穩定的。

    為了降低系統能量,磁性系統會趨於形成磁疇,這樣的好處是在磁疇內部降低了海森堡交換能,同時不同磁疇磁化方向是不一樣的,很多磁疇在一起磁場趨於相互抵消,又降低了磁場能。

    磁疇的形成,最右側的能量最低。

    其中第一項Eex表示的是海森堡交換能,對鐵磁體來說,原子的磁矩傾向於平行排列。

    第二項ED是靜磁能,就是我們剛剛介紹的靜磁場的能量,這一項是產生磁疇的主要原因。

    第三項Eλ是磁彈各向異性能,這一項與磁致彈性效應有關。

    第四項Ek是磁晶各向異性能,由於磁性原子是處於晶體結構中的,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,容易的方向其實就是能量最低的方向,我們稱為易軸(easy axis)。

    第五項EH是塞曼能,如果磁性系統存在外加磁場,磁性原子會獲得一份額外的能量(-μ·B)。當我們對磁性系統加以外磁場時,磁疇會發生相應的移動以擴大或減少各自的區域。當外加磁場足夠強的時候,所有磁疇會合併為一個磁疇,對應磁體的最強磁矩,這個磁場就是飽和磁場。

    隨著外加磁場的增強,所有磁疇會逐漸運動合併為一個磁疇。

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