2.2.2 决定磁畴结构的能量类型之二
——磁交换作用能
交换作用是电子间的一种量子力学效应,这种作用从性质上说,是一种静电相互作用,它使得自旋平行的一对电子和自旋反平行的一对电子具有不同的能量。在固体中,磁性电子往往从属于相应的磁性离子。因此通常也有两个磁性离子之间或两个磁矩之间的交换作用这样的说法。
各向异性交换作用的强度比各向同性交换作用小,它是磁性材料中磁晶各向异性的重要来源。交换作用是造成固体磁有序的决定性因素。
单纯从静磁能看,自发磁化趋向于分割成为磁化方向不同的磁畴,分割越细,静磁能越低。但是,形成磁畴也是要付出代价的。相邻磁畴之间,破坏了两边磁矩的平行排列,使交换能增加。为减少交换能的增加,相邻磁畴之间的原子磁矩,不是骤然转向的,而是经过一个磁矩方向逐渐变化的过渡区域。这种过渡的区域称为畴壁,如图2-8(a)所示。在畴壁内,原子磁矩不是平行排列的,同时也偏离了易磁化方向,所以在过渡区域内增加了磁交换作用能和磁各向异性能,这就是建立畴壁所需的畴壁能[图2-8(b)]。磁畴分割得越细,所需畴壁数目越多,总的畴壁能越高。由于这个缘故,磁畴的分割并不会无限地进行下去,而是进行到再分割所增加的畴壁能超过静磁能的减少时为止。此时体系的总自由能最低。
图2-8 决定磁畴结构的能量类型之二——磁交换作用能
一般地说,大块铁磁物体分成磁畴的原因是短程强交换作用和长程静磁相互作用共同作用的结果。根据相邻磁畴磁化方向的不同,可把畴壁区分为180°壁和90°壁。畴壁具有一定的厚度δ0,如铁晶体的畴壁约含1000个原子层。畴壁厚度取决于交换能和各向异性能的比值,某些稀土金属间化合物在低温下可形成一至几个原子层的窄畴壁。
本节重点
(1)磁畴分割会使静磁能减小,但为什么磁畴分割不能无限进行?
(2)磁交换作用有短程强交换作用和长程静磁相互作用之分。
(3)磁畴壁宽度由磁交换作用能与磁晶各向异性能共同决定。