磁晶的各向异性特性探究

在单晶体的不同晶体学方向上，其光学、电学、热膨胀、力学和磁学性能都不同。这种特性称为晶体的各向异性。单晶体的磁性各向异性称为磁晶各向异性。例如铁、镍、钴的单晶体各个晶向的磁化曲线是不同的，如图7-15所示。与求固体的弹性变形功相似，铁磁体在磁化时，外磁场对铁磁体所做的功W为

式中，μ₀是真空磁导率；H为外磁场强度；M_s为饱和磁化强度。W相当于图7-16的阴影面积。因此体心立方的铁<100>方向为易磁化方向，而<111>方向为难磁化方向。对于镍单晶体与铁正好相反，它是面心立方结构，易磁化方向为<111>，<100>方向为难磁化方向。钴是六角晶体，易磁化方向是<0001>方向，即与六边形柱体轴的方向重合。

图7-15 铁、镍、钴沿不同晶向的磁化曲线

a）铁 b）镍 c）钴

图7-16 磁化功示意图(www.xing528.com)

立方晶体沿<uvw>方向磁化和沿<001>方向磁化功的差E_K=W_<uvw>-W_<001>称为磁晶各向异性能。很明显，磁晶各向异性能是磁化方向或磁化强度方向的函数。对立方晶体，设α₁、α₂和α₃分别是磁化强度与三个晶轴的方向余弦。所以E_K=f（α₁，α₂，α₃）。这是多元函数，将它按泰勒级数展开，并根据晶体的对称性和三角函数的关系式，可得

式中，K₁、K₂称为磁晶各向异性常数。当K₂很小时，可以只用K₁来描述立方晶体的磁晶各向异性能E_K。对铁来说，K₁是正的，对镍来说，K₁是负的。

对其他结构晶体，磁晶各向异性能也与其磁晶各向异性常数有关，六方晶体对称性差，各向异性大。

磁晶各向异性常数K₁和K₂或K₁+K₂是衡量材料的磁各向异性大小的重要常数，它的大小与晶体的对称性有关。晶体的对称性越低，它的K₁+K₂的数值越大。K₁和K₂是内禀特性。也即主要决定材料成分。

磁晶各向异性的起源有多种解释。用自旋—轨道相互作用解释的中心思想是，磁晶各向异性和晶体场对电子轨道运动的影响有关。一方面电子轨道磁矩产生的磁场对电子自旋运动作用，使轨道和自旋间存在耦合作用；另一方面电子轨道平面受晶体场作用能量间并被消除，这两方面的作用叠加在一起，就使得原子磁矩倾向于在晶体的某些方向上能量低，而在另一些方向上能量高。原子磁矩能量低的方向为易磁化方向，而能量高的方向为难磁化方向。在无外磁场作用的平衡状态下，原子磁矩倾向于排列在易磁化方向上。