磁电效应的等效电路分析文献综述

 2021-11-07 10:11

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磁电效应包括电流磁效应和狭义的磁电效应。电流磁效应是指磁场对通有电流的物体引起的电效应,如磁阻效应和霍耳效应;狭义的磁电效应是指物体由电场作用产生的磁化效应或由磁场作用产生的电极化效应如电致磁电效应或磁致磁电效应。磁电效应的分析方法一般包括弹性力学,格林函数和等效电路三种方法。而等效电路法在研究磁电效应的频率响应,电路负载对谐振频率的影响等方面具有独特的优势。

等效电路的定义并非指的是不同电路有相同的效果,而是指同一个电路的不同的表示方法。当电路中某一部分用其等效电路代替之后,未被代替的部分电压和电流均不发生变化,也就是说电压和电流不变的部分只是等效部分以外的电路,故称对外等效。 等效电路是为了分析电路,把固态电子器件表示成由某些路元件组成的简单电路模型。

磁电材料在磁记录等方面具有巨大的潜在应用价值。在过去的几十年内,人们对单相材料和复合材料的磁电效应进行了广泛的研究。下面对磁电效应的研究情况进行相应的概括和梳理。

段纯刚在2009年第29卷第3期《物理学进展》中发表《磁电效应研究进展》一文,认为:磁电效应不仅仅在现象上区别于电磁感应,它所具有的物理内涵也不是经典的麦克斯韦方程能够诠释的。事实上,磁电效应具有多种产生机制,它深刻地反映了在微观层次上物质内稟性质之间的紧密联系,其解释涉及量子论,相对论,统计热力学,多体理论,群论等现代数学和物理先进理论在固体领域的应用,而如果没有迄今才发展较为成熟的计算机技术和固体能带计算理论作支撑,要想定量探索磁电效应产生的微观物理机制也是不可想象的。

鲍丙豪在2011年第41卷第1期《中国科学》上发表《纵向极化与磁化的压电/磁伸材料磁电效应理论及实验》提到:磁电(ME)效应是指表征介质磁学性质的磁学量与表征介质电学量之间存在耦合作用, 即施于材料的磁场 H 可引起材料极化强度 P 改变或电场 E 可引起材料磁化强度 M 变化的效应。

李超在《基于磁电效应的磁电器件等效电路研究与微波器件设计》中提出:对于多铁性磁电层合材料,磁电效应是其重要表征。是施加外磁场引发电极化发生变化或者施加电场引发磁极化发生变化的效应。其取决于层合材料内部的磁-机-电相互耦合,由于磁电层合材料中磁致伸缩相和压电相的乘积效应,当在外加磁场的作用下时,磁致伸缩相因磁致伸缩效应产生应变和应力,通过粘接层传递给压电相,并由于逆压电效应产生极化电压/电场,从而实现磁电转换。同时,磁电效应也可以视作磁致伸缩效应和压电效应的乘积效应,是一个磁-机-电耦合效应。

仲崇贵在《磁电效应和现状》中指出:自从在掺杂的LaMnO3中发现其磁相变温度附近存在巨磁阻现象以来,人们对钙钛矿结构的锰氧化物的研究产生了极大的兴趣,并逐渐形成了两大热点:一是对掺杂的钙钛矿锰酸盐RMnO3薄膜体系磁输运性质的研究;二是在离子半径较小的六角结构的化合物中,由于晶体结构属于非中心对称的空间群,同时自发存在铁电和铁磁有序耦合导致的一些新的磁电效应。

熊锐在《发展中的磁电材料》中提到:磁电感应发生于磁偶极子和电偶极子共存的材料。能产生磁电感应的材料可分为2大类,即单相材料和复相合成材料。其单相材料一般具有规则的结构且存在铁电态(或亚铁电态或反铁电态)。材料发生磁电感应时其内部有序磁亚点阵和有序铁电亚点阵相互作用,完成2个跃迁,一个是铁电态到顺电态的跃迁,另一个是铁磁态(亚铁磁态或反铁磁态)到顺磁态的跃迁。铁电序和磁序的出现常常伴随着铁弹性的发生,从而产生能满足铁电型离子运动的结构性的通道和通常情况下为超交换型的磁相互作用路径以及对称性的环境。因此,用顺磁离子替代氧八面体钙钛矿铁电物质中的反磁性离子从而合成的铁电铁磁物质也可以发生磁电感应。

2002年,M.I.Bichurin及其小组成员在《Magnetic and Magnetoelectric Susceptibilities of a Ferroelectric/Ferromagnetic Composite at Microwave Frequencies》提出了铁酸盐与PZT层状复合物在铁磁共振时的磁电耦合唯象理论模型]。其表达式是关于磁化率、磁电感应磁化系数、磁电耦合常量的方程。该理论指出:在影响磁化率的电场中,材料有唯一的共振。随后他们又在《Resonance Magnetoelectric Effects in Layered Magnetostrictive Piezoelectric Composites》研究了在机电共振频率下铁酸镍/PZT层合物的磁电共振效应与频率的关系。机电共振的频率范围是100kHz到10MHz,比磁振子频率、光-声子频率和铁磁共振的频率低。该理论模型是针对纵向场结构的圆盘状复合物提出的,特别适用于含铁酸盐(例如:铁酸钴、铁酸镍、铁酸锂)的复合物。

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