第3章技术磁化1

1、第3章 技术磁化磁性材料中的基本现象；磁畴结构；技术磁化；动态磁化 磁各向异性 磁致伸缩本节将要讲述的主要内容：磁体在不同方向上具有不同的磁特性，这种现象称为磁各向异性材料磁化时尺寸形状发生变化的现象，称为磁致伸缩3.1 磁性材料中的基本磁现象材料沿不同方向磁化的难易程度不同易磁化轴100难磁化轴111铁单晶磁化曲线3.1.1磁各向异性钴单晶磁化曲线易磁化轴0001难磁化轴1010镍单晶磁化曲线易磁化轴111难磁化轴100铁磁体由磁中性磁化到饱和需要作一定的功：00MWHdM沿不同方向磁化所作的功不同，所需的磁化能也不同，这种与磁化方向有关的能量称为磁各向异性能磁各向异性能磁各向异性可分为五类

2、：磁晶各向异性磁形状各向异性磁应力各向异性感生磁各向异性交换磁各向异性结晶磁体的磁化与晶轴有关的特性沿不同方向的磁化与磁体积和形状有关的特性磁化方向与应力方向有关的特性在材料制备或处理过程中形成的一种磁各向异性与磁矩的交换作用有关的磁各向异性磁晶各向异性能22222222211223312123()KEKK 2412sinsinKUUEKK立方晶系六角晶系立方晶系的磁晶各向异性数，是材料的磁特性的重要参数之一磁晶各向异性常数晶体的易磁化轴或难磁化轴是随着各向异性常数K1和K2的相对大小及其符号的变化而变化的。111100100110110111最难100111110100111110较难110

3、110111111100100易 至+ 至至9K1至 至9K1+至 K1K2+K19494194K194K19 K19 K表表 立方晶体的各向异性与立方晶体的各向异性与K1和和K2的关系的关系磁晶各向异性随温度的变化关系Fe的磁晶各向异性常数随温度变化Ni的磁晶各向异性常数随温度变化磁晶各向异性随温度的变化关系Co的晶体各向异性常数随温度的变化磁晶各向异性机制磁各向异性的微观机构是与电子自旋和轨道的相互耦合作用以及晶体电场效应有关的分布在晶格上的原子或离子，由于受到近邻原子的静电性质的晶体电场作用，导致了电子轨道的“冻结”，使其电子轨道失去了自由状态时的在空间的各向同性，特别是当电子云的分布变

4、为各向异性的形状时，再通过电子自旋和轨道之间的磁相互耦合作用，就导致了电子自旋取向的各向异性磁晶各向异性机制如图示：由于S-L相互耦合作用使非球形对称的电子云分布随自旋取向而变化，因而导致了波函数交叠程度及交换作用依赖于自旋取向，因此产生了各向异性的交换作用。退火产生的感生磁各向异性21.5%Fe-Ni合金磁化曲线：A：纵向磁场冷却B：冷却时无磁场C：在垂直或圆磁场中冷却该片材具有大的单轴磁各向异性，其易磁化轴位于片材面内，垂直于冷轧方向轧制产生的感生磁各向异性图为恒磁导率铁镍钴合金的磁化曲线和磁畴结构平行于轧制方向的磁化完全通过磁畴转动来实现，为线性磁化曲线磁性材料由于磁化状态的改变，其长度

5、和体积都要发生微小的变化，这种现象称为磁致伸缩磁致伸缩有三种表现：沿着外磁场方向尺寸的相对变化称为纵向磁致伸缩；垂直于外磁场方向尺寸的相对变化称为横向磁致伸缩；磁体体积的相对变化称为体积磁致伸缩。线性磁致伸缩，是论的重点体积磁致伸缩量很小，通常被忽略3.1.2 磁致伸缩S/ l l 磁致伸缩系数：磁致伸缩的大小与外磁场强度有关 饱和磁致伸缩系数SS0 ：正磁致伸缩,如铁S0 ：负磁致伸缩，如镍实例：磁致伸缩产生的机制外加磁场后，磁偶极子趋于同向排列。与（a）图相比，（b）图处于低能状态，更加稳定于是，由（a）态变为（b）态，产生了磁致伸缩效应 磁畴成因 畴壁结构 畴壁类型 磁畴结构本节将要讲述

6、的主要内容：3.2 磁畴结构铁铁磁体能量磁体能量 =退磁场能 +交换能 +磁各向异性能+磁场能存在外磁场时+磁弹性能存在外应力时磁畴成因稳定的磁结构要求：总能量最低无外应力和外磁场时，交换能、磁晶各向异性能和退磁场能之和应取极小值。若交换能和磁晶各向异性能同时取最小值，自发磁化只能分布在一个易磁化方向上磁体表面出现磁极，产生退磁场磁体总能量增加，自发磁化一致取向不稳定为降低退磁场能量，磁体内部分成许多大小和方向基本一致的自发磁化区域，即磁畴磁畴形成过程图示a）中，自发磁化单一取向，出现表面磁极，磁场能很大；b）中，为降低表面退磁场能，自发磁化分成两个反平行的磁畴，降低了表面退磁能；c）中，分成

7、4个反向平行的磁畴，退磁能进一步降低，总能量减小；磁畴进行分割，退磁场能（）降低的同时，由畴间交换能和磁晶各向异性能构成的畴壁能（）必然增加，所以由退磁场能与畴壁能共同决定能量的极小值来确定磁畴的数目。(0DdwdwEEEEDEEDD铁磁体内的总能量为：退磁场能）（畴壁能）满足能量最小原理=0，则其中 为磁畴宽度；畴壁是相邻两磁畴之间磁矩按一定规律逐渐改变方向的过渡层在过渡层中，相邻磁矩不平行，导致交换能增加（） ；又离开易磁化轴，导致磁晶各向异性能增加（） 。畴壁中包括的原子层数越多，在畴壁中引起的交换能增加越小；畴壁中包括的原子层数越多，畴壁中的磁晶各向异性能就越大。增加的交换能与磁晶各向

8、异性能之和最小，决定了畴壁的厚度。以图示的180畴壁中的畴壁转向的情况为例，计算畴壁的厚度。0exkexkNNNww用，分别表示畴壁中的交换能和磁晶各向异性能表示单位面积畴壁中的总畴壁能，则需满足：畴壁类型根据畴壁两侧磁畴的自发磁化方向间的关系，可分为1800畴壁和900畴壁： 1800畴壁 畴壁两侧的自发磁化强度方向互成1800 。单易磁化轴晶体只有1800畴壁，多轴晶体中也有1800畴壁； 900畴壁 畴壁两侧磁畴的自发磁化强度方向间的角度不为1800，而是900、1070和710等，一律称为900畴壁。900畴壁示例根据畴壁中磁矩的过渡方式，可将畴壁分为布洛赫壁和奈尔壁两种类型：布洛赫壁

9、 大块晶体材料内的畴壁属于布洛赫壁。在布洛赫壁中，磁矩的过渡方式是始终平行于畴壁平面，前面1800畴壁即为布洛赫壁；奈尔壁 极薄的磁性薄膜中存在奈尔壁。在奈尔壁中，磁矩围绕薄膜平面的法线改变方向，并且是平行于薄膜表面而逐步过渡的。奈尔壁示例磁畴结构理想铁磁体磁畴结构有：开放型磁畴、闭流型磁畴以及表面树枝状磁畴结构等。当磁畴内部含有杂质，空泡，应力等不均匀性因素时，结构变得复杂 两种特殊的磁畴结构：单畴和磁泡畴。 对于理想的铁磁性晶体，磁畴结构通常排列整齐，且均匀地分布在各个易磁化轴的方向上。当晶体内存在空泡、搀杂、内应力、晶粒边界以及合金中的成分起伏等因素的作用时，磁畴结构变得非常复杂（不讨论

10、） 。开放型磁畴又称片状磁畴结构 会在磁体表面形成自由磁极，使磁体具有一定的退磁场能量。由畴壁能和退磁场能构成的总能量取极小值决定了磁体稳定状态下的磁畴结构。 主畴和闭合畴形成闭合磁路，使其上、下表明退磁场能为零。 畴壁与其两侧畴内的自发磁化强度MS应成45角度，以保证畴壁面上无退磁场 闭流型磁畴表面树枝状磁畴结构表面与磁畴中的自发磁化方向不平行，为了降低退磁场能，产生树枝状磁畴结构杂质、气泡等的影响SNNSNS(a)畴壁在杂质中心(b)畴壁在杂质附近看出：畴壁在杂质中心时，退磁场能减小很多，同时畴壁面积减小，畴壁能降低。因此畴壁位于杂质中心时为最稳定状态，畴壁位移需要外磁场做功。所以，这种杂质和空隙越多，畴壁移动越困难，磁导率越小单畴在大块材料中，若不形成多畴，则退磁场能量很高，所以大块材料以多畴结构最为稳定。若材料的尺寸变得很小，成为多畴时的畴壁能比单畴的退磁场能还要高，这时材料将不在分畴，形成单畴结构，具有更低的能量。存在单畴的临界尺寸。铁磁体大于临界尺寸时，具有多畴结构；小于临界尺寸时，则为单畴结构。临界尺寸为铁磁体成为单畴结构的最大尺寸。畴壁能 ：3222()rr