材料的磁性能(1)

1、第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 n物质的磁性物质的磁性n铁磁性与亚铁磁性铁磁性与亚铁磁性n自发磁化与技术磁化自发磁化与技术磁化n动态磁化动态磁化n磁性材料磁性材料掌握磁性的起掌握磁性的起因及其参量因及其参量掌握磁性的分掌握磁性的分类及铁磁物质类及铁磁物质的特性的特性了解磁性材料了解磁性材料及其在材料研及其在材料研究中的应用。究中的应用。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 n磁性的起源：原子 磁矩电 子电荷：e 自旋： 磁矩： 自旋磁矩轨道磁矩原 子 核电荷：e自旋： 1磁矩： N原 子 磁 矩电子磁矩原子核磁矩未 成 对 电 子固有3.1.1 3.1.1 磁性的产生及磁学基本参磁性

2、的产生及磁学基本参量量1 1、磁化强度、磁化强度 M 单位：单位：A/m 或高斯（或高斯（Gs），矢量，由），矢量，由S极指向极指向N极。极。2 2、磁场强度、磁场强度 H 4 4、磁感应强度、磁感应强度 BB = 0 (H+M)单位：特斯拉（单位：特斯拉（T T）韦）韦/ /米米2 2 (Wb/m (Wb/m2 2) ) 3 3、磁化率、磁化率 M/H第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第一节第一节 物质的磁性物质的磁性磁性的基本参量5 5、磁矩、磁矩m7 7、磁导率、磁导率 6 6、磁通量、磁通量 3.1.2 3.1.2 磁性的分类磁性的分类第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第一

3、节第一节 物质的磁性物质的磁性分类的原则是分类的原则是什么呢？什么呢？宏观：根据宏观：根据磁化率磁化率的大小的大小微观：是否有固有原子磁矩？微观：是否有固有原子磁矩？是否有相互作用？是否有相互作用？是什么相互作用？是什么相互作用？ 1. 抗磁性：抗磁性：没有固有原子磁矩没有固有原子磁矩 2. 顺磁性：顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用有固有磁矩，没有相互作用 3. 铁磁性：铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用有固有磁矩，直接交换相互作用 4. 反铁磁性：反铁磁性：有磁矩，直接交换相互作用有磁矩，直接交换相互作用 5. 亜铁磁性：亜铁磁性：有磁矩，间接交换相互作用有磁矩，间接交换相互作用 6. 自

4、旋玻璃和混磁性：自旋玻璃和混磁性：有磁矩，有磁矩，RKKY相互作用相互作用 7. 超顺磁性：超顺磁性：磁性颗粒的磁晶各向异性与热激发的竞争磁性颗粒的磁晶各向异性与热激发的竞争第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第一节第一节 物质的磁性物质的磁性1 1、抗磁性、抗磁性0，M与与H方向相反方向相反 ；磁化率；磁化率很小，很小，-10-5 -10-6 第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第一节第一节 物质的磁性物质的磁性 在与外磁场相反的方向诱导出磁化强度的现象称为抗磁性。在与外磁场相反的方向诱导出磁化强度的现象称为抗磁性。产生的机理：产生的机理：外磁场穿过电子轨道时，引起的电磁感应使外磁场

5、穿过电子轨道时，引起的电磁感应使轨道电子加速。根据楞次定律，由轨道电子的这种加速运轨道电子加速。根据楞次定律，由轨道电子的这种加速运动所引起的磁通，总是与外磁场变化相反，因而磁化率是动所引起的磁通，总是与外磁场变化相反，因而磁化率是负的。负的。注：注：任何物质在外场作用下均具有抗磁效应，但只有原子的任何物质在外场作用下均具有抗磁效应，但只有原子的电子壳层完全填满了的电子物质，抗磁性才能表现出来。电子壳层完全填满了的电子物质，抗磁性才能表现出来。（它出现在没有原子磁矩的材料中）（它出现在没有原子磁矩的材料中）物质的磁性不是由电子的轨道磁矩和自旋磁矩本身所产生，而是由外加磁场作用下电子绕核运动所感

6、生的附加磁场造成的。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第一节第一节 物质的磁性物质的磁性几种特殊材料的抗磁性几种特殊材料的抗磁性 1、惰性气体；离子型固体，如氯化钠等；共价键的碳、硅、惰性气体；离子型固体，如氯化钠等；共价键的碳、硅、锗、硫、磷等通过共有电子而填满了电子层；一些金属如铜、锗、硫、磷等通过共有电子而填满了电子层；一些金属如铜、银、锡等。银、锡等。 2、超导材料：在超导态，磁通密度、超导材料：在超导态，磁通密度B总是总是0，即使存在外磁，即使存在外磁场场H，也是如此，也是如此(迈斯纳效应迈斯纳效应)。 3、一些有机化合物，例如苯环中的、一些有机化合物，例如苯环中的p电子像轨道

7、电子那样电子像轨道电子那样做园周运动，苯环相当于闭合壳层。当磁场垂直于环作用时，做园周运动，苯环相当于闭合壳层。当磁场垂直于环作用时，呈现很强的抗磁性，磁场平行于环面时没有抗磁性。呈现很强的抗磁性，磁场平行于环面时没有抗磁性。 第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第一节第一节 物质的磁性物质的磁性2 2、顺磁性、顺磁性0， M与与H方向相同；方向相同； 10-310-5顺磁性物质的原子或离子具有一定的磁矩，这些原子磁矩来源顺磁性物质的原子或离子具有一定的磁矩，这些原子磁矩来源于未满的电子壳层于未满的电子壳层(例如过渡族元素的例如过渡族元素的3d壳层壳层)。在顺磁性物质。在顺磁性物质中，磁性

8、原子或离子分开的很远，以致它们之间没有明显的相中，磁性原子或离子分开的很远，以致它们之间没有明显的相互作用，因而在没有外磁场时，由于热运动的作用，原子磁矩互作用，因而在没有外磁场时，由于热运动的作用，原子磁矩是无规混乱取向。当有外磁场作用时，原子磁矩有沿磁场方向是无规混乱取向。当有外磁场作用时，原子磁矩有沿磁场方向取向的趋势，从而呈现出正的磁化率。取向的趋势，从而呈现出正的磁化率。朗日万顺朗日万顺磁理论磁理论第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第一节第一节 物质的磁性物质的磁性顺磁体磁化过程示意图顺磁体磁化过程示意图第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第一节第一节 物质的磁性物质的磁性

9、注：注： A 材料的顺磁性来源于原子的固有磁矩。材料的顺磁性来源于原子的固有磁矩。 产生顺磁性的条件就是原子的固有磁矩不为零。产生顺磁性的条件就是原子的固有磁矩不为零。B 在以下几种情况下，原子或正离子具有固有磁矩。在以下几种情况下，原子或正离子具有固有磁矩。 (1)具有奇数个电子的原子或点阵缺陷。具有奇数个电子的原子或点阵缺陷。 (2)内壳层未被填满的原子或离子。金属中主要有过渡内壳层未被填满的原子或离子。金属中主要有过渡族金属族金属(d壳层没有填满电子壳层没有填满电子)和稀土族金属和稀土族金属(f壳层没有填壳层没有填满电子满电子)。C 顺磁性物质的磁化率是抗磁性物质磁化率的顺磁性物质的磁化

10、率是抗磁性物质磁化率的1103倍，倍，所以在顺磁性物质中抗磁性被掩了。所以在顺磁性物质中抗磁性被掩了。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第一节第一节 物质的磁性物质的磁性 大多数物质都属于顺磁性物质，如室温下的稀土金届，居大多数物质都属于顺磁性物质，如室温下的稀土金届，居里点以上的铁、钻、镍还有锂、钠、钾、钻、铝、钒等均里点以上的铁、钻、镍还有锂、钠、钾、钻、铝、钒等均属于顺磁性物质。此外，过渡族金属的盐也表现为顺磁性。属于顺磁性物质。此外，过渡族金属的盐也表现为顺磁性。 金属自由电子的磁性：金属自由电子的磁性： 1)金属的抗磁性和顺磁性都来自于费密面附近的少数电子金属的抗磁性和顺磁性都

11、来自于费密面附近的少数电子; 2)抗磁性来源于自由电子在磁场作用下做螺旋运动；抗磁性来源于自由电子在磁场作用下做螺旋运动； 3)顺磁性来源于磁场的作用使自旋向上、向下的态密度发生变化；顺磁性来源于磁场的作用使自旋向上、向下的态密度发生变化； 4)它们都只能用量子力学来解释；磁化率与温度无关。它们都只能用量子力学来解释；磁化率与温度无关。补充：补充：3 3、铁磁性、铁磁性0， 104第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第一节第一节 物质的磁性物质的磁性在较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度。在较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度。 磁化强度与磁场成非线性关系。磁化强度与磁场成非线性关

12、系。物质具有铁磁性的基本条件：物质具有铁磁性的基本条件：(1)物质中的原子有磁矩；物质中的原子有磁矩；(2)原子磁矩之间有相互作用。实验事实：铁磁性物质在居里原子磁矩之间有相互作用。实验事实：铁磁性物质在居里温度以上是顺磁性；居里温度以下原子磁矩间的相互作用温度以上是顺磁性；居里温度以下原子磁矩间的相互作用能大于热振动能，显现铁磁性。能大于热振动能，显现铁磁性。具体材料有金属具体材料有金属Fe、Co、Ni，某些稀土元素以及由，某些稀土元素以及由Fe、Co、Ni组成的合金等。组成的合金等。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第一节第一节 物质的磁性物质的磁性4 4、反铁磁性、反铁磁性0， M

13、与与H方向相同；方向相同；10-510-3在反铁磁性中，近邻自旋反平行排列，它们的磁矩因而相互在反铁磁性中，近邻自旋反平行排列，它们的磁矩因而相互抵消。因此反铁磁体不产生自发磁化磁矩，显现微弱的磁性。抵消。因此反铁磁体不产生自发磁化磁矩，显现微弱的磁性。与顺磁体不同的是与顺磁体不同的是 自旋结构的有序化。自旋结构的有序化。当施加外磁场时，由于自旋间反平行耦合的作用，正负自旋转当施加外磁场时，由于自旋间反平行耦合的作用，正负自旋转向磁场方向的转矩很小，因而磁化率比顺磁磁化率小。随着温向磁场方向的转矩很小，因而磁化率比顺磁磁化率小。随着温度升高，有序的自旋结构逐渐被破坏，磁化率增加，这与正常度升高

14、，有序的自旋结构逐渐被破坏，磁化率增加，这与正常顺磁体的情况相反。然而在某个临界温度以上，自旋有序结构顺磁体的情况相反。然而在某个临界温度以上，自旋有序结构完全消失，反铁磁体变成通常的顺磁体。因而磁化率在临界温完全消失，反铁磁体变成通常的顺磁体。因而磁化率在临界温度度(称奈耳温度称奈耳温度Neel point)显示出一个尖锐的极大值。显示出一个尖锐的极大值。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第一节第一节 物质的磁性物质的磁性具体材料有具体材料有Mn、Cr，还有如氧化镍、氧化锰等。，还有如氧化镍、氧化锰等。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第一节第一节 物质的磁性物质的磁性5 5、亚

15、铁磁性、亚铁磁性0与铁磁性相似，在亚铁磁体中，与铁磁性相似，在亚铁磁体中，A和和B次晶格由不同的磁性原次晶格由不同的磁性原子占据，而且有时由不同数目的原子占据，子占据，而且有时由不同数目的原子占据，A和和B位中的磁性位中的磁性原子成反平行耦合，反铁磁的自旋排列导致一个自旋未能完原子成反平行耦合，反铁磁的自旋排列导致一个自旋未能完全抵消的自发磁化强度全抵消的自发磁化强度 这样的磁性称为亚铁磁性这样的磁性称为亚铁磁性亚铁磁性物质也是一种很重要的磁性材料，尖晶石型晶体、亚铁磁性物质也是一种很重要的磁性材料，尖晶石型晶体、石榴石型晶体等几种结构类型的铁氧体，稀土钴金属间化合石榴石型晶体等几种结构类型的

16、铁氧体，稀土钴金属间化合物和一些过渡族金属、非金属化合物都属于亚铁性物质。物和一些过渡族金属、非金属化合物都属于亚铁性物质。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第一节第一节 物质的磁性物质的磁性第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第二节第二节 铁磁性和亚铁磁性材料的特性铁磁性和亚铁磁性材料的特性特性主要分为两类特性主要分为两类内禀特性内禀特性-与内部原子结构和晶体结构与内部原子结构和晶体结构有关的特性。有关的特性。磁化特性磁化特性-与磁化过程有关的特性与磁化过程有关的特性3.2.13.2.1与内部原子结构和晶体结构有关的特性与内部原子结构和晶体结构有关的特性一、自发磁化强度（一、自发磁

17、化强度（Ms）第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第二节第二节 铁磁性和亚铁磁性材料的特性铁磁性和亚铁磁性材料的特性铁磁性物质的原子都具有原子磁矩，同时又具有晶格结构，铁磁性物质的原子都具有原子磁矩，同时又具有晶格结构，这样它们的原子磁矩按照一定的规律排列在晶格点阵中。因这样它们的原子磁矩按照一定的规律排列在晶格点阵中。因此，每一个原子受到周围临近原子的强烈作用，使邻近原子此，每一个原子受到周围临近原子的强烈作用，使邻近原子的磁矩方向趋向平行某一晶轴方向，因而自发地产生磁化强的磁矩方向趋向平行某一晶轴方向，因而自发地产生磁化强度度Ms。它决定于铁磁物质的原子结构和邻近原子间相互作用，。它决

18、定于铁磁物质的原子结构和邻近原子间相互作用，并随温度而变化。并随温度而变化。二、居里温度（二、居里温度（Tc）当在某温度以下，迫使临近原子取向一致的相互作用超过当在某温度以下，迫使临近原子取向一致的相互作用超过原子热运动的破坏作用。则在该温度以下，可形成一定程原子热运动的破坏作用。则在该温度以下，可形成一定程度的自发磁化，在该温度以上，原子热运动超过了原子磁度的自发磁化，在该温度以上，原子热运动超过了原子磁矩取向一致的作用，而变为混乱状态，呈顺磁性。该温度矩取向一致的作用，而变为混乱状态，呈顺磁性。该温度叫叫居里温度居里温度。 日常使用的电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中央

19、装了一块磁铁和一块居里点为105的磁性材料。当锅里的水分干了以后，食品的温度将从100度上升。当温度到达大约105度时，由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。电饭锅的控温原理是什么？电饭锅的控温原理是什么？第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第二节第二节 铁磁性和亚铁磁性材料的特性铁磁性和亚铁磁性材料的特性三、磁晶各向异性和各向异性能三、磁晶各向异性和各向异性能晶体的磁性在各个晶轴方向是不一样的，这种性质叫晶体的磁性在各个晶轴方向是不一样的，这种性质叫磁磁晶各向异性。晶各向异性。磁晶各向异性参

20、数用磁晶各向异性参数用K1表示，表示，表征某铁磁物质在外磁场表征某铁磁物质在外磁场下磁化时的难易程度。下磁化时的难易程度。磁化功示意图磁化功示意图为了使铁磁体磁化，要消耗一定为了使铁磁体磁化，要消耗一定的能量它在数值上等于右图中的能量它在数值上等于右图中阴影部分的面积，称为阴影部分的面积，称为磁化功磁化功。磁化矢量沿不同晶轴方向的能量磁化矢量沿不同晶轴方向的能量差代表差代表磁晶各向异性能磁晶各向异性能，用，用Ek表表示。示。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第二节第二节 铁磁性和亚铁磁性材料的特性铁磁性和亚铁磁性材料的特性3.2.23.2.2与磁化过程有关的特性与磁化过程有关的特性一、磁

21、化曲线一、磁化曲线Bs饱和磁感应强度饱和磁感应强度0起始磁导率起始磁导率m 最大磁导率最大磁导率Hc 矫顽力矫顽力Br 剩余磁感应强度剩余磁感应强度第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第二节第二节 铁磁性和亚铁磁性材料的特性铁磁性和亚铁磁性材料的特性二、磁滞回线二、磁滞回线磁滞现象磁滞现象-退磁过程中退磁过程中M的变化落后于的变化落后于H的变化。的变化。磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，称为磁滞磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，称为磁滞损耗损耗Q。其大小为：。其大小为：3.2.3 3.2.3 铁磁体的形状各向异性及退磁能铁磁体的形状各向异性及退磁能形状各向异性形状各

22、向异性-由退磁场引起的由退磁场引起的第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第二节第二节 铁磁性和亚铁磁性材料的特性铁磁性和亚铁磁性材料的特性铁磁体的形状各向异性铁磁体的形状各向异性第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第二节第二节 铁磁性和亚铁磁性材料的特性铁磁性和亚铁磁性材料的特性铁磁体的退磁场铁磁体的退磁场退磁场退磁场-在铁磁体内部产生的与铁在铁磁体内部产生的与铁磁体的磁化强度方向相反的磁场，它磁体的磁化强度方向相反的磁场，它起到退磁的作用，因此称为退磁场起到退磁的作用，因此称为退磁场退磁场的表达式：退磁场的表达式：式中：式中：N和和D称为退磁因子称为退磁因子退磁能退磁能第三章第三章

23、材料的磁性能材料的磁性能 第二节第二节 铁磁性和亚铁磁性材料的特性铁磁性和亚铁磁性材料的特性3.2.4 3.2.4 磁致伸缩与磁弹性能磁致伸缩与磁弹性能可分为两类：可分为两类：正磁致伸缩正磁致伸缩是材料在磁化方向伸长，而在垂直于磁化方向缩短，是材料在磁化方向伸长，而在垂直于磁化方向缩短，例如铁。例如铁。负磁致伸缩负磁致伸缩是材料在磁化方向缩短，而在垂直于磁化方向伸长，例是材料在磁化方向缩短，而在垂直于磁化方向伸长，例如镍。如镍。这种性质将由它们的磁致伸缩系数值前面的正负号加以区别。这种性质将由它们的磁致伸缩系数值前面的正负号加以区别。磁致伸缩的简单模型磁致伸缩的简单模型n磁致伸缩磁致伸缩 在铁

24、磁体和亚铁磁体材料中，在铁磁体和亚铁磁体材料中，原子磁矩原子磁矩的定的定向排列，不仅导致向排列，不仅导致磁性质磁性质的各向异性，还导致的各向异性，还导致键合键合力力的各向异性和的各向异性和晶格常数晶格常数的择优取向。这种作用在的择优取向。这种作用在宏观上宏观上的表现为磁化方向上的的表现为磁化方向上的长度长度变化，即磁致伸变化，即磁致伸缩。利用磁致伸缩效应可以激励磁棒产生机械振动，缩。利用磁致伸缩效应可以激励磁棒产生机械振动，在电声技术有应用价值。在电声技术有应用价值。 第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第二节第二节 铁磁性和亚铁磁性材料的特性铁磁性和亚铁磁性材料的特性铁磁体和亚铁磁体，由

25、于磁化状态的改变，其形状和尺寸都会铁磁体和亚铁磁体，由于磁化状态的改变，其形状和尺寸都会发生微小变化，这种变化称为发生微小变化，这种变化称为磁致伸缩磁致伸缩。线磁致伸缩系数线磁致伸缩系数注：注：所有铁磁体均有磁致伸缩的特性，但不同的铁磁体其磁所有铁磁体均有磁致伸缩的特性，但不同的铁磁体其磁致伸缩系数不同，一般在致伸缩系数不同，一般在10-610-3之间之间体积磁致伸缩系数体积磁致伸缩系数其数量级约为10-810-10第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第二节第二节 铁磁性和亚铁磁性材料的特性铁磁性和亚铁磁性材料的特性 物体在磁化时要伸长物体在磁化时要伸长(或收缩或收缩)，如果受到限制，不能

26、伸，如果受到限制，不能伸长长(或缩短或缩短)，则在物体内部产生压应力，则在物体内部产生压应力(或拉应力或拉应力)。这样，。这样，物体内部将产生弹性能，称为物体内部将产生弹性能，称为磁弹性能磁弹性能。磁弹性能表达式：磁弹性能表达式：式中：式中：是磁化方向和应力方向的夹角，是磁化方向和应力方向的夹角， 是材料所受应力。是材料所受应力。 具有显著磁致伸缩效应的磁性材料称为磁致伸缩材具有显著磁致伸缩效应的磁性材料称为磁致伸缩材料。已实用的磁致伸缩材料分为料。已实用的磁致伸缩材料分为3 3类：类： （1）金属磁致伸缩材料。其饱和磁化强度较高，力）金属磁致伸缩材料。其饱和磁化强度较高，力学性能好，可承受较

27、高的功率，但电阻率低，不适用学性能好，可承受较高的功率，但电阻率低，不适用于高频段。常用的有铁基合金、镍基合金。于高频段。常用的有铁基合金、镍基合金。 （2）铁氧体磁致伸缩材料。其饱和磁化强度较低，）铁氧体磁致伸缩材料。其饱和磁化强度较低，材料的气隙率影响其力学性能，故不能承受较高功率，材料的气隙率影响其力学性能，故不能承受较高功率，但电阻率高，可用于高频段。但电阻率高，可用于高频段。 （3）巨磁致伸缩材料。其磁致伸缩系数（材料）巨磁致伸缩材料。其磁致伸缩系数（材料在磁场力作用下产生的伸缩量与材料原长度之比）在磁场力作用下产生的伸缩量与材料原长度之比）远高于常规材料，耦合系数也高；缺点是所需磁

28、化远高于常规材料，耦合系数也高；缺点是所需磁化场强高。场强高。磁致伸缩材料可用于制造超声和水声换能器件，磁致伸缩材料可用于制造超声和水声换能器件，如超声探伤器、超声钻头、回声探测器等；用如超声探伤器、超声钻头、回声探测器等；用于制造电信器件，如振荡器、滤波器、谐波发于制造电信器件，如振荡器、滤波器、谐波发生器等；也可用于制造自动控制器件及测量和生器等；也可用于制造自动控制器件及测量和传感器件。传感器件。 磁致伸缩液位仪磁致伸缩液位仪应用于各类储罐的液位测量。该种应用于各类储罐的液位测量。该种液位仪具有精度高、环境适应性强、液位仪具有精度高、环境适应性强、安装方便等特点。因此，广泛应用安装方便等

29、特点。因此，广泛应用于石油、化工等液位测量领域，并于石油、化工等液位测量领域，并逐渐取代了其它传统的传感器，成逐渐取代了其它传统的传感器，成为液位测量中的精品。为液位测量中的精品。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化充分的事实证明，铁磁性与顺磁性具有相同的来源。充分的事实证明，铁磁性与顺磁性具有相同的来源。铁磁性和顺铁磁性和顺磁性有这么磁性有这么大的区别？大的区别？外斯外斯(Weiss)铁磁性假说：铁磁性假说：铁磁物质内部存铁磁物质内部存在很强的在很强的“分子场分子场”，在，在“分子场分子场”的作用的作用下，原子磁矩趋于

30、同向平行排列，即自发磁下，原子磁矩趋于同向平行排列，即自发磁化至饱和，称为自发磁化；铁磁体内自发磁化至饱和，称为自发磁化；铁磁体内自发磁化分成若干个小区域化分成若干个小区域(这种自发磁化至饱和这种自发磁化至饱和的小区域称为磁畴的小区域称为磁畴)，由于各个区域，由于各个区域(磁畴磁畴)的磁化方向各不相同，其磁性被此相互抵消，的磁化方向各不相同，其磁性被此相互抵消，所以大块铁磁体对外不显示磁性。所以大块铁磁体对外不显示磁性。1928年海森堡年海森堡(Heisenberg)证明，相邻原子间有静电交证明，相邻原子间有静电交换作用并通过量子力学方法计算了铁磁体的自发磁化强度换作用并通过量子力学方法计算了

31、铁磁体的自发磁化强度以后，外斯理论才以量子交换力作为相互作用力起源以后，外斯理论才以量子交换力作为相互作用力起源表象理论第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化3.3.1 3.3.1 自发磁化自发磁化解释铁磁现象本身的性质解释铁磁现象本身的性质产生铁磁性的必要条件：产生铁磁性的必要条件：在原子的电子壳层中存在没有在原子的电子壳层中存在没有被电子填满的状态被电子填满的状态材料是否具有铁磁性的关键不在于组成材料的原子本身所材料是否具有铁磁性的关键不在于组成材料的原子本身所具有的磁矩大小，而在于形成凝聚态后原子间的相互作用。具有的

32、磁矩大小，而在于形成凝聚态后原子间的相互作用。一、铁磁性产生的原因一、铁磁性产生的原因铁和锰原子核外结构差异铁和锰原子核外结构差异第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化原子间什么力使其自发磁化？磁力磁力静电力静电力因为与热运动的能量相比，磁相因为与热运动的能量相比，磁相互作用的能量是太小了。互作用的能量是太小了。海森堡海森堡(Beisenberg)和佛兰克尔和佛兰克尔(Frank)按照量子按照量子论证明，物质内部相邻原子的电子之间有一种来源论证明，物质内部相邻原子的电子之间有一种来源于于静电静电的相互交换作用，由于这种交换

33、作用对系统的相互交换作用，由于这种交换作用对系统能量的影响，迫使各原子的磁炬平行或反平行排列。能量的影响，迫使各原子的磁炬平行或反平行排列。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化氢分子模型图氢分子模型图两原子之间存在四两原子之间存在四种相互作用种相互作用第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化考虑到电子自旋平行与反平行时系统的能量不同，用考虑到电子自旋平行与反平行时系统的能量不同，用E1和和E2分别表示这两种状态时氢分子的能量：分别表示这两种状态时氢分子

34、的能量：C是由于电子之间、核与电子之间的库仑作用而增加的能量项，是由于电子之间、核与电子之间的库仑作用而增加的能量项，A可以看做是两个原于的电子交换位置而产生的相互作用能，可以看做是两个原于的电子交换位置而产生的相互作用能，称为称为交换能或交换积分交换能或交换积分，它与原子间电荷分布的重叠有关。，它与原子间电荷分布的重叠有关。原子相互接近形成分子时，电子云要相互原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相互交换位置。重叠，电子要相互交换位置。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化 从式可以看出，自旋平行时系统的能量从

35、式可以看出，自旋平行时系统的能量E1和自旋反平行时和自旋反平行时系统的能量系统的能量E2究竟哪一个低，即哪一个处于稳定态的关键究竟哪一个低，即哪一个处于稳定态的关键在于交换积分在于交换积分A的符号。的符号。如果如果A E2，即电子自旋反平行排列为稳定态，即电子自旋反平行排列为稳定态，如果如果A0 ，则，则E1 E2，电子自旋平行排列为稳定态。，电子自旋平行排列为稳定态。自发磁化自发磁化强烈依赖原子之间的距离强烈依赖原子之间的距离第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化为了定量地表征原子核间距离与交换积分的关系，斯累特为了定量

36、地表征原子核间距离与交换积分的关系，斯累特(Slater)建议用金属点阵常数建议用金属点阵常数a与未填满壳层半径与未填满壳层半径d之比之比vad的变化来观察各金属交换积分的变化来观察各金属交换积分A的大小和符号。的大小和符号。交换积分交换积分A与与a/d的关系的关系反反铁铁磁磁性性铁铁磁磁性性顺顺磁磁性性第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化铁磁性产生的条件：铁磁性产生的条件：原子内部要有未填满的电子壳层；（原子本征磁矩不为零）原子内部要有未填满的电子壳层；（原子本征磁矩不为零）ad大于大于3使交换积分使交换积分A为正。（

37、要有一定的晶体结构）为正。（要有一定的晶体结构）解释温度对铁磁性的影响解释温度对铁磁性的影响温度升高温度升高原子间距增大原子间距增大降低交换作用降低交换作用破坏原子磁矩的规则取向破坏原子磁矩的规则取向居里温度后变为顺磁体居里温度后变为顺磁体第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化二、反铁磁性和亚铁磁性二、反铁磁性和亚铁磁性如果如果A E2，即电子自旋反平行排列为稳定态。，即电子自旋反平行排列为稳定态。如果相邻原子磁矩相等，由于原子磁矩反平行排列，原子如果相邻原子磁矩相等，由于原子磁矩反平行排列，原子磁矩相互抵消，自发磁化强度

38、等于零，这样一种特性就是磁矩相互抵消，自发磁化强度等于零，这样一种特性就是反铁磁性反铁磁性。如果相邻原子磁矩不相等，则自发磁化强度不等于零，这如果相邻原子磁矩不相等，则自发磁化强度不等于零，这一特性就是一特性就是亚铁磁性亚铁磁性。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化三、磁畴三、磁畴1、磁畴的观察、磁畴的观察通过通过粉纹法粉纹法和和磁光效应法磁光效应法进行实际的观察。进行实际的观察。 所谓所谓“粉纹法粉纹法”，是将待观察的样品表面进行适当处理，是将待观察的样品表面进行适当处理后，敷上一层含有铁磁粉末的悬胶，然后在放大镜或显

39、微镜后，敷上一层含有铁磁粉末的悬胶，然后在放大镜或显微镜下进行观察。由于露在样品表面的磁畴分界线上有磁极存在，下进行观察。由于露在样品表面的磁畴分界线上有磁极存在，因而出现散杂磁场，吸聚了悬胶中的铁磁粉末，这就使磁畴因而出现散杂磁场，吸聚了悬胶中的铁磁粉末，这就使磁畴界壁界壁(简称畴壁简称畴壁)显示出来。显示出来。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化 所谓所谓“磁光效应法磁光效应法”是利用平面偏振光在铁磁物质表面的是利用平面偏振光在铁磁物质表面的反射，或在透明的铁磁物质中透射时，偏振面都会旋转一个反射，或在透明的铁磁物质

40、中透射时，偏振面都会旋转一个角度的现象，通过检偏器来观察不同磁化方向磁畴所显示的角度的现象，通过检偏器来观察不同磁化方向磁畴所显示的明暗图像。显然，这种方法是通过整片磁畴明暗程度差别来明暗图像。显然，这种方法是通过整片磁畴明暗程度差别来区分磁畴，而不像粉纹法中观察到的是线纹。区分磁畴，而不像粉纹法中观察到的是线纹。主畴主畴-磁畴大而长，其自发磁化磁畴大而长，其自发磁化方向必定沿晶体的易磁化方向；方向必定沿晶体的易磁化方向；副畴副畴-小而短的磁畴，其磁化方小而短的磁畴，其磁化方向就不一定是晶体的易磁化方向，向就不一定是晶体的易磁化方向，磁畴示意图磁畴示意图磁性材料中常见的磁畴形状：条形畴，树枝状

41、畴和迷宫畴磁性材料中常见的磁畴形状：条形畴，树枝状畴和迷宫畴Fe -3%Si 单晶（单晶（111）晶面的磁畴结构）晶面的磁畴结构第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化2、磁畴壁、磁畴壁相邻磁畴的界限称为磁畴壁。相邻磁畴的界限称为磁畴壁。磁畴壁的种类磁畴壁的种类第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化磁畴壁是一过渡区磁畴壁是一过渡区第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化磁畴壁具有交换能

42、、磁晶各向异性能及磁弹性能。磁畴壁具有交换能、磁晶各向异性能及磁弹性能。畴壁能与壁厚的关系畴壁能与壁厚的关系磁晶各向异性能磁晶各向异性能畴壁交换能畴壁交换能注：注： 畴壁内部的能量总比畴内的能量畴壁内部的能量总比畴内的能量高，壁的厚薄和面积的大小都使高，壁的厚薄和面积的大小都使它具有一定的能量。它具有一定的能量。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化3、磁畴的起因、磁畴的起因朗道朗道(Landau)和李夫西茨和李夫西茨(Livshits)指出，关于磁畴存在指出，关于磁畴存在的更基本理由是的更基本理由是铁磁状态的能量，即磁畴

43、结构是对铁磁体铁磁状态的能量，即磁畴结构是对铁磁体能量的各种贡献所导致的自然结果能量的各种贡献所导致的自然结果。根据自发磁化的理论根据自发磁化的理论交换作用交换作用整个晶体自发磁化到饱和整个晶体自发磁化到饱和磁化应沿着晶体的易轴磁化应沿着晶体的易轴晶体有一定大小与形状晶体有一定大小与形状产生磁极产生磁极交换能和磁晶能达到最小交换能和磁晶能达到最小退磁能退磁能退磁场退磁场减少退磁能是分畴的基跑本动减少退磁能是分畴的基跑本动力。力。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化磁畴的起因磁畴的起因分畴后退磁能虽然减少，却增加了畴壁能，

44、因此不能无限制地分畴。分畴后退磁能虽然减少，却增加了畴壁能，因此不能无限制地分畴。随磁畴数目的增加退磁能减少，畴壁能增加，当达到畴壁能与退随磁畴数目的增加退磁能减少，畴壁能增加，当达到畴壁能与退磁能之和为最小值时，分畴就停止了，从而达到一种平衡状态的畴磁能之和为最小值时，分畴就停止了，从而达到一种平衡状态的畴结构。结构。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化4、多晶体中的磁畴、多晶体中的磁畴5、磁泡畴、磁泡畴多晶体多晶体的磁畴的磁畴对于单轴各向异性材料的对于单轴各向异性材料的薄晶片或薄膜，如果加偏薄晶片或薄膜，如果加偏置磁

45、场，可以使小圆柱形置磁场，可以使小圆柱形磁畴磁畴(直径在直径在1100范范围围)处于稳定状态。这种处于稳定状态。这种磁畴在显微镜下观察很像磁畴在显微镜下观察很像气泡，所以称为磁泡，气泡，所以称为磁泡，磁泡畴磁泡畴 （薄片向磁化，磁泡向（薄片向磁化，磁泡向下磁化）下磁化）第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化3.3.2 3.3.2 技术磁化理论技术磁化理论技术磁化过程，就是外加磁场对磁畴的作用过程，也就是外技术磁化过程，就是外加磁场对磁畴的作用过程，也就是外加磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向加磁场把各个磁畴的磁矩方向转

46、到外磁场方向(或近似外磁或近似外磁场方向场方向)的过程。的过程。技术磁化是通过两种形式进行的：技术磁化是通过两种形式进行的：一是磁畴壁的迁移一是磁畴壁的迁移，一是一是磁畴的旋转。磁畴的旋转。磁化过程中有时只有其中一种方式起作用，有磁化过程中有时只有其中一种方式起作用，有时是两种方式同时作用。时是两种方式同时作用。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化磁化曲线分布示意图磁化曲线分布示意图在弱磁场的作用下，对于自发磁化方向在弱磁场的作用下，对于自发磁化方向与磁场成锐角的磁畴发生扩张，而成钝与磁场成锐角的磁畴发生扩张，而成钝角的

47、磁畴则缩小。这个过程是通过畴壁角的磁畴则缩小。这个过程是通过畴壁的迁移来完成，由于这种畴壁的迁移，的迁移来完成，由于这种畴壁的迁移，材料在宏观上表现出微弱的磁化，然而材料在宏观上表现出微弱的磁化，然而畴壁的这种微小的迁移是可逆的如这畴壁的这种微小的迁移是可逆的如这时去除外磁场，则磁畴结构和宏观磁化时去除外磁场，则磁畴结构和宏观磁化都将恢复到原始状态。都将恢复到原始状态。继续增强磁场，畴壁将发生瞬时的跳继续增强磁场，畴壁将发生瞬时的跳跃。换言之，某些与磁场成钝角的磁跃。换言之，某些与磁场成钝角的磁畴瞬时转向与磁场成锐角的易磁化方畴瞬时转向与磁场成锐角的易磁化方向。故表现出强烈的磁化。向。故表现出

48、强烈的磁化。磁化率的变化磁化率的变化第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化（1）畴壁迁移磁化）畴壁迁移磁化晶磁能低晶磁能低晶磁能高晶磁能高 畴壁只是元磁矩方向逐渐改畴壁只是元磁矩方向逐渐改变的过渡层。所谓畴壁的右变的过渡层。所谓畴壁的右移，实际上是右畴靠近畴壁移，实际上是右畴靠近畴壁的一层元磁矩，由原来朝下的一层元磁矩，由原来朝下的方向开始转动，相继进入的方向开始转动，相继进入畴壁区。与此同时，畴壁区畴壁区。与此同时，畴壁区各元磁矩也发生转动，且最各元磁矩也发生转动，且最左边一层磁矩最终完成了转左边一层磁矩最终完成了转动过

49、程，脱离畴壁区而加入动过程，脱离畴壁区而加入左畴的行列。左畴的行列。壁移磁化本质上也是一种元磁矩的转动壁移磁化本质上也是一种元磁矩的转动过程，但只是靠近畴壁的元磁矩局部地过程，但只是靠近畴壁的元磁矩局部地先后转动，而且从一个磁畴磁化方向到先后转动，而且从一个磁畴磁化方向到相邻磁畴磁化方向转过的角度是一定相邻磁畴磁化方向转过的角度是一定第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化影响畴壁迁移的因素：影响畴壁迁移的因素：（a）铁磁材料中夹杂物、第二相、空隙的数量及其分布。）铁磁材料中夹杂物、第二相、空隙的数量及其分布。含有杂质畴壁迁

50、移示意图含有杂质畴壁迁移示意图（b）其次是内应力起伏的大小和分布，起伏愈大，分布愈不）其次是内应力起伏的大小和分布，起伏愈大，分布愈不均匀，对畴壁迁移阻力愈大。为提高材料磁导率就必须减均匀，对畴壁迁移阻力愈大。为提高材料磁导率就必须减少夹杂物的数量，减小内应力。少夹杂物的数量，减小内应力。（c）磁晶各向异性能的大小。因为壁移实质上是原子磁矩的）磁晶各向异性能的大小。因为壁移实质上是原子磁矩的转动，它必然要通过难磁化方向，故降低磁晶各向异性能也转动，它必然要通过难磁化方向，故降低磁晶各向异性能也可提高磁导率。可提高磁导率。（d）磁致伸缩和磁弹性能也影响壁移过程，因为壁移也会引）磁致伸缩和磁弹性能

51、也影响壁移过程，因为壁移也会引起材料某一方向的伸长，另一方向则要缩短，故要增加磁导起材料某一方向的伸长，另一方向则要缩短，故要增加磁导率，应使材料具有较小的磁致伸缩和磁弹性能。率，应使材料具有较小的磁致伸缩和磁弹性能。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化（2）磁畴的旋转磁化）磁畴的旋转磁化如果磁畴原先沿易轴磁化，那如果磁畴原先沿易轴磁化，那么在与该方向成么在与该方向成角的磁场角的磁场H作作用下，由于壁移已经完成用

52、下，由于壁移已经完成(或因或因结构上的原因壁移不能行结构上的原因壁移不能行)磁磁畴的元磁矩就要向磁场方向一畴的元磁矩就要向磁场方向一致转动一个致转动一个角。角。这一过程的特点不但是元磁矩整体的一这一过程的特点不但是元磁矩整体的一致转动，而且转过的角度致转动，而且转过的角度取决于静磁取决于静磁能与磁晶能的相对大小。能与磁晶能的相对大小。静磁能和磁晶能的静磁能和磁晶能的一个竞争过程一个竞争过程第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化 右图表示一个立方晶系右图表示一个立方晶系K10的的单晶磁化过程，易轴是单晶磁化过程，易轴是100

53、，磁，磁畴有畴有1800和和900两类。当磁场加在两类。当磁场加在100方向，畴壁位移结束时，方向，畴壁位移结束时，I Is s在在100100方向；当磁场加在方向；当磁场加在110110方方向，畴壁位移结束时，磁畴仍然存向，畴壁位移结束时，磁畴仍然存在，有两类磁畴，一类在，有两类磁畴，一类IsIs在在100100方向，另一类方向，另一类IsIs在在010010方向。进方向。进一步磁化过程即是磁畴内磁化强度一步磁化过程即是磁畴内磁化强度的转动过程。的转动过程。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化3.3.3 3.3.3 影

54、响合金铁磁性和亚铁磁性的因素影响合金铁磁性和亚铁磁性的因素1、温度对铁磁和亚铁磁性的影响、温度对铁磁和亚铁磁性的影响饱和磁化强度随温度的变化关系饱和磁化强度随温度的变化关系铁磁性铁磁性第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化亚铁磁性亚铁磁性亚铁磁性与温度的关系曲线亚铁磁性与温度的关系曲线第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化 在多相合金中。如果各相都是铁磁相，则其饱和磁化强度在多相合金中。如果各相都是铁磁相，则其饱和磁化强度由组成各相的磁化强度之和来决定由组成各相的磁化强度之和来决定(即相加定律即相加定律)。合金的。合金的总磁化强度为：总磁化强度为：两