材料物理性能测试技术讲课-磁学特性

材料磁学性能的测试技术高智勇磁性材料是一簇新兴的基础功能材料。广泛应用于电工、电子和计算机等技术中。我国在世界上最先发明磁石可作为指示方向和校正时间的应用,在《韩非子》和东汉王充著的《论衡》两书中所提到的“司南”就是指此。公元17世纪，英国的吉尔伯特发表了世界上第一部磁学专著《论磁石》，18世纪，瑞典科学家在磁学著作中对磁性材料的磁化作用进行了大胆的描绘。19世纪，近代物理学大发展，电流的磁效应、电磁感应等相继被发现和研究。19世纪末居里发现了抗磁物质磁化率不随温度变化及一些顺磁物质磁化率与温度成反比的居里定律。奈尔提出反铁磁性和亚铁磁性。20世纪初朗之万用经典统计理论证明了居里定律，外斯提出分子场自发磁化的假说与磁畴的概念，奠定了现代磁学的基础。法拉第－电磁感应居里（PCurie）近20年，磁记录材料和磁光记录材料正在迅猛发展。在多层膜中发现巨磁电阻以来，自旋相关导电等新材料及器件不断发展有机铁磁体、C60化合物铁磁体和室温下铁磁体半导体的发现预示了磁学与磁性材料的发展前景。量子力学的出现使人们开始把物质磁性的认识建立在原子及电子的基础上，海森伯用静电性的交换作用对铁磁体的分子场性质给出了正确的解释，揭开了现代磁学的篇章。20世纪50年代，铁氧体为代表的亚铁磁体的发现，改变了100多年来金属铁磁性材料独占强磁体领域的局面。强磁材料的研究及应用发展到高频和微波领域。非晶合金磁性的发展，开拓了优质软磁材料的领域。海森伯（WKheisenberg)永磁铁氧体本章内容提要材料的磁化现象及磁学基本量铁磁性和亚铁磁性物质的特性（静态磁特性）磁性材料的动态特性磁性测量抗磁与顺磁材料磁化率的测量铁磁体材料的直流磁性测量铁磁体材料的交流磁性测量材料的磁化现象及磁学基本量磁场：由运动电荷(或电流)产生在空间连续分布的一种物质宏观性能：在场内运动的电荷会受到作用力任何有限尺寸的物体处于磁场中，都会使它所占有的空间的磁场发生变化，这是由于磁场的作用使物质表现出一定的磁性，这种现象称为磁化

F：运动电荷q受到的力；q：电荷量；

v：电荷运动速度；

磁性：物质的一种基本属性，正像物质具有质量一样，它的特征是：物质在非均匀磁场中要受到磁力的作用。在具有梯度的磁场中，物质受力的大小和方向反映着物质磁性的特征一切物质均有磁性。通常所谓的磁性材料与非磁性材料，实际上是指强磁性及弱磁性材料。电磁学中关于物质磁化的理论可以用两种不同的观点来描述：分子电流观点和等效磁荷观点

。

磁介质：磁场作用下磁化，并影响磁场分布的物质一环形电流周围的磁场，犹如一条形磁铁的磁场。环形电流在其运动中心处产生一个磁矩m（或称磁偶极矩），其周围磁场情况与环形电流和条形磁铁的磁场相同。一个环形电流的磁矩定义为：

I为环形电流的强度；S为环流所包围的面积；m的方向可用右手定则来确定在没有外磁场作用时，各分子环流取向杂乱无章，它们的磁距相互抵消，不显示宏观磁性

的方向与电流方向构成右手螺旋

永磁体总是同时出现偶数个磁极。思考：磁体内、外部H和B的取向有无不同？磁体无限小时，体系定义为磁偶极子偶极矩：方向：-m指向+m单位：Wb∙m+m-ml用环形电流描述磁偶极子：

磁矩：

单位：A∙m2

二者的物理意义：表征磁偶极子磁性强弱与方向

电子的轨道运动相当于一个恒定的电流回路，必有一个磁矩（轨道磁矩），但自旋也会产生磁矩（自旋磁矩），自旋磁矩是基本粒子的固有磁矩。将磁矩m放入磁感应强度为B的磁场中，它将受到磁场力的作用而产生转矩，其所受到的转矩为

：

此转矩力图使磁矩m处于位能最低的方向。磁矩与外加磁场的作用能成为静磁能。处于磁场中某方向的磁矩，所具有的静磁能为：

分析磁体相互作用，以及在磁场中所处状态是否稳定的依据H

θ=00

，T最小，处于稳定状态

θ

≠0，LT≠0，不稳定，会使磁体转到与H方向一致，这就要做功，相当于使磁体在H中位能降低。当物体受外加磁场的作用被磁化后，便会表现出一定的磁性。实际上，物体的磁化并不改变原子固有磁矩的大小，而是改变了它们的取向。

几个概念磁场强度H磁化强度M磁感应强度B磁化率χ

明确和统一相关物理量的定义、符号、单位及相关公式，建立起我们深入学习的平台；归纳和总结物质磁性的宏观表现，明确本课程要解决的问题。磁场强度H与与磁感应强度

B

均为描述空间任意一点的磁场参量（矢量）磁场强度H：静磁学定义H为单位点磁荷在该处所受的磁场力的大小，方向与正磁荷在该处所受磁场力方向一致。

历史上曾用磁荷受力来定义磁场，所以先有了磁场强度的定义，在确定用运动电荷受力确定磁场后，就只能选用磁通密度（磁感应强度）来表述磁场了。磁场强度均为描述空间任意一点的磁场参量（矢量）

实际应用中，往往用电流产生磁场，并规定H的单位在SI制中，用1A的电流通过直导线，在距离导线r=

米处，磁场强度即为1A/m。常见的几种电流产生磁场的形式为：1、无限长载流直导线：方向是切于与导线垂直的且以导线为轴的圆周2、直流环形线圈圆心：r为环形圆圈半径，方向由右手螺旋法则确定。3、无限长直流螺线管：n：单位长度的线圈匝数，方向沿螺线管的轴线方向磁化强度（描述宏观磁体磁性强弱程度）

单位体积的磁体内,所有磁偶极矩的jm或磁矩μm的矢量和

，分别为：磁极化强度：磁化强度：二者物理意义：描述磁体被磁化的方向与强度比磁化强度σ（单位质量磁体内具有的磁矩矢量和）当一个物体在外加磁场中被磁化时，它的磁化强度，对外加磁场来说，相当于一个附加的磁场强度，从而导致它所在空间的磁场发生变化。这时，物体所在空间的总磁场强度是外加磁场强度H与附加磁场强度M之和，H的单位也是Am－1

通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线总数称为磁感应强度，用B来表示，其单位为T，它与磁场的关系是0为真空磁导率，它等于410-7Hm－1

磁感应强度SI制中，单位：B：T或Wb∙m－2；

H：A/m；

M：A/m；

J：Wb∙m－2磁感应强度没有磁介质存在（M=0）只有传导电流产生的磁场时，表述磁场的两个物理量之间才存在着简单关系：

空间总磁场是传导电流和磁化电流产生的磁感应强度之矢量和。

自由真空中M=0，B与H平行，磁体内部，B与H不一定平行，物质的磁化总是在外加磁场的作用下发生的。因此，磁化强度与外加磁场强度和物质本身的磁化特性有关H为外加磁场强度；系数称为磁化率，它表征物质磁化的难易程度该关系中，磁化强度和磁场强度是同量纲的，所以这里的磁化率是无量纲的，是一个纯粹的数字磁化率应注意到由于磁化强度定义为单位体积的磁矩，所以公式中的磁化率暗含着单位体积磁化率的意义在理论推导和测量中，常常使用另外两种定义：质量磁化率：d是材料密度kg﹒m-3

克分子磁化率：n为每mol物质的量令：μ＝（1＋χ)＝B/μ0H

(相对磁导率，表征磁体磁性、导磁性及磁化难易程度）单位：T∙m/A或H/mSI制中,绝对磁导率：μ绝对＝B/H∴μ＝μ绝对/μ0磁导率μHBMHsHMB磁导率的不同定义1、起始磁导率2、最大磁导率μmax3、振幅磁导率

4、增量磁导率μΔ5、可逆磁导率μrev6、复数磁导率所有磁导率的值都是H的函数：退磁场与退磁能量

1、退磁场

有限几何尺寸的磁体在外磁场中被磁化后，表面将产生磁极，从而使磁体内部存在与磁化强度M方向相反的一种磁场，起减退磁化的作用，称为退磁场Hd。如果磁体还同时受到外磁场的作用，这时磁性体内部的有效磁场为：

退磁场与退磁能量

1、退磁场

Hd

的大小与磁体形状及磁极强度有关。若磁化均匀，则Hd

也均匀，且与M成正比：其中N为退磁因子，只依赖于样品的几何形状及所选取的坐标。简单几何形状磁体的退磁因子N对于旋转椭球体，旋转椭球形状样品的磁化是均匀的，我们选取坐标系与椭球的主轴重合，则退磁场的三个分量可以表示为：abcXYZ如果磁性体不是椭球形状，即使在均匀外场中，磁化也是不均匀的，这时退磁场的大小和方向随位置而变，很难用退磁因子来表示三个主轴方向退磁因子之和：旋转椭球的极限情况：由此可求出：球体：a=b=c，N=1/3

细长圆柱体：a=b<<c，Na=Nb=1/2,Nc=0

薄圆板体：(a,b)>>c，Na=Nb=0,Nc=1显然，磁性体在磁化过程中，也将受到自身退磁场的作用，产生退磁场能，它是在磁化强度逐步增加的过程中外界做功逐步积累起来的，单位体积内退磁场能量：指磁体在它自身的Hd

中所具有的能量退磁能的存在是自发磁化后的强磁体出现磁畴的主要原因退磁场与退磁能量

适用条件：磁体内部均匀一致，磁化均匀。形状不同或沿不同的方向磁化时，Fd也不同，这种因形状不同而引起的能量各向异性的特征——形状各向异性。对于均匀材料制成的椭球样品，容易得出;N是磁化方向的退磁因子退磁场对样品磁性能的影响是明显的：有退磁场是曲线倾斜

所有材料性能表给出的磁导率等数值都是针对有效磁场的数值，材料性能的实际测量中必须尽量克服退磁场的影响。各种不同单位的换算上述磁学量的单位，目前通常用国际单位制（SI）和高斯单位制（CGS）两种磁学量国际单位制高斯单位制换算关系磁场强度H安/米（A/m）奥斯特（Oe）1A/m=410-3Oe磁化强度M安/米（A/m）高斯(Gs)1A/m=10-3Gs磁感应强度B特斯拉（T）高斯(Gs)1T=104Gs磁化率无量纲无量纲国际＝4高斯磁导率亨[礼]/米（H/m）无量纲1H/m=107(4)-1高斯磁学量的单位制：使用Gauss单位制时，此时，B的单位为G，H的单位为Oe，μ0=1G/Oe

式中M为磁极密度，单位为G，4πM为磁通线的密度。SI制与Gauss制间的转换

B：1G=10-4TH：103A∙m-1的H有4πOe的值，

103/4πA∙m-1=79.577A∙m-1=1Oe

和磁矩：在Gauss单位制中μ0=1G/Oe

，则磁偶极矩与磁矩无差别，通称为磁矩，单位为电磁单位（e.m.u）

1e.m.u(磁偶极矩)＝4π×10－10Wb∙m1e.m.u(磁矩)＝10－3A∙m2磁化强度：

Gauss单位制中，磁极化强度（J）与磁化强度（M）相同，单位：G物质磁性的起源来源于物质原子中的电子，电子的轨道磁矩和自旋磁矩电子轨道运动产生电子轨道磁矩电子自旋产生电子自旋磁矩构成原子的总磁矩物质磁性的起源电子围绕原子核的轨道运动，产生一个非常小的磁场，形成一个沿旋转轴方向的磁矩，即轨道磁矩。轨道磁矩OrbitalSpin轨道磁矩自旋磁矩每个电子本身有自旋运动产生一个沿自旋轴方向的磁矩，即自旋磁矩。自旋磁矩原子中每个电子都可以看作是一个小磁体，具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩。一个原子的净磁矩是所有电子磁矩的相互作用的矢量和，又称为本征磁矩或固有磁矩。

电子对的轨道磁矩相互对消，自旋磁矩也可能相互对消，所以当原子电子层或次层完全填滿：磁矩为零。如He,Ne,Ar以及某些离子材料。大多数自转方向不同的电子，虽然电子的磁矩不能抵消，导致整个原子具有一定的总磁矩。但原子磁矩之间没有相互作用，它们是混乱排列的，所以整个物体没有磁性。少数物质(如Fe、Co、Ni），原子内部电子的磁矩没有抵消，整个原子具有总的磁矩。同时，由于“交换作用”的机理，原子磁矩整齐地排列起来，整个物体具有磁性。无交换相互作用交换相互作用间接直接

超量子力学效应全同粒子介质方程：给出磁化状态和磁场的关系物质的磁化率可以是温度或/和磁场的函数磁化率的正负和大小反映出物质磁性的特征。物质磁性分类根据物质的磁化率，可以把物质的磁性传统大致分为五类。按各类磁体磁化强度M与磁场强度H的关系，可做出其磁化曲线--------物质的磁化率五类磁介质的磁化曲线抗磁反铁磁顺磁亚铁磁铁磁分类是否科学取决于是否反映了内在磁性机理上的不同。随着研究的深入，分类也在不断完善和细化，到上个世纪70年代为止，在晶状固体里，共发现了五种主要类型的磁结构物质，它们的形成机理和宏观特征各不相同，对它们的成功解释形成了今天的磁性物理学核心内容。上世纪70年代以后，随着非晶材料和纳米材料的兴起，又发现了一些新的磁性类型，对它们的研究尚在深化之中，课程只做初步介绍。固体磁性原子、离子的磁矩（顺、抗磁）晶体结构和晶场类型（自旋、轨道贡献）相邻原子、电子间的相互作用（磁有序）物质磁性分类的原则

A.是否有固有原子磁矩？B.是否有相互作用？

C.是什么相互作用？

1.抗磁性：没有固有原子磁矩

2.顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用

3.铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用

4.反铁磁性：有固有磁矩，间(直)接交换相互作用

5.亜铁磁性：有固有磁矩，间接交换相互作用

6.自旋玻璃和混磁性：有固有磁矩，RKKY相互作用

7.超顺磁性：磁性颗粒的磁晶各向异性与热激发的竞争使磁场减弱的物质，成为抗磁性物质——出现在没有原子磁矩的材料中，其抗磁磁化率是负的，而且很小。-10-5,与H、T无关（例外：反常抗磁体）对于电子壳层被填满的物质，其磁矩为零。在外磁场作用下，电子运动将产生一个附加的运动（由电磁感应定律而定），出现附加角动量，感生出与H反向的磁矩。实例：惰性气体、许多有机化合物、某些金属（Bi、Zn、Ag、Mg）、非金属（如：Si、P、S）TO抗磁性的起源由于电子的循轨运动在外磁场的作用下产生了抗磁磁距所造成的，而不是电子的轨道磁距和自旋磁距产生的。在外加磁场作用下，电子的循规运动产生一个附加磁距，其方向总是和外加磁场的方向相反，因而产生了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。

它出现在没有原子磁矩的材料中，其抗磁磁化率是负的，而且很小，~-10-5。°e∘iM取两个电子，设其循轨运动的平面是和磁场H的方向垂直，而与循轨运动的方向相反，如图所示在无外加磁场时，电子的循轨运动相当一个闭合电流，由此而产生的磁距

电子在作循轨运动时，必然要受到一个向心力k，见图a。当加上一个磁场之后，电子在磁场的作用下将产生一个附加力k，k又称为洛仑兹力，其方向和k的方向是一致的。这种情况无疑地等于使向心力得到增加，总的向心力为k＋k。可以认为m和r是不变的，这样只能设想，当向心力增加时，必然导致电子循轨运动的角速度发生变化

增加一个，l增加一个，与轨道磁距l的方向相同，但与外磁场的方向相反

既然抗磁性是由电子在轨道运动中产生的，而任何物质都存在电子的轨道运动，故可以说任何物质在外加磁场的作用下都要产生抗磁性。但应注意，并不能说任何物质都是抗磁性物质。因为原子在外磁场作用下除了产生抗磁磁距之外，还有轨道和自旋磁距产生顺磁磁距。在这种情况下只有那些抗磁性大于顺磁性的物质才成为抗磁性的物质

是一种很弱的、非永久性的磁性，只有在外磁场存在时才能维持金属的抗磁性

许多金属具有抗磁性，而且一般其抗磁磁化率不随温度变化金属抗磁性来源于导电电子。根据经典理论，外加磁场不会改变电子系统的自由能及其分布函数，因此磁化率为零。

经典的图象：在外磁场作用下形成的环形电流在金属的边界上反射,因而使金属体内的抗磁性磁矩为表面“破折轨道”的反向磁矩抵消。

1、超导材料：在超导态，磁通密度B总是0，即使存在外磁场H，也是如此(迈斯纳效应)。

2、一些有机化合物，例如苯环中的p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，呈现很强的抗磁性，磁场平行于环面时没有抗磁性。

3、在生物体内的血红蛋白中，同氧的结合情况与铁的电子状态有关。无氧结合的状态下，铁离子显示顺磁性；而在如动脉血那样与氧相结合的状态却显示抗磁性。例如血红蛋白中的Fe2+无氧配位(静脉血)是高自旋态，显现顺磁性；有氧配位(动脉血)是低自旋态，显現抗磁性。几种特殊材料的抗磁性使磁场略有增强的物质，称为顺磁性物质-如：稀土金属和铁族元素的盐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，但由于热骚动处于混乱状态，对外不显示宏观磁性在磁场作用下在磁场方向产生磁化强度，但磁化强度很小；磁化率为正值，约为10-3~10-6

T顺磁性0TOTO顺磁性

顺磁性物质的原子或离子具有一定的磁矩，这些原子磁矩耒源于未满的电子壳层(例如过渡族元素的3d壳层)。在顺磁性物质中，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，其数量级为=10-510-2。顺磁性顺磁物质的磁化率随温度的变化(T)有两种类型:第一类遵从居里定律：=C/TC称为居里常数第二类遵从居里-外斯定律：=C/(T-p)p称为顺磁居里温度T(K)1/1/p使磁场急剧增加的物质，称为铁磁性物质。物质中原子有磁矩；原子磁矩之间有相互作用。原子磁矩方向平行排列，导致自发磁化。外磁场作用下，快速趋向磁场方向，在磁场方向有很大的磁化强度。磁化率是很大的正数，且于外磁场呈非线性关系变化。实例：3d金属Fe，Co，Ni，4f金属铽、铒、铥、钬、等以及很多合金与化合物MT1/Tc铁磁性P0Tc居里点P顺磁居里点铁磁性材料的原子磁矩在磁畴内平行排列图4-17铁磁性材料内原子磁矩排列（a）温度T大于居里温度Tc；（b）温度T小于居里温度Tc亚铁磁体有些象铁磁体，但值没有铁磁体那样大-铁氧体内部磁结构却与反铁磁性相同，但相反排列的磁矩大小不等量。故亚铁磁性具有宏观磁性（未抵消的反铁磁性结构的铁磁性）。MTTc1/c亜铁磁性0c补偿点Tc居里点O亚铁磁性材料中的A,B次晶格1948年法国物理学家奈耳（Neel）发现亚铁磁和反铁磁物质，才明确了人类知道最早的Fe3O4是亚铁磁物质在亚铁磁性材料中磁性离子A,B构成两个相互贯穿的次晶格A,B（简称A,B位）A次晶格上的原子磁矩如图中箭头方向所示相互平行排列，B次晶格上的原子磁矩也相互平行排列，但是他们的磁矩方向和A次晶格上的原子磁矩方向相反，大小不同这使得它们的磁矩在克服热运动的影响后，处于部分抵消的有序排列状态，导致有自发磁化。亚铁磁性物质由磁矩大小不同的两种离子（或原子）组成，属绝缘体常见的亚铁磁性物质大部分是金属的氧化物，是非金属磁性材料。目前发现的亚铁磁体一般有磁铁矿（Fe3O4）、铁氧体（ferrite）等。铁氧体指的是Fe2O3与2价金属氧化物所组成的复杂氧化物，其分子式为MeOFe2O3，这里Me为铁、镍、锌、钴、镁等2价金属离子即在T＝TN（奈尔温度）时，χaf

最大。反铁磁体的是小的正数，在温度低于某一温度时，他的磁化率同磁场的取向有关；高于这个温度，行为象顺磁体NT0反铁磁性N耐耳点只有在很强的外磁场作用下才能显示出微弱的磁性。实例：过渡族元素的盐类及化合物，如MnO，CrO,CoO等反铁磁晶体可以看做是两个亚点阵组成，每个亚点阵中相邻电子因为受到负的交换作用而自旋呈反平行排列，此时磁矩虽处于有序状态，这样在反铁磁体中两个亚点阵磁矩的方向相反而大小相等，因此反铁磁体总的净磁矩在不受外场作用时仍为零值得注意的是，抗磁、顺磁性、反铁磁物质的磁化率均可以近似的认为是一个常数。铁磁体和亚铁磁体的磁化率则是磁场H的函数铁磁体磁化率曲线表明，在不强的磁场H下，铁磁体就会被激烈的磁化，并易于达到饱和。抗磁、顺磁、反铁磁属于弱磁性；铁磁与亚铁磁属于强磁性铁磁性材料、亚铁磁性材料和反铁磁性材料的原子磁矩的特点是在磁畴内平行或反平行排列，因此又统称它们为磁有序材料金属的铁磁性物质具有铁磁性的基本条件：

(1)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，显现铁磁性相互总用是什么？外斯分子场理论，1907年——有效磁场导致近邻自选平行排列-自发磁化低温M-H偏离严重？？？布洛赫自旋波理论：——自旋波又称为磁激子(magnon),它是固体中一种重要的元激发，是由局域自旋之间存在交换作用而引起的自旋玻璃态磁特性↑↑↓自旋玻璃态出现在磁稀释的合金中，在那里磁性原子的自旋被振荡的RKKY交换相互作用无規地冻结。从实验上，覌察到在弱磁场下，磁化率的温度依赖性曲线上出现一个尖锐的最大值。而且在磁场冷却情况下，磁化率的尖锐极大值不再出现。在冻结温度Tf以下，零场冷却时自旋被无规冻结，加场冷却时自旋在磁场方向被冻结。TM0混磁性零场冷却磁场冷却0TTfH=0H≠0自旋玻璃Tf冻结温度自旋玻璃态出现在磁稀释的合金中，在弱磁场下，磁化率的温度依赖性曲线上出现一个尖锐的最大值。而且在磁场冷却情况下，磁化率的尖锐极大值不再出现。在冻结温度Tf以下，零场冷却时自旋被无规冻结，加场冷却时自旋在磁场方向被冻结。当材料在没有磁场作用下冷却时，磁化强度在低温急剧的下降；如果在磁场下冷却，磁化强度在低温处的下降消失自旋玻璃态磁特性

(1)(T)在Tf

处表现出尖锐的极大值的峯，并且与磁场强度和交流磁化率的测试频率有关。H0变得更尖锐。

(2)Tf

以上的温度加磁场慢慢冷却(磁场冷却)测定的(T)与零场升温测定的(T)显著不同，尖峯消失。

(3)Tf

随磁性原子浓度增加而升高。

(4)随磁性原子浓度继续增加，体系变为混磁性，低温表現出自旋玻璃态，随温度升高到Tf

以上，不再是顺磁性，而表現出铁磁性(反铁磁性)。

(5)磁性比热CM(T)和电阻在Tf

处没有看见异常。

(6)中子衍射实验在Tf

以下没有看到磁性的布拉格反射。但是可以覌测到磁性散射。

(7)穆斯堡尔谱的谱宽随温度变化明显。混磁性

在非磁性基体中，惨杂磁性原子的浓度大于自旋玻璃的浓度，各种交换相互作用混合的自旋系统。其典型的特征是，当材料在没有磁场作用下冷却时，磁化强度在低温急剧的下降；如果在磁场下冷却，磁化强度在低温处的下降消失。其原因是由反铁磁相互作用引起的磁化强度团簇的反转ABCDSASBSCSD在面心立方反铁磁体中四个次晶格上的自旋矢量自旋玻璃

在磁场下冷却,磁化强度低温下的下降消失，但是磁滞回线沿H轴的负方向有一个位移。这个現象是由铁磁性自旋与相对于晶格为固定的反铁磁自旋间相互作用引起的。例如：在面心立方晶格内反铁磁自旋排列不是很固定，可以自由改变其自旋方向而不改变其交换能，也就是说局域自旋排列容易被扰动，导致混磁性。50PPm不均匀铁磁性或反铁磁性自旋玻璃态近藤效应混磁性标度区域自旋玻璃、铁磁性和反铁磁性共存0.5at%10at%RKKY相互作用xce传导电子随着磁性杂质含量的增加自旋状态的变化《以自旋玻璃为中心》在非磁性基体中掺入磁性原子，随浓度的逐渐增加，出现各种磁性現象。超顺磁性铁磁性颗粒比单畴临界尺寸更小时，热运动对粒子影响很大，在一定温度下，粒子的行为类似于顺磁性，如果不加外磁场，它们将很快的失去剩磁状态，这个現象称为超顺磁性。超顺磁性粒子的磁化曲线必须无磁滞現象其中C为居里常数，因此不同温度下的磁化曲线如果以H/T为横坐标，则各曲线应相重合。铁磁和亚铁磁物质的静态磁特性

磁化曲线

表示磁场强度H与所感生的B或M之间的关系铁磁性物质的磁化曲线（M-H或B-H）是非线性的O点：H＝0、B＝0、M＝0磁中性或原始退磁状态OA段：近似线性，起始磁化阶段AB段：较陡峭，表明急剧磁化H<Hm时，二曲线基本重合。H>Hm后，M逐渐趋于一定值MS（饱和磁化强度），而B则仍不断增大(原因?)由B－H（M－H）曲线可求出μ或

χ磁滞回线从饱和磁化状态开始，再使磁化场减小，B或M不再沿原始曲线返回。当H＝0时，仍有一定的剩磁Br或Mr。Ms称为饱和磁化强度磁化曲线上任何点B和相应的H的比值称为磁导率在磁化曲线起始部分的的斜率，称为起始磁导率，用i或a表示。技术上规定在0.1～0.001Oe磁场的磁导率为起始磁导率最大磁导率：是磁化曲线拐点K处的斜率

将一个铁磁体试样磁化至饱和，然后慢慢地减少H，则M也将减小，这个过程叫做退磁。但M并不按照磁化曲线反方向进行，而是按照另一条曲线改变，见上图中的BC段。当H减小导零时，M=Mr（Mr为剩余磁化强度）。如果要使M=0，则必须加上一个反向磁场Hc，称为矫顽力。从磁滞回线上可以看到，退磁过程中M的变化落后与H的变化，这种现象称为磁滞现象

BHC：使B＝0的Hc。MHC：M＝0时的Hc（内禀矫顽力）一般|BHC|<|MHC|当反向磁场H继续增加时，最后又可以打到反向饱和，如再沿着正方向增加H，则又得到另一半曲线。从图中可以看出，当H从+Hm变到-Hm再变到+Hm，试样的磁化曲线形成一个封闭曲线，称为磁滞回线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Q

Hc是表征材料在磁化后保持磁化状态的能力。通常以Hc划分软磁、永磁、半永磁材料：磁滞回线的第二象限为退磁曲线（依据此考察硬磁材料性能）,(BH)为磁能积，表征永磁材料中能量大小。(BH)max

是永磁的重要特性参数之一。在磁性物质中，自发磁化主要来源于自旋间的交换作用，这种交换作用本质上是各向同性的，如果没有附加的相互作用存在，在晶体中，自发磁化强度可以指向任意方向而不改变体系的内能。实际上在磁性材料中，自发磁化强度总是处于一个或几个特定方向，该方向称为易轴。当施加外场时，磁化强度才能从易轴方向转出，此现象称为磁晶各向异性。磁晶各向异性能磁晶各向异性能晶体的磁性是和晶体的取向有关的，沿晶体的某些方向磁化时所需要的磁场，比沿另外一些方向磁化所需要的磁场要小的多，这些晶体学方向称为易磁化方向铁、镍、钴单晶沿不同晶向的磁化曲线对于任何方向磁化的铁磁体都具有一项能量，它使磁化强度指向该特定的晶体学方向晶体磁化时所增加的自由能F等于磁场所做的功（磁化功），可表示为

增加的能量即为磁化曲线与M坐标轴间所包围的面积，由于晶体的这一部分自由能是与磁化方向有关的，我们称为磁各向异性能或磁晶能

磁致伸缩铁磁体在磁场中磁化，其形状和尺寸都会发生变化，这种现象称为磁致伸缩设铁磁体原来的尺寸为l0，放在磁场中磁化时，其尺寸变为l，长度的相对变化为：称为线磁致伸缩系数，一般在10-6～10-3之间磁致伸缩磁致伸缩引起的形变比较小，但它在控制磁畴结构和技术磁化过程中，仍是一个很重要的因素。应变l/l

随外磁场增加而变化，最终达到饱和。产生这种行为的原因是材料中磁畴在外场作用下的变化过程。每个磁畴内的晶格沿磁畴的磁化强度方向自发的形变e。且应变轴随着磁畴磁化强度的转动而转动，从而导致样品整体上的形变。e为磁化饱和时的形变，

覌察方向(测试方向)与磁化强度方向之间的夹角磁弹性能物体在磁化时要伸长（或收缩），如果受到限制，不能伸长（或缩短），则在物体内部产生压应力（或拉应力）。这样，物体内部将产生弹性能，称为磁弹性能。作业：比较jm与μm、J与M的区别与联系。何谓退出场（Hd）？退磁因子N与哪些因素有关？铁磁体技术磁化曲线的分析技术磁化，是指在外磁场作用下，铁磁体从完全退磁状态发生变化的内部过程和宏观效果说明铁磁材料性能的一些规律，了解材料生产过程采取某些措施的原因，并有利于进一步探索提高材料性能的途径

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，也就是外加磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向(或近似外磁场方向)的过程。它与自发磁化有本质的不同。技术磁化是通过两种形式进行的：一是磁畴壁的迁移，一是磁畴的旋转。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。磁化曲线和磁滞回线是技术磁化的结果。

磁畴

外斯假说认为自发磁化是以小区域磁畴存在的。各个磁畴的磁化方向是不同的，所以大块磁铁对外不显示磁性。磁畴已为实验观察所证实。从对磁畴组织的观察中，可以看到有的磁畴大而长，称为主畴，其自发磁化方向必定沿晶体的易磁化方向；小而短的磁畴叫副畴，其磁化方向就不一定是晶体的易磁化方向，

相邻磁畴的界限称为磁畴壁，可分为两种：一种为180o磁畴壁，另一种称为90o磁畴壁。

磁畴壁是一个过渡区，有一定厚度。磁畴的磁化方向在畴壁处不能突然转一个很大角度，而是经过畴壁的一定厚度逐步转过去的，即在这过渡区中原子磁矩是逐步改变方向的。磁畴壁具有交换能、磁晶各向异性能及磁弹性能。

磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度总称为磁畴结构。同一磁性材料，如果磁畴结构不同，则其磁化行为也不同。因此说磁畴结构类型的不同是铁磁性物质磁性干差万别的原因之一。

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它具有一定的能量。

磁畴结构受到交换能、各向异性能、磁弹性能、磁畴壁能、退磁能的影响。可以从能量的观点来研究磁畴的形成过程：交换能力图使整个晶体自发磁化至饱和，磁化方向沿着晶体易磁化方向，这样就使交换能和磁晶各向异性能都达到最小值，但必然在其端面处产生磁极；有磁极存在就必然产生退磁场，从而增加了退磁场能。退磁场将要破坏已形成的自发磁化，两个矛盾相互作用使大磁畴分割为小磁畴，如图6.15(b)、(c)、(d)所示。减少退磁能是分畴的基本动力。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。

实际使用的铁磁物质大多数是多晶体。多晶体的晶界、第二相、晶体缺陷、夹杂、应力、成分的不均匀性等对畴结构有显著的影响，因而实际晶体的畴结构是十分复杂的。在多晶体中，每一个晶粒都可能包括许多磁畴。在一个磁畴内磁化强度一般都沿晶体的易磁化方向。铁磁物质的基本技术磁化曲线可以大体分为三个阶段畴壁的迁移（A）巴克豪森跳跃（B）磁距转动（CD）技术磁化的三个阶段

在未加外磁场时，材料是自发磁化形成的两个磁畴，磁畴壁通过夹杂相；——封闭磁畴当外磁场H逐渐增加时，与外磁场方向相同(或相近)的那个磁畴的壁将有所移动，壁移的过程就是壁内原子磁矩依次转向的过程，最后可能变为几段圆弧线(如团中影线所示)，但它暂时还离不开夹杂物。如果此时取消外磁场，则畴壁又会自动迁回原位，因为原位状态能量最低。这就是所谓可逆迁移阶段。—畴壁的迁移A阶段畴壁的迁移过程：当外磁场继续增强，一旦弧形磁畴壁的总长超过不通过夹杂物时的长度(如图中点虚线)时，则畴壁就会脱离夹杂物而迁移到点虚线位置，从而自动迁移到下一排夹杂物的位置，处于另一稳态。完成这一过程后，材料的磁化强度将有一较大的变化，相当于磁化曲线上的陡峭部分，磁导率较高。畴壁的这种迁移，不会由于磁场取消而自动迁回原始位置，故称不可逆迁移；巴克豪森跳跃（B）继续增加外磁场，则促使整个磁畴的磁矩方向转向外磁场方向。这个过程称为畴的旋转，即曲线第区。旋转的结果，使磁畴的磁化强度方向与外磁场方向平行，此时材料的宏观磁性最大，达到了饱和。以后再增加外磁场，材料的磁化强度也不会再增加，因为磁畴的磁矩方向都转到外磁场方向上去了。——畴转磁化阶段磁性材料的动态特性

磁性材料工作条件就是在工频交变磁场下，这是一个交流磁化过程。随着信息技术的发展，许多磁性材料工作在高频磁场条件下，因此研究磁性材料特别是软磁材料在交变磁场条件下的表现更显得重要。磁性材料在交变磁场，甚至脉冲磁场作用下的性能统称磁性材料的动态特性，由于大多数是在交流磁场下工作，故动态特性早期亦称交流磁性能。

交流磁化过程与交流回线静态过程只关心材料在该稳恒状态下所表现出的磁感应强度B对磁场强度H的依存关系，而不关心从一个磁化状态到另一磁化状态所需要的时间。交流磁化过程，由于磁场强度是周期对称变化的，所以磁感应强度也随着周期性对称的变化，变化一周构成一曲线称为交流磁滞回线若交流幅值磁场强度Hm不同，则有不同的交流回线。交流回线顶点的轨迹就是交流磁化曲线或简称Bm-Hm曲线，Bm称为幅值磁感应强度。

6Al-Fe软磁合金的磁化曲线和交流回线（0.1mm厚4KHz）当交流幅值磁场强度增大到饱和磁场强度Hs，交流回线面积不再增加，该回线称为极限交流回线

。可以确定材料饱和磁感应强度B、交流剩余磁感Br，这种情况和静态磁滞回线相同，由此也可以确定动态参量最初幅值磁导率ai、最大幅值磁导率am。

交流磁化参量－交流磁化率在交变磁场中磁化时，要考虑磁化态改变所需要的时间，具体讲就是应该考虑B和H之间的相位差

。磁导率不仅能够反映类似静态磁化的那种导磁能力的大小，而且还要表现出B和H之间存在的相位差

。采用复数形式－复数磁导率

设样品在弱交变场磁化，且B和H具有正弦波形，并以复数形式表示，B与H存在的相位差为，则

复数磁导率

可以将相位B进行分解，引入与H同相位分量B1m=Bmcos，引入与H落后90分量B2m=Bmsin

总磁导率或振幅磁导率：复数磁导率的模’定义为弹性磁导率，代表了磁性材料中储存能量的磁导率，与铁磁材料在交变磁场中储能密度有关’

’称为损耗磁导率，它与磁性材料磁化一周的损耗有关，与材料在单位时间内损耗的能量相关磁性测量磁性材料的磁性包括直流磁性和交流磁性直流磁性通常归结为测量直流磁场下得到的基本磁化曲线、磁滞回线以及由这两类曲线所定义的各种磁参数，如饱和磁化强度Ms、剩磁Mr或Br、矫顽力Hc，磁导率等。交流磁性主要是测量磁性材料在交变磁场中的性能，即在各工作磁通密度B下，从低频到高频的磁导率和损耗。磁参量的划分与特性金属的磁学参量可以划分为组织不敏感参量：与原子结构、合金成分、相结构及组成相的数量有关而与组成相的晶粒尺寸、分布情况及组织形态无关饱和磁感应强度磁致伸缩系数居里温度组织敏感参量：与组成相的晶粒尺寸、分布情况及组织形态密切相关矫顽力磁导率剩磁磁性与物质的微结构密切相关，不仅取决于原子结构、还与原子键合、晶体结构铁磁性的影响因素温度加工硬化和晶粒细化磁场退火合金化温度饱和磁化强度Ms随温度升高而下降，低温时下降较为缓慢，当温度接近Tc时，Ms急剧下降，在Tc温度降为0原因：原子热运动使原子磁距产生无序倾向造成温度2Bs,Q,Hc均随温度的升高而下降，当温度到达居里点降为零

亚铁磁性是由不同相，但磁矩方向相反的磁结构构成，故形成亚铁磁性。每个磁结构因磁性来源不同，故当温度增加时，每种磁结构对温度反应不会完全相同。在某一温度下，亚铁磁性材料的磁化强度M＝0，该温度被称为补偿温度Tcomp(亦称补偿点)。——这种效应在磁光记录中得到了应用。

加工硬化引起晶体点阵扭曲、晶粒破碎，内应力增加，所以会引起与组织有关的磁性改变。加工硬化和晶粒细化加工硬化和晶粒细化范性变形使磁导率显著下降，且形变量越大，下降越多随形变量的增大，矫顽力增大原因：范性变形使晶体中产生大量的缺陷和内应力，对磁畴起到定扎作用加工硬化和晶粒细化导致再结晶的退火总是提高磁导率，降低矫顽力和磁滞损耗，使这些性能恢复到接近加工硬化以前的数值。原因：在再结晶温度退火时，材料的组织进行了恢复过程加工硬化和晶粒细化晶粒细化对磁性的影响与加工硬化相同晶粒越细，磁导率越低，矫顽力和磁滞损耗越大晶界对磁畴转动的阻碍作用

合金元素含量的影响马氏体的饱和磁化强度同含碳量关系的经验公式：合金化不同金属组成合金时，随成分变化形成不同的组织，改变合金磁性铁磁金属中融入顺磁或抗磁金属形成置换固溶体时，饱和磁化强度总是要降低，且随溶质原子浓度的增加而下降铁磁体中存在非铁磁组元时，居里温度几乎总是降低例外：Fe-V,Fe-W，随V,W含量增加，居里温度先增后减合金化间隙固溶体中，矫顽力随溶质的增加而增加，且在低浓度时变化更为显著有序化有序化时Ms增加，可能与两方面原因有关：同类原子间距增大？结合的性质发生了变化？（壳层电子交换作用的变化）

合金中析出第二相以及它的形状、大小、分相对于组织敏感的各磁性能影响极为显著。？改善铁磁材料磁导率的方法卸除材料中的杂质培育大尺寸的晶粒造成再结晶织构，即使再结晶时晶体的易轴沿外磁场方向排列起来退火时再一定方向施加磁场，并在冷却过程中使磁场从居里点保持到材料只有很低范性的低温——磁场退火磁场退火磁场退火，将导致材料磁导率降低原因：材料从高温冷却过程中，通过居里点时形成磁畴，当材料从顺磁体变成铁磁体时，各磁畴经受磁致伸缩产生形变。由于每个晶体中都有几个易轴，则在居里点下形成磁畴时将沿不同方向产生形变。这时在随后的磁化过程中冷却时经过居里点产生的各向杂乱变形将妨碍磁化的新变形，于是产生应力，这种应力将妨碍磁致伸缩，从而妨碍磁化，降低磁导率。抗磁与顺磁材料磁化率的测量抗磁和顺磁材料的磁化率测量通常采用磁秤法磁秤的结构由一个分析天平，一个能够产生不均匀磁场的强电磁铁3和电加荷系统4所构成的。电磁铁的极头具有一定坡度，用以造成一个不等距的间隙。由此在间隙中产生一个不均匀磁场，间隙中沿着X方向上的磁场强度H可用试验方法获得，它的分布如图（b）所示试样2放置在磁极的间隙中，由于磁场是不均匀的，但试样被磁化之后将沿着X方向受到一个作用力F，如为顺磁则F向下，抗磁则F向上。F大小取决于磁性的强弱，它与磁化率有如下关系：

V为试样的体积为磁化率0为真空磁导率试样置于天平的一端，而另一端则悬挂着铁心，铁心置于线圈中。测量时，调整线圈通过的电流使其产生对铁心的吸引力与F相等时，即达到平衡状态。通过电流值的大小即可确定出F，代入上式，便可求得磁化率

铁磁体直流磁性测量-冲击测量法冲击测量法是建立在电磁感应基础上的经典方法，在理论上和实践上均较成熟，具有足够高的准确度和良好的重复性，目前国际上仍推荐作为标准的测试方法冲击测量所用的仪器称为冲击磁性仪，它主要用于测量饱和磁化强度

冲击磁性仪结构由待测试样、非铁磁材料所制支架、电磁铁、测量线圈、冲击检流计、加热炉、铜管组成。测量时将试样沿X方向迅速地投入磁场的间隙中或者从磁极的间隙中迅速地抽出。如试样中存在着铁磁相时，则测量线圈中的磁通就要发生变化。若投入试样之前测量线圈中的磁通量为1，则

B为磁感应强度；S1为测量线圈的断面积试样投入之后，线圈中相当于增加了一个铁心，由于铁磁相被磁化，磁通量将从1增加到2时，它等于

S2为试样的断面积0为真空磁导率试样投入前后测量线圈中磁通的变化量为

试样投入后线圈的磁通由1随时间变化为2，由此所产生的感应电势为：N为线圈的匝数设测量回路中的电阻为R，则回路中的感应电流

：在时间t内流经检流计的电量为：

通过检流计的电量Q与检流计灯尺上光点最大偏移格数m成正比，故

：

Cb为冲击检流计的冲击常数由此可得

：

又

：

测量线圈的匝熟N为已知，只要测出试样的断面积，读出试样投入后检流计偏移的格数，即可求出饱和磁化强度Ms

热磁仪(磁转矩仪)-阿库洛夫仪原理是将磁学量转化为力学量进行测量的，故又称为磁转矩仪图所示即为热磁仪的原理示意图,1是读数标尺，用以读出试样的转角；2是带有刻度标记的光源；3是平衡转矩用的弹性系统，4是小的平面反射镜；5是试样夹持杆，一般用耐热的细陶瓷管；6是电磁极极头；7是待测试样，试样固定于支杆的端部，并位于两磁极的中间，支杆的上端和弹性系统相接，弹性系统固定于仪器架上。支杆上装有1个反射镜，光源发出的光束由反射镜反射到灯尺上

在工作空间内的磁场强度在24104A/m（3000Oe）以上试样的标准尺寸是330mm（长度与直径比大于或等于10）

待测试样的起始位置和磁场之间的夹角为0，一般0<10，见图（b）。在磁场的作用下，铁磁性试样将产生一个力矩M1

V为试样的体积，H为磁场强度M为磁化强度为试样与磁场之间的夹角

M1驱使试样向磁场方向转动，由此导致弹簧产生变形，由变形产生一个反力矩M2为由M1引起试样与磁场之间夹角的变化值C为弹簧的弹性常数在测量过程中达到平衡状态时，M1=M2，则可以得到

在测量过程中，很小，故可以认为sin=sin0，则

热磁仪测量法的优点是能够连续的测量和自动记录，测量速度也较快，可以跟踪测量转变速度较快的过程。抛脱法测量矫顽力大螺线管1－产生较强的磁场测量时，首先将又剩磁的试样放入测量线圈中，螺线管通以电流产生去磁磁场，试验在反向磁场作用下产生退磁，此时将试样迅速抽出测量线圈，放于螺线管内距测量线圈较远的地方，或抽到螺线管外1－螺线管2－测丝线圈B－冲击检流计原理若试验经退磁后剩磁不为零，则抽动时，测量线圈中会有磁力线的变化，检流计光点就要发生偏移若试验经退磁后剩磁为零，则抽动时，测量线圈中磁通不变化，检流计光点不动，这时的去磁磁场即为矫顽力。磁晶各向异性常数的测量方法

转矩磁强计的原理是，当样品(片状或球状)置于强磁场中，使样品磁化到饱和。若易磁化方向接近磁化强度的方向，则磁晶各向异性将使样品旋转，以使易轴与磁化强度方向平行这样就产生一个作用在样品上的转矩。如果测量转矩与磁场绕垂直轴转过的角度关系，就可以得到转矩曲线，并由此可求得磁晶各向异性常数。右图是用来测量转矩曲线的转矩仪。在自动转矩仪研制出耒以前，是用光电方法测量。易磁化方向磁场磁晶各向异性常数的测量方法样品吊在一根弹性金属丝上，样品的转动使吊丝产生一个扭力矩L，k是扭力系数(达因.厘米/度)，1

为样品的转动角度。如果样品的体积为V，则平衡条件为VT=L=k1是易轴与磁化强度之间的夹角适当选择扭力系数k，使1在较小的范围内变化。如果磁场的转角为(0到360度)，则=-1，由于1很小，就可简化=。H1易轴00Is(Is//H)吊丝铁磁体材料的交流磁性测量

—动态磁化曲线测量图为测量动态磁化曲线的原理图。该装置是通过测量一个与被测磁通链的线圈中的感应电动势来测定交变磁通的。在不同的交变磁场Hm（峰值）下测出相应的Bm，即得交流磁化曲线。根据Bm-Hm曲线可以求出振幅磁导率a等动态磁参数在被测的闭路试样上绕有两组线圈。采用自耦变压器来调节磁化电流的大小由测得的磁化电流峰值Im可以算出交流磁场峰值Hm。如果磁化电流是正弦变化，磁化电流峰值Im可直接从有效值电流表A的读书I求得。这时，磁场的峰值为W1为磁化线圈的总匝数，l为试样的平均磁路长度

严格的说，为了满足B的正弦变化，磁化电流必为非正弦。这种情况下，磁场的峰值可由磁化电流的平均值方便地求得。具体方法是在磁化电流回路中接入互感M，用平均值电压表测量互感次级感应电压平均值，于是

f为磁化电流的频率，由频率计读得；M为互感（H）如果测得次级感应电动势平均值，则磁感应强度的峰值为

W2为测量线圈的总匝数S为试样截面积m2

由于线圈中磁通的变化是与感应电动势成正比，但指示仪表内阻有限，故只能测到线圈两端的端电压，因而存在方法误差。电压表的内阻愈小，方法误差愈大。可见指示仪表法是一种准确度不高的方法，其测量误差一般为10%左右，不能测磁损耗铁磁体材料的交流磁性测量

—损耗的功率表测量用功率法和Epstein方圈来测量软磁材料在交变磁化时的损耗，是世界各国规定作为检验硅钢片交流损耗的标准方法。在频率低于1000Hz和较高的磁感应强度下测量硅钢片的损耗时，其测量误差约为3%

Epstein方圈结构Epstein方圈结构Epstein线圈用10Kg试料（当材料性能均匀时可采用1Kg试料的小方圈）从大张硅钢片上剪下50030mm2长条，分成四组插入预先绕好的四个方形截面螺线管内，组成一个正方形