材料磁学性能及其测量

材料磁学性能的测试磁学材料是一类新兴的基础功能材料，广泛应用于电工、电子及计算机等技术中，在化学，特别是分析化学中也有重要的应用。我国在世界上最先发明磁石，作为指示方向和校正时间的工具。在《韩非子》和东汉王充著的《论衡》两书中均有记载（司南）。公元17世纪，英国的基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也进行了大胆的描绘。19世纪，近代物理学大发展，电流的磁效应、电磁感应等现象被发现。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的磁化率与温度呈反比的居里定律。奈尔提出了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，外斯提出了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。法拉第电磁感应定律居里量子力学的出现使人们开始把物质磁学的认识建立在了原子和电子的基础上，海森伯用静电交换作用对铁磁体的分子场性质给出了正确的解释，解开了现代磁学的新篇章。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。强磁材料的研究及其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。近20年来，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，自旋相关导电材料及其器件不断出现，有机铁磁体、C60化合物铁磁体及室温铁磁体的发现预示了磁性与磁性材料的发展前景。本章主要介绍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及磁学测量，包括抗磁与顺磁材料磁化率的测量、铁磁材料的直流磁学测量、铁磁材料的交流磁学测量等。1.1材料的磁化现象及磁学基本量磁场：由运动电荷（或电流）产生的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，都会使它所占用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，这种现象称磁化。F:运动的电荷q受到的力；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。磁介质：磁场作用下磁化，并影响磁场分布的物质。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：即分子电流观点和等效磁荷观点。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:环形电流的强度；S：环形电流所包围的面积；m的方向可以右手定则来确定。m,S的方向与电流方向构成右手螺旋：在没有外磁场作用时，各分支环流取向杂乱无章，磁矩相互抵消，不显示宏观磁性。而永磁体总是同时出现偶数个磁极：当磁体无限小时，体系定义为磁偶极子：偶极矩：方向：-m指向+m单位Wb.m用环形电流描述磁偶极子：磁矩：电子的轨道运动相当于一个恒定的电流回路，必然有一个磁矩（轨道磁矩），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，它受到的转矩为：T=m

B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U=-m.B

=0,T最小，处于稳定状态

0，T0,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。几个基本概念：磁场强度H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到的磁场力的大小，方向与正磁荷在该处所受磁场力的方向一致。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。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=1/2

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为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jm或磁矩

m的矢量和，分别为：磁极化强度：磁化强度：二者物理意义为：描述磁体被磁化的方向与强度。比磁化强度（单位质量磁体内具有的磁矩矢量和）如果这些磁偶极子磁矩的大小相等且相互平行排列，如上图所示，则磁化强度可简化为：M=N

m,其中N为单位体积内磁矩m的总数。磁偶极子用微小电流回路来表示，磁体内部由很多基本的闭合电流环充满，相邻电流因方向相反而互相抵消，只有在表面一层上的电流未被抵消。磁感应强度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A.m-1.通过磁场中某点，垂直于磁场方向的单位面积的磁力线总数称为磁感应强度，用B来表示，单位为T,它与磁场的关系为：B=

0(H+M)

0为真空磁导率，等于410-7H.m-1.在SI制中，单位：B：T或Wb.m-2;H：A.m-1;M:A.m-1;J:Wb.m-2空间总磁场是传导电流和磁化电流产生的磁感应强度的矢量和。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的关系：B=

0H自由真空中M=0,B与H平行，磁体内部，B与H不一定平行，磁化率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和物质本身的磁化特性有关：M=HH为外加磁场强度，系数为磁化率，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。应该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：摩尔磁化率：磁导率相对磁导率，表征磁体磁性、导磁性即磁化难易程度，单位T.m/A或H/m）在SI制中，绝对磁导率为

绝对=B/H,所以=

绝对/

0磁导率的不同定义1、起始磁导率2、最大磁导率3、振幅磁导率4、增量磁导率5、可逆磁导率6、复数磁导率所有磁导率的值均为H的函数。退磁场和退磁能量1、退磁场：铁磁性材料被磁化时产生的反向附加磁场称退磁场，也叫反磁场。它对外加磁场有削弱作用。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：Hd=-NM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对应旋转椭球体，旋转椭球形状样品的磁化是均匀的，可以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：(Hd)x=-NxMx(Hd)y=-NyMy(Hd)z=-NzMz三个主轴方向退磁因子之和Na+Nb+Nc=1如果磁体不是椭球形状，则即使在均匀外场中，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。旋转椭球的极限情况：由此可见，对于球体，a=b=c,N=1/3对于细长圆柱体：a=b<<c,Na=Nb=1/2,Nc=0对于薄圆板体：（a,b)>>c,Na=Nb=0,Nc=1旋转椭球体的三种极限情况退磁场能量：指磁体在它自身的Hd中所具有的能量。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，在单位体积内：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。退磁场与退磁能量对于均匀材料制成的椭球样品，容易得出：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称为形状各向异性。球体：Fd=(1/6)

0M2细长圆柱体：Fd=(1/4)

0(Mx2+My2)薄圆板体:Fd=(1/2)0Mz2退磁场对样品的磁性能的影响是明显的：有退磁场时磁化曲线是倾斜的。所以性能表给出的磁导率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磁学量的单位目前常用的是国际单位制(SI)和高斯单位制(CGS）。磁矩：在高斯单位制中

0=1G/Oe，则磁偶极矩与磁矩无差别，统称为磁矩，单位为电磁单位（e.m.u)1e.m.u(磁偶极矩）=410-10Wb.M1e.m.u(磁矩）=10-3A.m2磁化强度：在高斯单位制中，磁极化强度(J)与磁化强度(M)相同，单位为G.J:1G=410-4TM：1G=103A.m-1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.轨道磁矩

lz=ml

B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。自旋磁矩：

sz=2ms

B=

B每个电子本身由自旋运动产生一个沿自旋轴方向的磁矩，即自旋磁矩。轨道磁矩自旋磁矩原子中每个电子都可以看做是一个小磁体，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抵消,自旋磁矩也能相互抵消，所以当原子的电子层或次层完全填满时，磁矩为零。如He,Ne,Ar以及某些离子材料。大多数自旋方向不同的电子，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等，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。物质磁性分类介质方程：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。根据物质的磁化率，可以将物质的磁性传统上大致分为五类。按照各类磁体磁化强度M与磁场强度H的关系，可作出其磁化曲线。分类是否科学取决于是否反映颗粒内在磁性机理上的不同。随着研究的不断深入，分类也在不断地完善和细化，到上世纪70年代为止，在晶状固体中，共发现了五类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，相关的研究正在深化之中。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）磁性物质分类的原则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、亚铁磁性：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，称为抗磁性物质：出现在没有原子磁矩的材料中，其抗磁磁化率为负值，而且很小。

~-10-5，与H、T无关（也有例外，称为反常抗磁体）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）抗磁性的起源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，其抗磁磁化率为负值，而且很小。由于电子的循轨运动在外磁场作用下产生了抗磁磁矩所造成的，而不是电子的轨道磁矩和自旋磁矩产生的。在外加磁场作用下，电子的循轨运动产生一个附加磁矩，其方向总是和外加磁场方向相反，因而产生了抗磁性。取两个电子，设其循轨运动的平面和磁场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于一个闭合电流，由此而产生磁矩电子在作循轨运动时，必然要受到一个向心力k（见下图），当加上一个磁场之后，电子在磁场的作用下将会产生一个附加力

k,

k又称为洛仑磁力，其方向和k的

方向是一致的。这种情况无疑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，与轨道磁矩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，所以可以说如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。因为原子在外加磁场作用下除了产生抗磁磁矩外，还有轨道和自旋磁矩产生顺磁磁矩。在这种情况下只有那些抗磁性大于顺磁性的物质才称为抗磁性物质。抗磁性是很弱的、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而变化。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。经典的图像：在外加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磁矩为表面“破折轨道”的反向磁矩抵消。几种特殊材料的抗磁性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，如苯环中的p电子像轨道电子那样做圆周运动，苯环相当于闭合壳层。当磁场垂直于环作用时，呈现出很强的抗磁性，磁场平行于环平面时则没有抗磁性。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结合的状态却显示抗磁性。如血红蛋白中的Fe2+无氧配位（静脉血）为高自旋态，显现顺磁性；而有氧配位（动脉血）是低自旋态，呈现抗磁性。使磁场略有增加的物质，称为顺磁性物质，如稀土金属和铁族元素的盐类等。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充满的电子壳层，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.顺磁性顺磁性物质的原子或离子具有一定的磁矩，这些原子磁矩来源于未充满的电子壳层（如过渡金属的3d壳层）。在顺磁性物质中，磁性原子或离子分开的很远，以致于它们之间没有明显的相互作用，因而在没有外加磁场时，由于热运动的作用，原子磁矩是无规则混乱取向的。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10-5~10-2.顺磁性物质的磁化率随温度的变化

(T)有两种类型：第一类服从居里定律：

=C/T，C称为居里常数第二类服从居里-外斯定律：

=C/(T-p),p称为顺磁居里温度。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，原子磁矩间存在相互作用，原子磁矩平行排列，导致自发磁矩。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。磁化率是很大的正值，且与外磁场呈非线性关系变化。实例：3d金属Fe,Co,Ni,4f金属Tb,Er,Tm,Ho,等以及很多合金与化合物。铁磁性材料内原子磁矩的排列（a）温度大于居里温度Tc,(b)温度小于居里温度Tc铁磁性材料的原子磁矩在磁畴内平行排列亚铁磁体有点像永磁体，但磁化率值没有铁磁体大，如铁氧体。内部磁结构与反铁磁性相似，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）。1948年法国物理学家奈尔(neel)发现亚铁磁和反铁磁物质，明确了人类知道最早的Fe3O4属于亚铁磁物质。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，但其磁矩方向和A次晶格上的原子磁矩方向相反，大小不同。这样，就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，导致自发磁化。亚铁磁性物质中的A,B次晶格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为金属氧化物，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。铁氧体是指Fe2O3与2价金属氧化物组成的复杂氧化物，其分子式为MeOFe2O3,Me为铁、镍、锌、钴、镁等的2价金属离子。反铁磁体的为小的正数，在温度低于某一温度时，其磁化率同磁场的取向有关，高于这一温度，行为像顺磁体。即在T=TN(奈尔温度）时，

af最大。T>TN，服从T<TN时，

af不增反降，并逐渐趋于定值。反铁磁晶体可以看做是由两个亚点阵组成，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，但在反铁磁体中两个亚点阵磁矩的方向相反而大小相等，因此反铁磁体的总净磁矩在不受外场作用时仍为零。只有在很强的外磁场作用下才能显示出微弱的磁性。实例：过渡金属元素的盐类及其化合物，如MnO,CrO,CoO等，值得注意的是，抗磁性、顺磁性、反铁磁性物质的磁化率均可以近似认为是一个常数。

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，铁磁体就会被激烈地磁化，并易于达到饱和。

抗磁、顺磁、反铁磁均属于弱磁性，而铁磁和亚铁磁则属于强磁性。铁磁性材料、亚铁磁性材料及反铁磁性材料的原子磁矩的特点均为在磁畴内平行或反平行排列，因此统称为磁有序材料。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，显示铁磁性。相互作用是什么？外斯分子场理论认为：有效磁场导致近邻自旋平行排列-自发磁化（1907年）布洛赫自旋波理论认为：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。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，它们将很快失去剩磁状态，这一现象称为超顺磁性。超顺磁性粒子磁化曲线必须无磁滞现象。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，则各曲线应互相重合。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时，M逐渐趋于一定值Ms（饱和磁化强度），而B则仍不断增大。由B-H或M-H曲线可求得或。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：磁化曲线拐点K处的斜率。将严格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改变，而是按照另一条曲线改变，如图中BC段。当Hj减小到零时，M=Mr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的变化落后于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）一般当反向磁场H继续增加时，最后又可以达到反向饱和，如再沿着正反向增加H,则又得到另一条曲线。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QHc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、永磁及半永磁材料。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的大小。(BH)max是永磁的主要特性参数之一。磁晶各向异性在磁性物质中，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。实际上在磁学材料中，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得多，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，这种现象称为磁滞伸缩。设铁磁体原来的尺寸为l0,置于磁场中磁化时，其尺寸变为l，长度的相对变化为称为线磁滞伸缩系数，一般在10-6~10-3之间。磁滞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磁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地形变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，为观察方向（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），则在物体内部产生应力（或拉应力）。这样，物体内部将产生弹性能，称为磁弹性能。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，有时两种方式同时起作用。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；小而短的磁畴叫做副畴，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1800磁畴壁，另一种为900磁畴壁。磁畴壁是一个过渡区，有一定厚度。磁畴的磁化方向在磁畴壁处不能突然转一个很大的角度，而是经过畴壁的一定厚度逐步转过去的，即在这个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。磁畴壁内部的能量总是比畴内的能量高，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千差万别的原因之一。磁畴结构受到交换能、各向异性能、磁弹性能、磁畴壁能及退磁能的影响。可以从能量的观点来研究磁畴的形成过程：（1）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：（2）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场，两个矛盾相互作用使大磁畴分割为小磁畴，如下图中b,c,d所示。减小退磁能是分畴的基本动力。（3）分畴后退磁能虽然减小，但是却增加了畴壁能，因此不能无限制地分畴。（4）随磁畴数目的增加，退磁能减小，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都有显著影响，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。铁磁物质的基本磁化曲线可以大体分为三个阶段：A:畴壁的迁移，B:巴克豪森跳跃，CD：磁矩转动。畴壁的迁移工程：（1）在未加外场时，材料自发磁化形成的两个磁畴，磁畴壁通过夹杂相，称为封闭磁畴（2）当外加磁场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（如图中影线所示），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，因为原位状态的能量最低。这就是所谓的可逆迁移阶段，即畴壁的迁移A阶段。（3）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，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，处于另一种稳定态。完成这一过程后，材料的磁化强度将有一个较大的变化，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，不会由于磁场的取消而自动迁回原始位置，故称为不可逆迁移，巴克豪森跳跃(B)(4)继续增加外场时，则促使整个磁畴的磁矩方向转向外磁场方向。这个过程称为磁畴的旋转，即曲线第三区。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，这一阶段称为畴转磁化阶段。磁性材料的动态特性磁性材料的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加显得重要。磁性材料在交变磁场，甚至脉冲磁场作用下的性能统称为磁性材料的动态特性，由于大多数是在交流磁场下工作，故动态特性早期也称交流磁性能。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对场强度H的依赖关系，而不关心从一个磁化状态到另一个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性变化的，所以磁感应强度也随着周期性变化，变化一周构成一曲线称为交流磁滞回线。如果交流幅值磁场强度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。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。设样品在弱交变磁场磁化，且B和H具有正弦波形，并以复数形式表示，B与H存在相位差，则则复数磁导率为：可以将相位B进行分解，引入与H同相位的分量B1m=Bmcos,及比H落后900的分量B2m=Bmsin，则其中，复数磁导率的模称为总磁导率或振幅磁导率：

’定义为弹性磁导率，代表磁性材料中储存能量的磁导率。与铁磁材料在交变磁场中的储能密度有关；”称为损耗磁导率，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有关。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学参数，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磁能，即在各工作磁通密度B下，从低频到高频的磁导率和损耗。磁性参量的划分与特性金属的磁学参量可以划分为：（1）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。包括

饱和磁感应强度磁致伸缩系数

居里温度（2）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。包括：

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、晶体结构等有关。温度饱和磁化强度Ms随温度升高下降，低温时下降较为缓慢，当温度接近Tc时，Ms急剧下降，在Tc温度时降为0.原因：原子热运动使原子磁矩产生无序倾向造成。铁磁性的影响因素包括温度、加工硬化和晶粒细化、磁场退火、合金化等Bs，Q,Hc均随温度升高而下降，当温度到达居里温度时降低为0.亚铁磁性是由不同相，但磁矩方向相反的磁结构构成的。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具有重要应用。加工硬化和晶粒细化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。固体受外力作用而使各点间相对位置的改变，当外力撤消后，固体的形状或多或少有保留却不能完全复原的形变为“范性形变”，就是“塑性形变”，的同义词。与之对应的还有弹性形变。加工硬化和晶粒细化导致再结晶的退火总是提高磁导率，降低矫顽力进而磁滞损耗，使这些性能恢复到接近加工硬化前的数值。原因：在再结晶温度退火时，材料的组织进行了恢复过程。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。（3）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。但也有例外，如Fe-V,Fe-W,随V,W含量增加，居里温度先增后减。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。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。改善铁磁性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。退火时在一定方向施加磁场，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，当材料从顺磁体变为铁磁体时，各磁畴经受磁滞伸缩产生形变。由于每个晶体中都有几个易轴，则在居里温度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，这种应力将妨碍磁滞伸缩，从而妨碍磁化，降低磁导率。抗磁和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1、一个能够产生不均匀磁场的强磁铁3和电加荷系统4构成。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X方向上的磁场强度H可用实验方法获得，其分布如右图(b)所示。试样2放置在磁极的间隙中，由于磁场是不均匀的，但试样被磁化后将沿着X方向受到一个作用力F,如为顺磁性，则F向下，抗磁性则F向上。F的大小取决于磁性的强弱，它与磁化率有如下的关系：其中，V为试样体积，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芯，铁芯置于线圈中。测量时，调整线圈通过的电流使其产生对铁芯的吸引力与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比较成熟，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1、非铁磁材料所制支架2、电磁铁3、测量线圈4、冲击检流计5、加热炉6及铜管7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芯，由于铁磁相被磁化，磁通量将从

1增加到2，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量的变化量为试样投入后线圈的磁通量由

1随时间变化为2，由此产生的感应电势为：设测量回路中的电阻为R,则回路中的感应电流为：在时间t内流经检流计的电量为：通过检流计的电量Q与检流计标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：又故测量线圈的匝数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，故又称为磁转矩仪。如右图所示即为热磁仪的原理示意图。1为读数标尺，用以读出试样的转角；2为带有刻度标记的光源；3为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为电磁极极头；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的夹角为

0，一般小于100，见图（b）.在磁场作用下，铁磁性试样将产生一个力矩M1:V为试样体积，H为磁场强度，M为磁化强度，为试样与磁场间的夹角。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引起的试样与磁场之间的夹角的变化值，C为弹簧的弹性常数。在测量过程中达到平衡状态时，M1=M2，故可得到由于在测量过程中，很小，故可认为sin=sin0,则热磁仪测量法的优点是能够连续地测量和自动记录，测量速度较快，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，首先将有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，或抽到螺线管外原理如果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变化，检流计光点就会发生偏移。如果试验经退磁后剩磁为零，则抽动时，测量线圈中磁通量不发生变化，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：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于样品上的转矩。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，并由此求得磁晶的各向异性常数。右图是用来测量转矩曲线的转矩仪。在自动转矩仪研制出来之前，是用光点方法测量的。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:L=k

1K为扭力系数（达因.厘米/度）,1为样品的转动角度。为易轴与磁化强度之间的夹角。如果样品体积为V，则平衡条件为VT=L=k1这样，适当选择扭力系数k，就可使

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，就可简化为=。铁磁体材料的交流磁性测量—动态磁化曲线测量下图为测量动态磁化曲线的原理图。该装置是通过测量一个被测磁通量的线圈中的感应电动势来测定交变磁通量的。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的，磁化电流峰值Im可直接从有效值电流表A的读数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。严格来说，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：其中，f为磁化电流的频率，由频率计读出；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为试样的截面积,m2由于线圈中磁通量的变化与感应电动势成正比，但