第七章 磁性物理與性能

第七章磁性物理與性能無論是電子、電力、通信、還是空間、計算、生物，乃至家用電器，磁學(xué)和磁性材料都是不可缺少的重要部分。至少有24次諾貝爾獎得主在磁學(xué)領(lǐng)域作出了杰出的貢獻；公元前2500年我國已有磁性指南——司南的記載，其開創(chuàng)了人類對磁學(xué)和磁性材料研究的先河；從1900年到1930年，先后確立了金屬電子論、順磁性理論、分子磁場、磁疇概念、X射線衍射分析、原子磁矩、電子自旋、波動力學(xué)、鐵磁性體理論、金屬電子量子論、電子顯微鏡等相關(guān)的的理論。從而形成了完整的磁學(xué)科學(xué)體系。在此后的20~30年間，出現(xiàn)了種類繁多的磁性材料。我國的磁學(xué)前輩當(dāng)數(shù)葉企孫（1924年從美國哈佛大學(xué)獲博士學(xué)位回國）、施汝為先生（1931年在國內(nèi)發(fā)表了第一篇磁學(xué)研究論文），現(xiàn)我國已有十余所高校、十幾個研究所及幾百個生產(chǎn)企業(yè)從事磁學(xué)研究、教學(xué)和生產(chǎn)。磁學(xué)基礎(chǔ)(a)在一個通有電流的導(dǎo)線周圍鐵屑的分布情況

(b)對于一根直導(dǎo)線，通過的電流與其產(chǎn)生的磁場的關(guān)系圖1、磁矩磁矩是表征磁性物體磁性大小的物理量，磁矩越大，磁性越強，即物體在磁場中受的力越大。電子繞原子核運動產(chǎn)生電子軌道磁矩；電子本身自旋，產(chǎn)生電子自旋磁矩。任何一個封閉的電流都具有磁矩m，其大小為電流與封閉環(huán)型的面積的乘積。由個圓環(huán)產(chǎn)生的總磁矩是由這些單一圓環(huán)產(chǎn)生的磁矩的迭加，即2、磁偶極子磁偶極子：所謂磁偶極子是指強度相等、極性相反并且其距離無限接近的一對“磁荷”。磁偶極矩矢量：

磁場強度：3、磁化強度一般磁介質(zhì)無外加磁場時，其內(nèi)部各磁矩的取向不一，宏觀無磁性；但在外磁場作用下，各磁矩有規(guī)則取向，使磁介質(zhì)宏觀顯示磁性，這就是磁化。磁化強度M是單位體積的磁矩，表征物質(zhì)被磁化的程度.磁學(xué)基本量磁化強度M單位體積內(nèi)具有磁偶極矩矢量和稱為磁極化強度；單位體積內(nèi)具有的磁矩矢量和稱為磁化強度，分別表示如下：和二者之間存在以下關(guān)系3、磁場強度磁場強度和磁感應(yīng)強度均為表征磁場性質(zhì)（即磁場強弱和方向）的兩個物理量。在充滿均勻磁介質(zhì)的情況下，若包括介質(zhì)因磁化而產(chǎn)生的磁場在內(nèi)時，用磁感應(yīng)強度B表示，其單位為特斯拉T，是一個基本物理量；單獨由電流或者運動電荷所引起的磁場（不包括介質(zhì)磁化而產(chǎn)生的磁場時）則用磁場強度H表示，其單位為A/m2，是一個輔助物理量。

μr=μ/μ0為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率；

×=μr-1定義為介質(zhì)的磁化率，反映材料磁化的能力，無量綱，可正可負，取決于材料的不同磁性類別。其中：磁性的微觀解釋磁介質(zhì)的基本單元：分子分子內(nèi)原子中電子的運動：軌道運動——電子軌道磁矩自旋運動——電子自旋磁矩本征磁矩是物質(zhì)磁性的主要來源材料的磁化磁化的相關(guān)概念自發(fā)磁化和磁疇

磁有序物質(zhì)在無外加磁場的情況下，由于近鄰原子間電子的交換作用或其他相互作用，使物質(zhì)中各原子的磁矩在一定空間范圍內(nèi)呈現(xiàn)有序排列而達到的磁化，稱為自發(fā)磁化。自發(fā)磁化的小區(qū)域稱之為磁疇。磁化過程磁化過程是指處于磁中性狀態(tài)的強磁性體在外磁場的作用下，其磁化狀態(tài)隨外磁場發(fā)生變化的過程。反磁化過程是指強磁性體沿一個方向磁化飽和后，當(dāng)外磁場逐漸減小或沿相反方向逐漸增加時，其磁化狀態(tài)隨外磁場發(fā)生變化的過程。對磁化過程的宏觀描述是磁化曲線，對反磁化過程的宏觀描述是磁滯回線。

材料的磁化磁化過程靜態(tài)磁化動態(tài)磁化技術(shù)磁化內(nèi)稟磁化材料的磁化磁化曲線的基本特征M=f（H）或B=f（H）五個階段：可逆區(qū)域——磁場弱瑞利區(qū)域——磁場略強（不可逆）最大磁導(dǎo)率區(qū)域——中等磁場趨近飽和區(qū)域——強磁場順磁區(qū)域——更強磁場物質(zhì)的三種磁性根據(jù)物質(zhì)在外磁場中的磁化特性，通常將物質(zhì)的磁性分為抗磁性，順磁性，鐵磁性三種磁性物質(zhì)的磁化特點是抗磁性物質(zhì)：磁化率為負值，約為-10-7~

-10-7

，表明抗磁性一般很微弱。

順磁性物質(zhì)：磁化率為正值，一般也很小，室溫下約為10-5。鐵磁性物質(zhì)：磁化率為正值，室溫下其值可達103數(shù)量級。鐵磁性物質(zhì)即使在較弱的磁場內(nèi)，也可得到極高的磁化強度，而且當(dāng)外磁場移去后，仍可保留極強的磁性。但當(dāng)外場增大時，由于磁化強度迅速達到飽和，其磁化率變小。

物質(zhì)的磁性為什么會有這么不同？其原因是什么？物質(zhì)的抗磁性和順磁性物質(zhì)的磁性和原子的組成及結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。孤立原子的磁矩決定于原子的結(jié)構(gòu)。由于原子核的自旋磁矩僅為電子磁矩的千分之幾，所以原子磁矩主要決定于核外電子的磁矩。

渦旋電場使電子的軌道角速度和軌道磁矩都減小，與外磁場方向相反抗磁性抗磁性是一些物質(zhì)的原子中電子磁矩互相抵消，合磁矩為零。但是當(dāng)受到外加磁場作用時，電子軌道運動會發(fā)生變化，而且在與外加磁場的相反方向產(chǎn)生很小的合磁矩。常見的抗磁物質(zhì)：水、金屬銅、碳(C)和大多數(shù)有機物和生物組織。抗磁物質(zhì)的一個重要特點是磁化率不隨溫度變化。一般含有奇數(shù)個電子的原子或分子，電子未填滿殼層的原子或離子，如過渡元素、稀土元素、錒系元素，還有鋁鉑等金屬，都屬于順磁物質(zhì)。順磁性反鐵磁性原子自旋（磁矩）受交換作用而呈現(xiàn)有序排列的序磁材料中,如果相鄰原子自旋間因受負的交換作用,自旋為反平行排列，則磁矩雖處于有序狀態(tài)(稱為序磁性)，但總的凈磁矩在不受外場作用時仍為零。這種磁有序狀態(tài)稱為反鐵磁性。

反鐵磁性1)當(dāng)T

>TN

時，反鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?磁化率服從居里-外斯定律，多數(shù)反鐵磁性物質(zhì)的順磁奈爾溫度為正值，也有的為負值。2)當(dāng)T<TN時，表現(xiàn)為反鐵磁性。最大特征是，磁化率隨溫度降低反而減小。因此在點具有極大值。3)在TN點附近，除磁化率的反常變化外，比熱和熱膨脹系數(shù)也將出現(xiàn)反常高峰，某些物質(zhì)的楊氏模量也將發(fā)生反常變化。這表明是TN二類相變溫度。4)存在磁晶各向異性。當(dāng)樣品為單晶時，沿不同晶軸方向測量的磁化率明顯不同。鐵磁性即使無外加磁場，磁矩也按同一方向整齊排列，這種性質(zhì)稱為鐵磁性，具有鐵磁性的物質(zhì)稱為鐵磁體。特點：具有自發(fā)磁化（克服熱運動）具有高飽和磁化強度存在鐵磁性消失的溫度——居里溫度存在磁滯現(xiàn)象飽和磁化強度與溫度的關(guān)系磁晶各向異性和磁滯伸縮現(xiàn)象Weiss分子場理論1、“分子場”理論的兩點假設(shè)：

a、分子場假設(shè)：

b、磁疇假設(shè):2、作用與地位

a、是現(xiàn)代磁性理論的基礎(chǔ)（自發(fā)磁化理論、技術(shù)磁化理論）。

b、可定性解釋自發(fā)磁化利用Langevine順磁性理論推廣到鐵磁性物質(zhì)中，可導(dǎo)出自發(fā)磁化強度與溫度的關(guān)系，

——居里－外斯定律。一、分子場理論對自發(fā)磁化的唯象解釋

T>Tc時，鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判裕瑹狎}動能破壞了分子場對原子磁矩有序取向的作用。二、自發(fā)磁化強度Ms及其與溫度的關(guān)系

Weiss假設(shè)，分子場Hmf與自發(fā)磁化強度Ms成正比。式中，

為Weiss分子場系數(shù)在外場作用下，由Langevine順磁理論：聯(lián)立求解方程1、2可得到一定H與T下的M，若令H=0,即可得到Ms，也可計算Tc。主要結(jié)論：1）在T<Tc的任何溫度下，自發(fā)極化總是存在的，因此材料表現(xiàn)出鐵磁性；當(dāng)T＞0K時，溫度升高，自發(fā)極化強度逐漸降低。在T＞Tc時，自發(fā)極化強度為零，材料表現(xiàn)出順磁性。這個臨界溫度就是居里溫度。2）當(dāng)T≥TC后，材料的磁化率服從居里－外斯定律，即，T=θP時，鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?。這些結(jié)果與實驗結(jié)果符合的很好。3）交換積分常熟與居里溫度成正比，其物理意義為：越大，交換作用越強，要破壞原子磁矩的整齊排列所需要的熱能就越大，因而居里溫度也越高。M0與Ms的區(qū)別：

a、飽和磁化強度M0：原子磁矩在H作用下趨于H方向，即使再增加H，磁化強度不再增加，此時M趨近于M0。

b、自發(fā)磁化強度Ms：把飽和磁化強度外推到H=0時的磁化強度的值。磁疇假說大塊鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部，存在許多小區(qū)域，在每一個這樣的小區(qū)域內(nèi)，原子磁矩受到分子場的作用都是平行取向的，而不同磁疇中的原子磁矩取向卻不同。具有這樣特點的小區(qū)域稱為磁疇。

磁晶各向異性相互作用能外磁場能外磁場能是各向異性的。H=0，F(xiàn)=0，鐵磁體處于宏觀退磁狀態(tài)，對外不顯磁性；H≠0時，鐵磁體被磁化，宏觀上顯磁性，所以外磁場是鐵磁體磁化的動力。磁體在均勻磁場中的受力分析相互作用能退磁場能

被磁化的非閉合磁體將在磁體兩端產(chǎn)生磁荷，如果磁性體內(nèi)部磁化不均勻，還將產(chǎn)生體磁荷，面磁荷和體磁荷都會在磁性體內(nèi)部產(chǎn)生磁場，其方向和磁化強度方向相反，有減弱磁化的作用——退磁場

Hd表面的自由磁極及產(chǎn)生的退磁場若磁性體磁化是均勻的，則退磁場也是均勻的，可以表示為

序言：在磁性物質(zhì)中，自發(fā)磁化主要來源于自旋間的交換作用，這種交換作用本質(zhì)上是各向同性的，如果沒有附加的相互作用存在，在晶體中，自發(fā)磁化強度可以指向任意方向而不改變體系的內(nèi)能。實際上在磁性材料中，自發(fā)磁化強度總是處于一個或幾個特定方向，該方向稱為易軸。當(dāng)施加外場時，磁化強度才能從易軸方向轉(zhuǎn)出，此現(xiàn)象稱為磁晶各向異性。磁晶各向異性[100][110][111]磁晶各向異性能：飽和磁化強度矢量在鐵磁體中取不同方向而改變的能稱為磁晶各向異性能。它只與磁化強度矢量在晶體中相對的取向有關(guān)，易軸上，磁晶各向異性能最小。各向異性常數(shù)——描述單晶體磁各向異性的強弱易磁化方向和難磁化方向由磁晶各向異性常數(shù)的大小和正負符號所決定。

鐵磁性物質(zhì)的形狀在磁化過程中發(fā)生形變的現(xiàn)象，叫磁致伸縮。由磁致伸縮導(dǎo)致的形變l/l

一般比較小，其范圍在10-510-6之間。雖然磁致伸縮引起的形變比較小，但它在控制磁疇結(jié)構(gòu)和技術(shù)磁化過程中，仍是一個很重要的因素。

應(yīng)變l/l

隨外磁場增加而變化，最終達到飽和。產(chǎn)生這種行為的原因是材料中磁疇在外場作用下的變化過程。每個磁疇內(nèi)的晶格沿磁疇的磁化強度方向自發(fā)的形變e。且應(yīng)變軸隨著磁疇磁化強度的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，從而導(dǎo)致樣品整體上的形變。式中：e為磁化飽和時的形變，覌察方向(測試方向)與磁化強度方向之間的夾角。H磁致伸縮磁疇形成的根本原因

F＝

Fex（交換作用能）+Fk（磁晶各向異性能）

+Fσ（應(yīng)力能）+FH（外磁場能）

+Fd（退磁能）

+F+……

根據(jù)熱力學(xué)平衡原理，產(chǎn)生磁疇也就是Ms平衡分布要滿足總自由能必定極小的條件。若無H與σ作用時，Ms應(yīng)分布在由Fd、Fex、Fk三者所決定的總自由能極小的方向，但由于鐵磁體有一定的幾何尺寸，Ms的一致均勻分布必將導(dǎo)致表面磁極的出現(xiàn)而產(chǎn)生Hd，從而使總能量增大，不再處于能量極小的狀態(tài)。因此必須降低Fd。故只有改變其Ms矢量分布方向，從而形成多磁疇。因此Fd最小要求是形成磁疇的根本原因。

疇壁與疇壁結(jié)構(gòu)但是形成磁疇后,將引起Fex與Fk的增加（即疇壁能）。

因此，磁疇數(shù)目的多少及尺寸的大小完全取決于Fd與疇壁能的平衡條件?！鲋挥蠪d是形成多疇結(jié)構(gòu)的根本原因決定磁疇結(jié)構(gòu)的因素除Fd外1、磁各向異性實際鐵磁體中磁矩方向不能任意選取。（綜合考慮Fex、Fk

）2、磁致伸縮，即考慮Fσ

。磁疇壁的分類理論和實驗都證明，在兩個相鄰磁疇之間原子層的自旋取向由于交換作用的緣故，不可能發(fā)生突變，而是逐漸的變化，從而形成一個有一定厚度的過渡層，稱為疇壁。

按疇壁兩邊磁化矢量的夾角來分類，可以把疇壁分成180°壁和90°壁兩種類型。在具有單軸各向異性的理想晶體中，只有180°壁。在K1＞0的理想立方晶體中有180°壁和90°壁兩種類型。在K1＜0的理想立方晶體中除去180°和90°壁外，還可能有109°和71°壁，實際晶體中，由于不均勻性，情況要復(fù)雜得多，但理論上仍常以180°和90°壁為例進行討論。磁疇壁的分類按疇壁中磁矩轉(zhuǎn)向的方式分:布洛赫（Bloch）壁磁疇壁的分類按疇壁中磁矩轉(zhuǎn)向的方式分:奈爾（Neel）壁奈爾壁中磁矩過渡方式Neel

壁Bloch壁從圖可以看出：隨著材料厚度的變薄，Bloch壁在樣品表面產(chǎn)生的退磁場能會變得很大，相反，Neel壁的退磁場能會變得比較小，所以薄膜中會出現(xiàn)Neel壁。磁疇結(jié)構(gòu)1）均勻鐵磁體的磁疇結(jié)構(gòu)

①片型疇②封閉疇③表面疇磁疇結(jié)構(gòu)非均勻性鐵磁體的疇壁結(jié)構(gòu)摻雜與空隙（空穴）對疇壁的影響所以材料總摻雜物或空隙越多，疇壁磁化越困難，材料磁導(dǎo)率μ越低磁疇結(jié)構(gòu)非均勻性鐵磁體的疇壁結(jié)構(gòu)多晶體的疇壁結(jié)構(gòu)跨過晶粒邊界時，磁化方向雖轉(zhuǎn)了一個角度，磁力線大多仍是連續(xù)的，這樣晶粒邊界上出現(xiàn)的磁極少磁疇結(jié)構(gòu)非均勻性鐵磁體的疇壁結(jié)構(gòu)單壁結(jié)構(gòu)單疇結(jié)構(gòu)內(nèi)無疇壁，不會有疇壁位移磁化過程，只有磁疇轉(zhuǎn)動磁化過程。這樣的材料，其磁化與退磁均不容易，具有較低的磁導(dǎo)率與高—即永磁材料。磁滯現(xiàn)象

(magnetichysteresis)無外磁場作用時，如果鐵磁體對外不顯示磁性，即M=0，這時鐵磁體所處的狀態(tài)稱為退磁狀態(tài)。M縱坐標H橫坐標坐標系中原點O表示退磁狀態(tài)。用Mr

表示剩余磁化強度；使鐵磁體剩余磁化強度全部消失時所必須施加的反向磁場稱為矯頑力，常用Hc

表示。MHMsMrO

飽和磁化強度用Ms

表示?；敬呕€，通常不是直線，鐵磁體的磁化率m不是常量，是磁場強度H的函數(shù)。隨著磁場強度的變化，鐵磁體的磁狀態(tài)沿著一閉合曲線變化，此閉合曲線就稱為磁滯回線。

參量B與H間的關(guān)系也表現(xiàn)為類似的閉合曲線。鐵磁體磁化過程的這種不可逆性，稱為磁滯現(xiàn)象。

鐵磁材料具有不同形狀的磁滯回線，具有不同的應(yīng)用。

1.軟磁材料：如硅鋼、坡莫合金(一種鐵鎳合金)、錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體等。BHHc-Hc

特點：r大，易磁化、易退磁(起始磁化率大)，飽和磁感應(yīng)強度大，矯頑力(Hc)小，磁滯回線的面積窄而長，損耗小(HdB面積小)。作變壓器，還用于繼電器、電機、以及各種高頻電磁元件的磁芯、磁棒。

2.作永久磁鐵的硬磁材料：碳鋼、鋁鎳鈷、稀土鈷、釹鐵硼和鋇鐵氧體等。矯頑力大(>