磁性物理学第二章-技术磁化理论--磁性材料-6课件.ppt

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1、磁性材料第二章 技术磁化理论第二章第二章 技术磁化理论技术磁化理论第一节第一节 磁体中的能量磁体中的能量第二节第二节 磁畴理论磁畴理论第三节第三节 技术磁化过程技术磁化过程第四节第四节 反磁化过程反磁化过程第五节静态磁参数分析第五节静态磁参数分析磁性材料第二章 技术磁化理论Weiss分子场假说分子场假说自旋交换作用导致磁性体内部自旋交换作用导致磁性体内部存在分子场，从而产生自发磁化（存在分子场，从而产生自发磁化（MST关系，以及居关系，以及居里点的存在）里点的存在）在未受外磁场作用时为什么绝大多数铁磁体不显示宏在未受外磁场作用时为什么绝大多数铁磁体不显示宏观磁性呢？观磁性呢？磁畴假说磁畴假说磁

2、畴的概述：宽度约为磁畴的概述：宽度约为10-3cm，包含，包含1014个磁性原子个磁性原子（从微观和宏观两种角度认识磁畴）（从微观和宏观两种角度认识磁畴）Introduce磁性材料第二章 技术磁化理论磁畴结构磁畴结构：磁畴的大小、：磁畴的大小、形状以及它们在铁磁体形状以及它们在铁磁体内的排布方式。研究磁内的排布方式。研究磁畴结构的形式及其在外畴结构的形式及其在外磁场中的变化是磁学的磁场中的变化是磁学的重要内容之一重要内容之一（1）了解铁磁体内部自）了解铁磁体内部自发磁化的分布；发磁化的分布；（2）为研究磁化过程提）为研究磁化过程提供理论依据供理论依据铁磁体为什么形成磁铁磁体为什么形成磁畴？磁畴

3、的尺寸和结畴？磁畴的尺寸和结构与哪些因素有关？构与哪些因素有关？所有这一切都是由所有这一切都是由铁磁体系统内的总自由能等于极小铁磁体系统内的总自由能等于极小值所决定的值所决定的。具体而言，铁磁体磁畴结构的形成以及。具体而言，铁磁体磁畴结构的形成以及磁化过程中磁化曲线、磁滞回线上的每一点都代表铁磁化过程中磁化曲线、磁滞回线上的每一点都代表铁磁体的磁体的平衡状态平衡状态，而从热力学的观点来看，在平衡状，而从热力学的观点来看，在平衡状态下，系统的总自由能等于极小值态下，系统的总自由能等于极小值磁性材料第二章 技术磁化理论磁性材料第二章 技术磁化理论磁性材料第二章 技术磁化理论一、铁磁体中的各种相互作

4、用能一、铁磁体中的各种相互作用能 目前认为在铁磁体内有五种主要的相互作用目前认为在铁磁体内有五种主要的相互作用（对应（对应五种相互作用能）五种相互作用能）：1.交换能（交换能（Fex）：）：电子自旋间的交换相互作用产生的能量电子自旋间的交换相互作用产生的能量2.磁晶各向异性能（磁晶各向异性能（Fk）：）：铁磁体内晶体场对轨道电子间的铁磁体内晶体场对轨道电子间的作用、电子的轨道磁矩与自旋磁矩间的耦合效应所产生的能量作用、电子的轨道磁矩与自旋磁矩间的耦合效应所产生的能量3.磁应力能（磁应力能（F）：）：铁磁体内磁性和弹性（形变）相互作用所铁磁体内磁性和弹性（形变）相互作用所引起的能量（又称为磁弹性

5、应力能）引起的能量（又称为磁弹性应力能）4.退磁场能（退磁场能（Fd）：）：铁磁体与其自身所产生的退磁场之间的相铁磁体与其自身所产生的退磁场之间的相互作用能互作用能5.静磁能（静磁能（FH）：）：铁磁体与外磁场之间的相互作用产生的能量铁磁体与外磁场之间的相互作用产生的能量具有静具有静电性质电性质的相互的相互作用能作用能与磁与磁的相的相互作互作用有用有关的关的能量能量磁性材料第二章 技术磁化理论 因此，在铁磁体中，因此，在铁磁体中，单位体积内的总自由能或总能量单位体积内的总自由能或总能量F 可以表示为：可以表示为：F的物理意义：单位体积的铁磁体内部存在的各的物理意义：单位体积的铁磁体内部存在的各

6、个个元磁矩之间元磁矩之间及其及其与外场的相互作用能与外场的相互作用能磁性材料第二章 技术磁化理论二、交换作用能二、交换作用能（Fex）我们已经知道铁磁体中相邻原子的自旋间的交换作用能为：我们已经知道铁磁体中相邻原子的自旋间的交换作用能为：Si和和Sj分别为第分别为第i个原个原子和相邻的第子和相邻的第j个原子的个原子的总自旋矢量，总自旋矢量，大小等于大小等于原子的总自旋量子数，原子的总自旋量子数，而方向是沿着自发磁化而方向是沿着自发磁化方向方向；Aij为近邻原子间为近邻原子间的交换积分的交换积分 由于是由于是近程作用近程作用，可设第，可设第i个原子与其个原子与其近邻原子的近邻原子的交换积分都相同

7、交换积分都相同，即，即AijA。此外若对于同种原子的电子，则有此外若对于同种原子的电子，则有SiSjS ij 为相邻两原子的自旋矢量间的夹角为相邻两原子的自旋矢量间的夹角磁性材料第二章 技术磁化理论磁性材料第二章 技术磁化理论三、磁晶各向异性能（三、磁晶各向异性能（Fex）（一）、磁晶各向异性的宏观描述（一）、磁晶各向异性的宏观描述1、Fe、Co、Ni单晶体的磁化曲线单晶体的磁化曲线结论：（结论：（1）沿各自）沿各自不同晶轴方向不同晶轴方向磁化可以得到磁化可以得到不同的磁化曲线不同的磁化曲线（磁晶各向异性），（磁晶各向异性），（2）沿不同的晶轴方向）沿不同的晶轴方向磁化到饱和的难易磁化到饱和的

8、难易程度相差甚大程度相差甚大易磁化方向易磁化方向(最容易磁化的晶轴方向最容易磁化的晶轴方向)与难磁与难磁化方向化方向磁性材料第二章 技术磁化理论2、磁化功、磁化功铁磁体磁化时所需要的磁化能铁磁体磁化时所需要的磁化能 从能量的角度而言，由于铁磁晶体的各向异性，则沿铁磁单从能量的角度而言，由于铁磁晶体的各向异性，则沿铁磁单晶体不同的晶轴方向上，磁化到饱和时所需要的磁化能量（晶体不同的晶轴方向上，磁化到饱和时所需要的磁化能量（磁化磁化能）能）是不相同的是不相同的 铁磁体磁化时所需要的磁化能（磁化铁磁体磁化时所需要的磁化能（磁化功）为：功）为：表示铁磁体从退磁状态磁化到饱和磁化状态时，所需要的磁化表示

9、铁磁体从退磁状态磁化到饱和磁化状态时，所需要的磁化功在数值上等于磁化曲线和纵轴之间所围的面积功在数值上等于磁化曲线和纵轴之间所围的面积磁性材料第二章 技术磁化理论磁性材料第二章 技术磁化理论立方晶体的磁晶各向异性能立方晶体的磁晶各向异性能Fk(i)的数学表达式为：的数学表达式为：一般在考虑一般在考虑Fk相对于相对于Ms取向变化时，常将取向变化时，常将K0略去：略去：其中：其中：K1、K2为为磁晶各向异性常数磁晶各向异性常数，它是磁性材料特，它是磁性材料特性参数之一。其大小表征磁性材料沿不同方向磁化至饱性参数之一。其大小表征磁性材料沿不同方向磁化至饱和时磁化功的差异和时磁化功的差异4、磁晶各向异

10、性能的数学表达式：、磁晶各向异性能的数学表达式：磁性材料第二章 技术磁化理论磁性材料第二章 技术磁化理论四、磁致伸缩四、磁致伸缩（一）、磁致伸缩现象与磁致伸缩系数（一）、磁致伸缩现象与磁致伸缩系数 1、定义：、定义：铁磁晶体由于磁化状态的改变，其长度或体积都要铁磁晶体由于磁化状态的改变，其长度或体积都要发生微小的变化，这种现象叫磁致伸缩现象发生微小的变化，这种现象叫磁致伸缩现象 a、磁致伸缩现象的三种表现：、磁致伸缩现象的三种表现：线磁致线磁致伸缩伸缩体积磁致伸缩：体积磁致伸缩：铁磁体被磁化时其体积大小的相对变化铁磁体被磁化时其体积大小的相对变化纵向磁致伸缩纵向磁致伸缩：沿磁场方向尺寸大小的相

11、对变化沿磁场方向尺寸大小的相对变化横向磁致伸缩：横向磁致伸缩：垂直于磁场方向尺寸大小的相对变化垂直于磁场方向尺寸大小的相对变化磁性材料第二章 技术磁化理论b、磁致伸缩效应与磁化过程有一定的联系、磁致伸缩效应与磁化过程有一定的联系:体积磁致伸缩只有在铁磁体体积磁致伸缩只有在铁磁体被技术磁化到饱和以后的顺磁过被技术磁化到饱和以后的顺磁过程才能明显表现出来，因此，磁程才能明显表现出来，因此，磁致伸缩的讨论将致伸缩的讨论将主要限于线磁致主要限于线磁致伸缩（简称为磁致伸缩）伸缩（简称为磁致伸缩）磁性材料第二章 技术磁化理论磁性材料第二章 技术磁化理论说明：说明：1、室温下单晶体在不同晶轴方向、室温下单晶

12、体在不同晶轴方向 S也也不同，说明不同，说明单晶体单晶体的磁致伸缩也具有各向异性的磁致伸缩也具有各向异性：即：即 100 110；也说明；也说明磁致伸磁致伸缩与磁晶各向异性相关联的缩与磁晶各向异性相关联的，通常是磁晶各向异性较弱时，通常是磁晶各向异性较弱时，S也较小也较小;2、对铁氧体而言，除、对铁氧体而言，除Fe3O4 的的 S 0 外，其余的外，其余的 S 0;3、材料的成分对、材料的成分对 S 影响很大：含影响很大：含Co 的合金与铁氧体，其的合金与铁氧体，其|S|很大，很大，CoFe2O4有较大的负有较大的负 S值值磁性材料第二章 技术磁化理论五、磁应力能五、磁应力能 当铁磁体在受到外

13、应力的作用或其内部本来存在内应力当铁磁体在受到外应力的作用或其内部本来存在内应力时，铁磁晶体还将产生时，铁磁晶体还将产生由应力引起的形变由应力引起的形变，此时晶体的能量，此时晶体的能量除了广义的磁晶各向异性能外，还有因应力（包括内应力和除了广义的磁晶各向异性能外，还有因应力（包括内应力和外应力）而产生的外应力）而产生的非自发形变非自发形变非自发形变非自发形变引起的磁弹性应力能量引起的磁弹性应力能量（即（即磁磁应力能应力能）设外应力张量设外应力张量 iki k，其，其中中 i、k为外应力强度为为外应力强度为 的方的方向余弦，所以晶体的总形变向余弦，所以晶体的总形变张量为：张量为：只讨论一种简单而

14、重要的情只讨论一种简单而重要的情形，即应力为沿一定方向的形，即应力为沿一定方向的简单张力（或压力）的情形简单张力（或压力）的情形磁性材料第二章 技术磁化理论磁性材料第二章 技术磁化理论 铁磁性物质的基本特征是铁磁性物质的基本特征是物质内部存在自发磁化与磁物质内部存在自发磁化与磁畴结构畴结构。1907年年Weiss在分子场理论的假设中，最早提出磁畴的在分子场理论的假设中，最早提出磁畴的假说；而磁畴结构的理论是假说；而磁畴结构的理论是LandonLifshits在在1935年考虑年考虑了静磁能的相互作用后而首先提出的。了静磁能的相互作用后而首先提出的。多年来，关于磁畴的形成以及在外磁场作用下磁畴结

15、多年来，关于磁畴的形成以及在外磁场作用下磁畴结构发生的相应变化，已经在实验和理论上积累了许多的结构发生的相应变化，已经在实验和理论上积累了许多的结果，使果，使磁畴理论已成为现代磁化理论的主要理论基础磁畴理论已成为现代磁化理论的主要理论基础磁性材料第二章 技术磁化理论一、磁畴的形成（起源）一、磁畴的形成（起源）假设无外磁场（假设无外磁场（H）与外应力（）与外应力（）的）的作用时，作用时，MS应分布在由应分布在由Fex、Fk、Fd三者三者所决定的总自由能极小的方向所决定的总自由能极小的方向。Fex导致导致近邻原子的自旋磁矩取向相同，导致自发近邻原子的自旋磁矩取向相同，导致自发磁化；磁化；Fk使自发

16、磁化的方向保持在易磁化使自发磁化的方向保持在易磁化轴方向，所以当轴方向，所以当Fex+Fk取最小值时取最小值时，铁磁，铁磁体沿易磁化轴方向磁化到饱和，此时称为体沿易磁化轴方向磁化到饱和，此时称为均匀的自发磁化状态均匀的自发磁化状态铁磁体内产生磁畴实际上是铁磁体内产生磁畴实际上是F 取取极小值，即是极小值，即是MS平衡时分布是满平衡时分布是满足能量最低原理的必然结果足能量最低原理的必然结果MS磁性材料第二章 技术磁化理论磁性材料第二章 技术磁化理论磁畴形成的能量分析：磁畴形成的能量分析：LMsS S S SN N N N 情况情况1：自发磁化后不分畴，全部：自发磁化后不分畴，全部磁矩向一个方向（

17、即均匀的自发磁磁矩向一个方向（即均匀的自发磁化状态）化状态）对于对于Fe：MS=1.71 106 A/m，则，则Fd=1.8 106 J/m3令令L=10-2m，则单位面积下产生的退磁场能为：，则单位面积下产生的退磁场能为：磁性材料第二章 技术磁化理论情况情况2：自发磁化形成简单的片状磁畴：自发磁化形成简单的片状磁畴 此时，材料表面也出现磁极，内部也有此时，材料表面也出现磁极，内部也有Fd，同时，由于，同时，由于畴壁能的存在，需要考虑二者的共同作用。畴壁能的存在，需要考虑二者的共同作用。其中其中 w为单位面积的为单位面积的畴壁能畴壁能LS N S N SN S N S ND磁性材料第二章 技术

18、磁化理论对于对于Fe来说：来说：w=1.59 10-3 J/m2，则，则D=5.7 10-6 m，且，且Emin=5.6 J/m2对于上述二情形，其能量之比为：对于上述二情形，其能量之比为：所以铁磁体自发磁化后，要使其总自由能为最低，所以铁磁体自发磁化后，要使其总自由能为最低，必然要必然要分成若干个小区域的磁畴，才具有最稳定的磁畴结构分成若干个小区域的磁畴，才具有最稳定的磁畴结构。可见尽。可见尽管新增加了管新增加了Ew，但由于分磁畴是，但由于分磁畴是Fd 降低，铁磁体内总能量仍比降低，铁磁体内总能量仍比未分磁畴的退场能小得多。所以未分磁畴的退场能小得多。所以退磁场能退磁场能Fd是形成磁畴的原因

19、是形成磁畴的原因磁性材料第二章 技术磁化理论磁性材料第二章 技术磁化理论二、磁畴壁结构二、磁畴壁结构1、磁畴壁的形成、磁畴壁的形成磁畴壁是磁畴壁是相邻两相邻两磁畴间磁畴间磁矩按一定规律逐渐改变方向的磁矩按一定规律逐渐改变方向的过渡层过渡层形成机理形成机理：相邻两相邻两磁畴内磁畴内的磁化的磁化矢量矢量MS自发磁化在不同的方向自发磁化在不同的方向上，上，MS从一个畴的取向转变为从一个畴的取向转变为另一个畴的取向，只能通过相邻另一个畴的取向，只能通过相邻两两磁畴间的过渡层磁畴间的过渡层内每个原子的内每个原子的自旋磁矩方向自旋磁矩方向逐渐地改变逐渐地改变方式来方式来进行。进行。磁性材料第二章 技术磁化

20、理论2、磁畴壁的类型、磁畴壁的类型 （1）、按）、按畴壁中磁矩的过渡方式畴壁中磁矩的过渡方式可分为可分为Bloch壁和壁和Neel壁壁A、Bloch壁壁磁矩的过渡方式始终磁矩的过渡方式始终保持平行于畴壁平面保持平行于畴壁平面 特点：特点：畴壁面上无自由磁极出现畴壁面上无自由磁极出现，保证了在畴壁上不会产，保证了在畴壁上不会产生退磁场能，也能保持畴壁能为极小；但是在生退磁场能，也能保持畴壁能为极小；但是在晶体的上下表面晶体的上下表面上却不可避免地会出现表面磁荷上却不可避免地会出现表面磁荷。而对于大块铁磁晶体来说，表面上的磁荷所产生的退磁场而对于大块铁磁晶体来说，表面上的磁荷所产生的退磁场能能Fd

21、比较小，对晶体内部产生的影响可忽略不计比较小，对晶体内部产生的影响可忽略不计磁性材料第二章 技术磁化理论B、Neel壁壁磁矩平行于薄膜表面逐渐过渡磁矩平行于薄膜表面逐渐过渡 特点：常出现于极薄的磁性薄膜中，磁矩围绕薄膜平面的特点：常出现于极薄的磁性薄膜中，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逐渐过渡（法线改变方向，并且是平行于薄膜表面逐渐过渡（即磁化矢量即磁化矢量在畴壁平面内旋转在畴壁平面内旋转），因此在），因此在NeelNeel壁两侧表面上会出现磁极而壁两侧表面上会出现磁极而壁两侧表面上会出现磁极而壁两侧表面上会出现磁极而产生退磁场产生退磁场产生退磁场产生退磁场 当当Neel

22、壁的厚度壁的厚度 比薄膜的厚度比薄膜的厚度L大很多时，退磁场能大很多时，退磁场能Fd也会比较小，可也会比较小，可忽略不计忽略不计磁性材料第二章 技术磁化理论3、单畴颗粒、单畴颗粒大块材料以多畴结构最为稳定，只有在很强的外磁场作用下，大块材料以多畴结构最为稳定，只有在很强的外磁场作用下，才被磁化至饱和，整块材料的磁矩基本上取同一磁化方向，近才被磁化至饱和，整块材料的磁矩基本上取同一磁化方向，近似于一个单畴；似于一个单畴；如果铁磁晶体材料的尺寸变得很小时，成为如果铁磁晶体材料的尺寸变得很小时，成为多畴时的畴壁能比多畴时的畴壁能比多畴时的畴壁能比多畴时的畴壁能比单畴的退磁场能还高单畴的退磁场能还高单

23、畴的退磁场能还高单畴的退磁场能还高，这时材料将不分畴，只好形成单畴；，这时材料将不分畴，只好形成单畴；如果铁磁晶体的尺寸足够小，近似于一个颗粒，自发磁化在一如果铁磁晶体的尺寸足够小，近似于一个颗粒，自发磁化在一个方向，成为一个稳定的单畴结构，这些颗粒常称为单畴颗粒个方向，成为一个稳定的单畴结构，这些颗粒常称为单畴颗粒 磁性材料第二章 技术磁化理论 临界尺寸临界尺寸rc：当铁磁体的尺寸小于当铁磁体的尺寸小于某一尺寸某一尺寸时，整个晶体时，整个晶体成为一个单畴，这一尺寸即为成为一个单畴，这一尺寸即为单畴的临界尺寸；单畴的临界尺寸；不同的材料颗不同的材料颗粒，形成单畴时的临界尺寸显然各不相同粒，形成

24、单畴时的临界尺寸显然各不相同a 单畴颗粒单畴颗粒b 各向异各向异性较弱性较弱c 磁晶各向异性磁晶各向异性较强的立方晶体较强的立方晶体d 磁晶各向异性磁晶各向异性较强的单轴晶体较强的单轴晶体其中其中b b、c c、d d是尺寸大于临界尺寸的颗粒的几种最简单的磁畴结构是尺寸大于临界尺寸的颗粒的几种最简单的磁畴结构磁性材料第二章 技术磁化理论磁性材料第二章 技术磁化理论铁磁性物质的基本特征：铁磁性物质的基本特征：（1）、铁磁性物质内存在）、铁磁性物质内存在按磁畴分布的自发磁化按磁畴分布的自发磁化 （2）、铁磁性物质的）、铁磁性物质的磁化率磁化率 很大很大 （3）、铁磁性物质的）、铁磁性物质的磁化强度

25、与磁化磁场强度之间不是单值磁化强度与磁化磁场强度之间不是单值函数关系，显示磁滞现象，具有剩余磁化强度，其磁化率都是函数关系，显示磁滞现象，具有剩余磁化强度，其磁化率都是磁场强度的函数磁场强度的函数 （4）、铁磁性物质有一个）、铁磁性物质有一个磁性转变温度磁性转变温度-居里温度居里温度TC （5）、铁磁性物质在磁化过程中，表现为）、铁磁性物质在磁化过程中，表现为磁晶各向异性和磁磁晶各向异性和磁致伸缩现象致伸缩现象磁性材料第二章 技术磁化理论一、磁化过程概述一、磁化过程概述(General of magnetizing process)(General of magnetizing process

26、)1、一些基本概念：、一些基本概念：磁化过程：指处于磁中性状态的强磁性体在外磁场的作用下，磁化过程：指处于磁中性状态的强磁性体在外磁场的作用下，其其磁化状态随外磁场发生变化的过程磁化状态随外磁场发生变化的过程，分为，分为静态磁化过程静态磁化过程和和动态动态磁化过程磁化过程p 当当磁场作准静态变化磁场作准静态变化时，称为静态磁化过程（又分为技术时，称为静态磁化过程（又分为技术磁化和内禀磁化）；磁化和内禀磁化）；p 当磁场作动态变化时，称为动态磁化过程当磁场作动态变化时，称为动态磁化过程技术磁化：指施加技术磁化：指施加准静态变化磁场准静态变化磁场于强磁体，使其自发磁化的于强磁体，使其自发磁化的方向

27、通过方向通过磁化矢量磁化矢量M的转动或磁畴移动而指向磁场方向的过程的转动或磁畴移动而指向磁场方向的过程磁性材料第二章 技术磁化理论2、磁化曲线的基本特征：、磁化曲线的基本特征：铁磁性、亚铁磁性磁化曲线为铁磁性、亚铁磁性磁化曲线为复杂函数关系复杂函数关系H起始磁化区起始磁化区陡峭区陡峭区趋近饱和区趋近饱和区Rayleigh区区M顺磁磁化区顺磁磁化区强磁体的磁化曲线可分为五个特征区域：强磁体的磁化曲线可分为五个特征区域：（1）、起始磁化区（可逆磁化区域）、起始磁化区（可逆磁化区域）M iH B 0 iH （i1+i）（2）、）、Rayleigh区：仍属弱场范围，区：仍属弱场范围，其磁化曲线规律经验

28、公式：其磁化曲线规律经验公式：磁性材料第二章 技术磁化理论（3）、陡峭区）、陡峭区 中等场中等场H范围，范围，M变化很快。变化很快。特点是特点是不可逆磁化过程不可逆磁化过程，发生，发生巴克豪森跳跃的急剧变化，其巴克豪森跳跃的急剧变化，其 与与 均很大且达到最大值均很大且达到最大值又又称称最大磁导率区最大磁导率区（4）、趋近饱和磁化区）、趋近饱和磁化区 较强较强H，M变化缓慢，逐渐趋于技术磁化饱和。符合趋变化缓慢，逐渐趋于技术磁化饱和。符合趋于饱和定律：于饱和定律：其中其中a、b与材料形状有关与材料形状有关（5）、顺磁磁化区）、顺磁磁化区 需极高的需极高的H，难以达到。在技术磁化中不予考虑，难以

29、达到。在技术磁化中不予考虑磁性材料第二章 技术磁化理论3、磁化过程的磁化机制：、磁化过程的磁化机制：若磁体被磁化，则沿外磁场强度若磁体被磁化，则沿外磁场强度H上的磁化强度上的磁化强度MH可以表示为：可以表示为：当外磁场强度当外磁场强度H发生微小的变化发生微小的变化H，则相应的磁化强，则相应的磁化强度的改变度的改变MH可表示为：可表示为：畴壁位移畴壁位移磁化过程磁化过程磁畴转磁畴转动磁化动磁化过程过程顺磁磁顺磁磁化过程化过程磁性材料第二章 技术磁化理论即技术磁化过程为即技术磁化过程为畴壁位移畴壁位移和和磁畴转磁畴转动动两种基本磁化机制两种基本磁化机制 强磁性材料被磁化，实质上是材料受外磁场强磁性

30、材料被磁化，实质上是材料受外磁场H的作用，的作用，其其内部的磁畴结构内部的磁畴结构发生变化，也即是磁体内部总能量的平发生变化，也即是磁体内部总能量的平衡分布重新调整过程衡分布重新调整过程磁性材料第二章 技术磁化理论技术磁化过程大致可以分为三个阶段：技术磁化过程大致可以分为三个阶段：（i）、可逆畴壁位移磁化阶段（）、可逆畴壁位移磁化阶段（弱场范围内弱场范围内）：）：若若H退回到零，其退回到零，其M也趋于零。（多见于也趋于零。（多见于金属软磁材料金属软磁材料和和磁导磁导率率 较高较高的铁氧体中）的铁氧体中）（ii）、不可逆畴壁位移磁化阶段（）、不可逆畴壁位移磁化阶段（中等磁场范围内中等磁场范围内）

31、即有即有Barkhausen jumps 发生发生 （iii）、磁畴磁矩的转动磁化阶段（）、磁畴磁矩的转动磁化阶段（较强磁场范围内较强磁场范围内）此时样品内畴壁位移已基本完毕，要使此时样品内畴壁位移已基本完毕，要使M增加，只有靠磁畴磁增加，只有靠磁畴磁矩的转动来实现。一般情况下，可逆与不可逆磁畴转动同时发生于矩的转动来实现。一般情况下，可逆与不可逆磁畴转动同时发生于这个阶段这个阶段磁性材料第二章 技术磁化理论磁性材料第二章 技术磁化理论磁性材料第二章 技术磁化理论一、概述一、概述反磁化过程：铁磁体从一个方向饱和磁化反磁化过程：铁磁体从一个方向饱和磁化状态变为相反方向的技术饱和磁化状态的状态变为

32、相反方向的技术饱和磁化状态的过程；过程；主要特征主要特征磁滞现象（磁化强度磁滞现象（磁化强度M随随H变化中出现滞后的现象）变化中出现滞后的现象）来自于不可来自于不可逆磁化过程逆磁化过程实验证明，一般的磁性材料除在实验证明，一般的磁性材料除在极低的磁极低的磁场场或或极高磁场以外极高磁场以外，在不同大小的磁场作，在不同大小的磁场作用下反复磁化均可得到相应的磁致回线，用下反复磁化均可得到相应的磁致回线，而其中最大的回线就是而其中最大的回线就是饱和磁滞回线（饱和磁滞回线（Hc、Mr）磁性材料第二章 技术磁化理论与磁化过程一样，反磁化中也存在可逆与与磁化过程一样，反磁化中也存在可逆与不可逆磁化不可逆磁化

33、过程过程反磁化过程中，磁滞形成的根本原因主要反磁化过程中，磁滞形成的根本原因主要由于铁磁体内存在由于铁磁体内存在应力起伏、杂质以及广义磁各向异性引起不可逆磁化过程应力起伏、杂质以及广义磁各向异性引起不可逆磁化过程；所以磁滞与反磁化过程中的阻力分布有密切的关系；所以磁滞与反磁化过程中的阻力分布有密切的关系；磁滞的机制肯定包括下面两种：（磁滞的机制肯定包括下面两种：（1）在畴壁不可逆位移过）在畴壁不可逆位移过程中，由应力和杂质所引起的磁滞；（程中，由应力和杂质所引起的磁滞；（2）在磁畴不可逆转动）在磁畴不可逆转动过程中，由磁各向异性能所引起的磁滞。过程中，由磁各向异性能所引起的磁滞。磁性材料第二章

34、 技术磁化理论与技术磁化过程不同，反磁化过程是从与技术磁化过程不同，反磁化过程是从技术饱和磁化状态开技术饱和磁化状态开始始的（似乎不存在磁畴结构）；的（似乎不存在磁畴结构）；反磁化过程产生磁滞的第三种机理：反磁化过程产生磁滞的第三种机理：反磁化核的成长过程反磁化核的成长过程（晶格的点缺陷、面缺陷对畴壁的钉扎也是引起磁滞的另一种（晶格的点缺陷、面缺陷对畴壁的钉扎也是引起磁滞的另一种重要机制）重要机制）一般来说，软磁材料中主要是由一般来说，软磁材料中主要是由不可逆畴壁位移导致磁滞不可逆畴壁位移导致磁滞，而某些单畴颗粒材料中，磁滞主要是由而某些单畴颗粒材料中，磁滞主要是由不可逆畴转磁化过程来不可逆畴

35、转磁化过程来决定决定；同时在有些材料中，反磁化是通过；同时在有些材料中，反磁化是通过反磁化核的生长来实反磁化核的生长来实现现，因此其磁滞主要决定于反磁化核生长的阻力，因此其磁滞主要决定于反磁化核生长的阻力磁性材料第二章 技术磁化理论 注意：矫顽力注意：矫顽力Hc和剩余磁化强度和剩余磁化强度Mr是磁滞回线上的物是磁滞回线上的物理量，而矫顽力理量，而矫顽力HC是表征磁滞的主要磁学量，在一级近似是表征磁滞的主要磁学量，在一级近似下，下，Hc可看作不可逆磁化过程的临界磁场可看作不可逆磁化过程的临界磁场H0的平均值来进的平均值来进行计算，即：行计算，即：其物理意义就是相应于铁磁体中大量地进行其物理意义就

36、是相应于铁磁体中大量地进行反磁化的平均磁场反磁化的平均磁场；即当外磁场达到即当外磁场达到H0时，铁磁体内的不可逆磁化过程已大部分进时，铁磁体内的不可逆磁化过程已大部分进行完了行完了研究反磁化问题的核心就是计算矫顽力研究反磁化问题的核心就是计算矫顽力磁性材料第二章 技术磁化理论磁性材料第二章 技术磁化理论一、起始磁化率一、起始磁化率 i 起始磁化率起始磁化率 i是是软磁材料工作在弱磁场中软磁材料工作在弱磁场中的一个重要磁性参数，的一个重要磁性参数，也是也是电讯工程技术上应用磁性材料性能的重要指标；电讯工程技术上应用磁性材料性能的重要指标；技术磁化理论中的起始磁化率的共同特点：与材料的饱和磁化技术

37、磁化理论中的起始磁化率的共同特点：与材料的饱和磁化强度强度MS的平方成正比，而与材料内部存在的的平方成正比，而与材料内部存在的 S、K1和杂质浓度和杂质浓度 成成反比；即与很多因素有关，如杂质、气孔以及晶粒大小、取向和排反比；即与很多因素有关，如杂质、气孔以及晶粒大小、取向和排列等有密切关系；列等有密切关系；目前的磁化理论还不能精确计算起始磁化率目前的磁化理论还不能精确计算起始磁化率 i，但如果要想获，但如果要想获得高的起始磁化率必须从材料的四个方面来考虑：（得高的起始磁化率必须从材料的四个方面来考虑：（1）材料的磁化）材料的磁化强度强度MS；（；（2）材料的）材料的K1和和 S；（；（3）材

38、料晶体结构的完整性；）材料晶体结构的完整性；（4）材料组成成分的均匀性）材料组成成分的均匀性 磁性材料第二章 技术磁化理论（一）、材料的饱和磁化强度（一）、材料的饱和磁化强度MS：磁化理论决定的起始磁化率磁化理论决定的起始磁化率 i均与均与Ms2成正比，所以提高成正比，所以提高MS的的大小有利于获得高的大小有利于获得高的 i；在软磁材料中可以选择适当的配方成分以后，确实可以提高材在软磁材料中可以选择适当的配方成分以后，确实可以提高材料的料的MS值；值；MS值一般不可能变动很大值一般不可能变动很大，且提高，且提高MS后不一定能够同时保证后不一定能够同时保证低的低的K1和和 S等等所以改变所以改变

39、MS的大小并不是提高起始磁化率的大小并不是提高起始磁化率 i的最有效的方法的最有效的方法 磁性材料第二章 技术磁化理论（二）、磁晶各向异性常数（二）、磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩系数和磁致伸缩系数 S：控制控制 S 和和K1是改善起始磁化率是改善起始磁化率 i的一个重要途径（无论是在畴的一个重要途径（无论是在畴壁位移还是在畴转磁化过程中）壁位移还是在畴转磁化过程中）例如例如Fe-Ni合金的合金的K1和和 S随其成分及结构不同而变化，而且可以随其成分及结构不同而变化，而且可以在在很大范围内变化其大小和符号很大范围内变化其大小和符号 可能使可能使K1和和 S很小，甚至可以使很小，甚至可以使K10

40、和和 S0。如含。如含78.5Ni的的Fe-Ni坡莫合金，经过双重热处理后可使其坡莫合金，经过双重热处理后可使其起始磁导率增高到起始磁导率增高到104 磁性材料第二章 技术磁化理论对于软磁铁氧体材料，控制对于软磁铁氧体材料，控制材料中几种成分的适当比例，材料中几种成分的适当比例，可以制成可以制成K1和和 S较低的复合较低的复合铁氧体材料铁氧体材料，通常采用加入，通常采用加入ZnO和过铁配方以达到同时和过铁配方以达到同时降低降低K1和和 S值的目的值的目的 一般尖晶石铁氧体材料的一般尖晶石铁氧体材料的K10和和 S0的的CoFe2O4或或 S0的的Fe3O4均可达到降均可达到降低低K1和和 S的

41、目的的目的 磁性材料第二章 技术磁化理论（三）、内应力和掺杂及其分布：（三）、内应力和掺杂及其分布：方案：方案：尽量减少材料中的杂质含量和内应力的分布尽量减少材料中的杂质含量和内应力的分布，主要通过，主要通过选择原料纯度、控制烧结温度以及热处理条件来实现选择原料纯度、控制烧结温度以及热处理条件来实现 例如：铁氧体材料，若选择原料纯度高、活性好、适当的烧结例如：铁氧体材料，若选择原料纯度高、活性好、适当的烧结温度和时间、热处理条件就可以使烧成的材料结构均匀、晶粒大小温度和时间、热处理条件就可以使烧成的材料结构均匀、晶粒大小适当，杂质和空隙较少；金属软磁材料，通过选择成分、原料纯度、适当，杂质和空

42、隙较少；金属软磁材料，通过选择成分、原料纯度、控制熔炼过程的温度和时间以及热处理条件等，可以得到单相、无控制熔炼过程的温度和时间以及热处理条件等，可以得到单相、无气泡、杂质少以及低的残余应力气泡、杂质少以及低的残余应力 实践证明，热处理对于材料结构和微结构影响很大，因而可能实践证明，热处理对于材料结构和微结构影响很大，因而可能影响到影响到K1和和 S的性质，如对于的性质，如对于 S大的材料要注意降低内应力，而大的材料要注意降低内应力，而K1大的材料则要尽量减少杂质的含量大的材料则要尽量减少杂质的含量 磁性材料第二章 技术磁化理论（四）控制晶粒尺寸的大小：（四）控制晶粒尺寸的大小：若材料晶粒大，

43、晶界对畴壁位移的阻滞较小；若材料晶粒大，晶界对畴壁位移的阻滞较小；实验已证明，起始磁化率随晶粒尺寸的增大而升高，且随着晶实验已证明，起始磁化率随晶粒尺寸的增大而升高，且随着晶粒尺寸大小的不同，对起始磁化率粒尺寸大小的不同，对起始磁化率 i的贡献的磁化机制也不同；的贡献的磁化机制也不同；如如MnZn铁氧体材料，当其晶粒在铁氧体材料，当其晶粒在5 m 以下时，磁导率约为以下时，磁导率约为500左右，这时晶粒近似为单畴，其贡献是以畴转磁化为主，若晶粒左右，这时晶粒近似为单畴，其贡献是以畴转磁化为主，若晶粒尺寸在尺寸在5 m以上时，已不是单畴，将会发生畴壁位移，其磁导率以上时，已不是单畴，将会发生畴壁

44、位移，其磁导率增大为增大为3000以上以上 磁性材料第二章 技术磁化理论晶粒的尺寸大小一般要受到烧结晶粒的尺寸大小一般要受到烧结条件及热处理的影响，提高铁氧条件及热处理的影响，提高铁氧体烧结温度，可以使晶粒长大，体烧结温度，可以使晶粒长大，有利于提高磁导率，但烧结温度有利于提高磁导率，但烧结温度过高，会使材料内部某些元素挥过高，会使材料内部某些元素挥发而产生大空隙和应力，对提高发而产生大空隙和应力，对提高磁导率产生不利的一面磁导率产生不利的一面（五）材料的织构化（五）材料的织构化利用利用 i的各向异性特点来改进磁性的各向异性特点来改进磁性材料的磁特性的一种特殊方法，分材料的磁特性的一种特殊方法

45、，分结晶织构结晶织构和和磁畴织构磁畴织构两种方法；两种方法；结晶织构：将各晶粒易磁化轴排列结晶织构：将各晶粒易磁化轴排列在同一个方向上，若沿该方向磁化在同一个方向上，若沿该方向磁化可获得高的可获得高的 i；磁畴织构：使磁畴沿磁场方向取向磁畴织构：使磁畴沿磁场方向取向排列，从而提高排列，从而提高 i 磁性材料第二章 技术磁化理论二、剩余磁化强度二、剩余磁化强度MR剩余磁化强度剩余磁化强度MR的大小，决的大小，决定于材料从饱和磁化降到定于材料从饱和磁化降到H0的反磁化过程中的反磁化过程中磁畴结构的磁畴结构的变化变化；它是反磁化过程中；它是反磁化过程中不可不可逆磁化的标志逆磁化的标志，也是决定磁滞，

46、也是决定磁滞回线形状大小的一个重要物理回线形状大小的一个重要物理量量剩余磁化状态剩余磁化状态：铁磁体磁化至：铁磁体磁化至饱和后，再将外磁场减退至零饱和后，再将外磁场减退至零的状态，即的状态，即H0，而，而M 0的的磁化状态；一般可以理解为铁磁化状态；一般可以理解为铁磁体磁化至饱和后，在反磁化磁体磁化至饱和后，在反磁化过程中保留了过程中保留了大量不可逆的磁大量不可逆的磁化部分化部分，而，而退掉了在退掉了在H 0区域区域中的可逆磁化部分中的可逆磁化部分磁性材料第二章 技术磁化理论HMABCODC以由以由单轴各向异性晶粒单轴各向异性晶粒组成的多晶体为例组成的多晶体为例说明剩余磁化的磁畴结构变化示意图

47、说明剩余磁化的磁畴结构变化示意图在多晶体中，假设晶粒的单易磁化轴是在多晶体中，假设晶粒的单易磁化轴是均匀分布的，当多晶体在某个方向磁化均匀分布的，当多晶体在某个方向磁化饱和后，再将外磁场降为零，由于饱和后，再将外磁场降为零，由于不可不可逆磁化逆磁化的存在，各个晶粒内的磁矩不是的存在，各个晶粒内的磁矩不是从饱和磁化方向回到自己原来的易磁化从饱和磁化方向回到自己原来的易磁化轴方向轴方向，而是只，而是只回到各自最靠近外磁场回到各自最靠近外磁场方向上的那些易磁化轴方向方向上的那些易磁化轴方向，所以磁矩，所以磁矩均匀分布在半球内均匀分布在半球内则在原来磁场方向上保留的剩则在原来磁场方向上保留的剩磁大小可

48、近似为磁大小可近似为MRMScos，其中，其中 为外磁场与每个晶粒为外磁场与每个晶粒的易磁化轴间的夹角的易磁化轴间的夹角磁性材料第二章 技术磁化理论三、矫顽力三、矫顽力HCHMBBHCMHC磁感矫顽力磁感矫顽力BHC：在：在BH磁滞回线上，使磁滞回线上，使B0的磁场强度的磁场强度;内禀矫顽力内禀矫顽力MHC：在：在MH磁滞回线上，磁滞回线上，使使M0的磁场强度的磁场强度;通常情况下，通常情况下，1、两种矫顽力的定义：、两种矫顽力的定义：磁性材料第二章 技术磁化理论2、各种因素决定的矫顽力、各种因素决定的矫顽力Hc：（1）、对畴壁位移的阻力）、对畴壁位移的阻力 a、内应力理论、内应力理论 HCH

49、0 S /0MS b、含杂理论、含杂理论 HCH0 2/3/0MS（2）、对畴转过程的阻力）、对畴转过程的阻力 a、磁晶各向异性、磁晶各向异性 HCH0K1/0MS b、应力各向异性、应力各向异性 HCH0 S /0MS c、形状各向异性、形状各向异性 HCH0(N2-N1)MS磁性材料第二章 技术磁化理论3、控制矫顽力、控制矫顽力HC大小的有效途径：大小的有效途径：软磁软磁HC要小，而硬磁要小，而硬磁HC要大，如何做到这一点呢？采用什么途要大，如何做到这一点呢？采用什么途径呢？径呢？根本出发点：根据决定矫顽力根本出发点：根据决定矫顽力HC的的磁滞机理理论磁滞机理理论，在工艺制作，在工艺制作中

50、中控制影响控制影响HC大小的各种因素大小的各种因素（1）、如何提高矫顽力）、如何提高矫顽力HC：a、增强对、增强对畴转磁化畴转磁化的阻力的阻力通过畴转获得高矫顽力通过畴转获得高矫顽力HC的的必要条必要条件件为使材料形成单畴颗粒，其为使材料形成单畴颗粒，其充分充分条件条件则是提高材料的磁各向异性则是提高材料的磁各向异性b、提高对、提高对畴壁位移畴壁位移的阻力的阻力基本方向：增大内应力的起基本方向：增大内应力的起伏分布和增加杂质的体积浓伏分布和增加杂质的体积浓度，同时若提高材料的度，同时若提高材料的 S和和K1将更有效将更有效磁性材料第二章 技术磁化理论误区：认为高矫顽力误区：认为高矫顽力HC的材