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1、第八章 磁性物理 在其他章节中，对物质的导电性能等进行在其他章节中，对物质的导电性能等进行了介绍。本章将介绍物质的磁性。着重介绍物了介绍。本章将介绍物质的磁性。着重介绍物质的磁性来源，原子磁矩的计算，各种材料中质的磁性来源，原子磁矩的计算，各种材料中原子磁矩的计算原则。进一步介绍物质磁性的原子磁矩的计算原则。进一步介绍物质磁性的分类，抗磁性概念，顺磁性的居里分类，抗磁性概念，顺磁性的居里外斯定理，外斯定理，铁磁性的分子场理论，物质铁磁性的来源，亚铁磁性的分子场理论，物质铁磁性的来源，亚铁磁性的超交换理论。也介绍了铁磁性物质内铁磁性的超交换理论。也介绍了铁磁性物质内部的能量和磁畴的形成。部的能量
2、和磁畴的形成。本章提要本章提要1OBHACDB.EF.HCBs.BrHs.初始磁初始磁化曲线化曲线Br剩剩 磁磁.HsBs. 饱和磁感应强度饱和磁感应强度矫顽力矫顽力HC磁滞回线磁滞回线磁滞回线磁滞回线2居里点：居里点： 当温度达到一定时，铁磁质转变为顺当温度达到一定时，铁磁质转变为顺磁质，称这一温度为磁质，称这一温度为“居里点居里点”居里居里.M 3磁磁 畴畴 根据现代理论，铁磁质相邻原子的根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的电子之间存在很强的“交换耦合作用交换耦合作用”，使得在无外磁场作用时，电子自旋磁矩使得在无外磁场作用时，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列，形成自能在小
3、区域内自发地平行排列，形成自发磁化达到饱和状态的微小区域。这些发磁化达到饱和状态的微小区域。这些区域称为区域称为“磁畴磁畴” 用磁畴理论可以解释铁磁质的磁化用磁畴理论可以解释铁磁质的磁化过程、磁滞现象、磁滞损耗以及居里点。过程、磁滞现象、磁滞损耗以及居里点。 1892年罗辛格首先提出，磁畴的形成年罗辛格首先提出，磁畴的形成是由于磁偶极子间非磁性的相互作用。是由于磁偶极子间非磁性的相互作用。 4 1926年海森堡用量子力学中的交换力解年海森堡用量子力学中的交换力解释了磁偶极子间相互作用的起源。释了磁偶极子间相互作用的起源。 5 1935年，朗道和栗佛希兹从磁场能量的年，朗道和栗佛希兹从磁场能量的
4、观点说明了磁畴的成因。观点说明了磁畴的成因。6显示磁畴结构的铁粉图形7纯铁纯铁硅铁硅铁钴钴三种铁磁性物质的磁畴三种铁磁性物质的磁畴8Si-Fe单晶单晶(001)面的面的磁畴结构磁畴结构箭头表示箭头表示磁化方向磁化方向0.1mm9单晶磁畴结构单晶磁畴结构 示意图示意图多晶磁畴结构多晶磁畴结构 示意图示意图10铁磁质单晶体磁化过程H11铁磁质单晶体磁化过程H12铁磁质单晶体磁化过程H返回返回13铁磁质单晶体磁化过程H返回返回14铁磁质单晶体磁化过程H返回返回15铁磁质单晶体磁化过程H16铁磁质单晶体磁化过程H17铁磁质单晶体磁化过程H18铁磁质单晶体磁化过程H19铁磁质单晶体磁化过程H20铁磁质单
5、晶体磁化过程H21铁磁质单晶体磁化过程H22铁磁质单晶体磁化过程H23铁磁质单晶体磁化过程H24铁磁质单晶体磁化过程H25铁磁质单晶体磁化过程H26铁磁质单晶体磁化过程H27铁磁质单晶体磁化过程H28铁磁质单晶体磁化过程H29铁磁质单晶体磁化过程H30铁磁质单晶体磁化过程H31铁磁质单晶体磁化过程H32铁磁质单晶体磁化过程H33铁磁质单晶体磁化过程H34铁磁质单晶体磁化过程H35铁磁质单晶体磁化过程H36铁磁质单晶体磁化过程H37铁磁质单晶体磁化过程H38铁磁质单晶体磁化过程H39铁磁质单晶体磁化过程H40铁磁质单晶体磁化过程H41铁磁质单晶体磁化过程H42铁磁质单晶体磁化过程H43铁磁质单晶
6、体磁化过程H44铁磁质单晶体磁化过程H45铁磁质单晶体磁化过程H46铁磁质单晶体磁化过程H47铁磁质单晶体磁化过程H48铁磁质单晶体磁化过程H49铁磁质单晶体磁化过程H50铁磁质单晶体磁化过程H51铁磁质单晶体磁化过程H52铁磁质单晶体磁化过程H53磁滞损耗磁滞损耗 在交变电磁场中，铁磁质的反复磁化，在交变电磁场中，铁磁质的反复磁化，将引起介质的发热，称为将引起介质的发热，称为磁滞损耗磁滞损耗。 实验和理论都可以证明，磁滞损耗和磁实验和理论都可以证明，磁滞损耗和磁质回线所包围的面积成正比。质回线所包围的面积成正比。BH543. 有剩磁、磁饱和及磁滞现象。有剩磁、磁饱和及磁滞现象。铁磁质的特性：
7、铁磁质的特性： 1. 磁导率磁导率不是一个常量，它的值不不是一个常量，它的值不仅决定于原线圈中的电流，还决定于铁磁仅决定于原线圈中的电流，还决定于铁磁质样品磁化的历史。质样品磁化的历史。B 和和H 不是线性关系。不是线性关系。 2. 有很大的磁导率。放入线圈中时可有很大的磁导率。放入线圈中时可以使磁场增强以使磁场增强102 104倍。倍。 4.温度超过居里点时，铁磁质转变为顺温度超过居里点时，铁磁质转变为顺磁质。磁质。55软磁材料软磁材料BH 应用应用：硅钢片，作变压器、电机、电磁：硅钢片，作变压器、电机、电磁铁的铁芯。铁氧铁的铁芯。铁氧体（非金属）作体（非金属）作高频线圈的磁芯高频线圈的磁芯
8、材料。材料。 特点特点：磁导率大，矫顽力小，容易磁化：磁导率大，矫顽力小，容易磁化也容易退磁。磁滞回线包围面积小，磁滞损也容易退磁。磁滞回线包围面积小，磁滞损耗小。耗小。56 特点特点：剩余磁感应强度大，矫顽力大，不：剩余磁感应强度大，矫顽力大，不容易磁化，也不容易退磁。磁滞回线宽，磁容易磁化，也不容易退磁。磁滞回线宽，磁滞损耗大。滞损耗大。硬磁材料硬磁材料应用应用：作永久磁铁，永磁喇叭：作永久磁铁，永磁喇叭BH57 应用应用：作计算机中的记忆元件。磁化时极：作计算机中的记忆元件。磁化时极性的反转构成了性的反转构成了“0”与与“1”。矩磁材料：矩磁材料：BH特点特点：磁滞回线呈矩形状：磁滞回线
9、呈矩形状588.7 8.7 畴壁与磁畴结构畴壁与磁畴结构 图8-15是Si-Fe合金在（001）晶面上观察到的磁畴，它由片状畴和三角畴组成 59 畴与畴之间的边界称为畴壁。相邻两个片状畴的磁矩夹角为180时，它们的边界称为180畴壁。片状畴与三角畴（又称封闭畴）之间磁矩相互垂直，它们的边界称为90畴壁。在每一个磁畴内，磁矩平行或反平行地有序排列，产生自发磁化。而不同磁畴的自发磁化矢量则是随机排列 磁畴的形状、尺寸、磁畴壁的厚度由交换能、退磁场能、磁晶各向异性能及磁弹性能来决定。平衡状态的磁畴结构，应具有最小的能量 601.磁畴壁磁畴壁在磁畴壁内原子磁矩的方向逐渐转变。根据原子磁矩转变的方式，可
10、将畴壁分为布洛赫壁和奈尔壁 布洛赫壁的特点是畴壁内的磁矩转变时始终与畴壁平面平行 当铁磁体厚度减少到相当于二维的情况，即厚度为1102nm的薄膜时，则畴壁的磁矩始终与薄膜表面平行地转变，这种畴壁称奈尔壁 61图8.16：布洛赫壁和奈耳壁中磁矩过渡的方式(a)布洛壁中磁矩过渡的方式(b)奈耳壁中磁矩过渡的方式62如图8-16(a)，设在畴壁内的2个相邻原子磁矩的夹角为，它们之间的交换作用能为 Eex=-2AS2cos 当很小时，cos（1-2/2），去掉常数项，则得： Eex=AS22 63总能量最小时的畴壁能和畴壁厚度分别为： =2A1（K1+3s/2） =A1/（K1+3s/2） 可见畴壁厚
11、度与材料的K1, A1，s，等参量有关。K1越大，越小，越大 64 在六方结构的Co和SmCo5等金属与合金中， K1很大，很小，很大,使角达6180，并且角的分布是不均匀的。这种畴壁称为非连续畴壁模型 在Fe-Ni合金中，K1很小，如果内应力也很小的话，则畴壁厚度可相当地大,畴壁内相邻原子间磁矩的角度仅有左右，磁矩的分布近似具有连续性，这种畴壁称为连续性的畴壁模型 652. 2. 磁畴结构磁畴结构 畴结构受到畴壁能E,磁晶各向异性能Ek、磁弹性能E和退磁场能Ed的制约，其中退磁场能将是铁磁体分成畴的动力。其它能量将决定磁畴的形状、尺寸和取向 66图8.17 边长为1cm*1cm*1cm的方块
12、形单晶铁的可能畴结构，正面是(001)面67情况(a)：一个单畴体磁晶各向异性能Ek、磁弹性能E均为零，方块形状决定的退磁场能就是总能量： Etotal=Ed= V (NMs20) /2 式中V是磁体的体积。方块状铁磁体的退磁因子接近球体的退磁因子，即N=1/3， 设Ms=1.7310-6A/m,V=510-7m3, 代入上式Ed=0.313J 68情况(b)：n个片状畴，退磁场能为： Ed= V (NMs20) /2/n 这样分畴越多，退磁能就越低。极端地说，可以分到象反铁磁性物质那样原子间相互反平行排列。实验证明铁磁性物质的磁畴中有1015-1019个原子。这是因为实际上磁畴之间存在的（n
13、-1）块畴壁具有畴壁能。因此这时的总能量Eb为： Eb= V (NMs20) /2/n + 180(n-1)S180 设n=20，则Eb=0.016J，是Ea的1/20 69情况（c）：封闭畴它由四个三角畴和两块位于011面的90畴壁来组成。在畴壁内磁通是连续的，方块铁磁体表面不会出现磁荷，则退磁场能Ed为零，而K10决定了易磁化方向在方向上，所以所有磁畴中的磁矩都在易磁化方向，Ek为零，但这时四个三角畴都要沿自己的易磁化方向伸长，出现了由应力产生的磁弹性能。其总能量为Ec=E + 90S90= V2 100C11/2 + 90S90 = 25.710-5J 可见出现封闭畴后，方块铁磁体得的能
14、量大大降低。 70情况（d）片状畴加封闭畴Ed和Ek然仍然为零，只存在磁弹性能和畴壁能，其总能量为Ed= V1002 c11/2 + 180S180 +90S90 假定出现了n=8块的片状畴，则总能量为 Ee=1610-6J。4种畴结构中，（d）是能量最低的。71实际存在的畴结构是与图8-17（d）的畴结构相一致，说明在本例中封闭畴结构比图8-17(b)所示的片状畴结构的能量更低 实际材料中的畴结构，还要受到材料的尺寸、晶界、应力、掺杂和缺陷等的影响，因此实际材料的畴结构是相当复杂的 72图图8-18空洞（空洞（a）掺杂（）掺杂（b）和晶界（）和晶界（c）对）对磁畴结构的影响磁畴结构的影响73
15、3.3.单畴结构单畴结构 铁磁体的块度对磁畴结构也有很大影响。如果材料的线度非常小，以至材料形成单畴时的退磁能小于形成多畴时的畴壁能，磁性材料就以单畴存在 74一个半径为R的立方单晶体结构的球。设磁晶各向异性常数K10，s和应力可以忽略。情况(a)：4块封闭畴结构球体中其他能量都为0，只有畴壁能，总能量是Ea= 902R2， 情况(b)：单畴球体中其他能量都为0，只有退磁能，总能量是Eb= V (NMs20) /2=802 Ms2 R3/9。 75图8.19立方单晶铁磁体球状颗粒(K10)的磁畴结构以及能量随变化(a)分畴(b)不分畴76当Ea=Eb时求出的球的半径称为单畴体的临界尺寸Rc，单晶体球体的RRc时，则分畴的情况下能量最低，以多畴体存在；当RRc时，则不分畴的情况下能量最低，以单畴体存在。 77 如果将单畴体的临界尺寸继续减小到一定程度后，由于表面与体积比大大增加，热振动能可能和微粒的磁晶各向异性能相当，这时微粒的磁矩不能固定地沿着易磁化方向排列，它随热振动自由改变，单畴微粒体就转变为超顺磁体。由单畴体转变为超顺磁体的临界尺寸Dp称为超顺磁体的临界尺寸。 磁性流体中的使用的磁性微粒一般具有超顺磁性。 超顺磁体超顺磁体78
