1、第一章 磁學(xué)基礎(chǔ)知識,1.1 磁化率和磁導(dǎo)率 對置于外磁場中的磁體有：M = H 稱為磁體的磁化率 B = 0(H+M) = 0(H+ H ) = 0(1+ )H 定義： = 1+ 相對磁導(dǎo)率 = B/ 0H *表征磁體的磁性、導(dǎo)磁性及磁化難易程度的一個磁學(xué)量。,在不同的磁化條件下，磁導(dǎo)率有不同的表達形式,(1)起始磁導(dǎo)率i,磁中性狀態(tài)下磁導(dǎo)率的極限值，實驗上等于B-H曲線在原點O處切線的斜率除以0,(2)最大磁導(dǎo)率max,(3)復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率,磁體在交變磁場中磁化時，B和H之間存在相位差，只能用復(fù)數(shù)表示。它們在復(fù)數(shù)表示法中的商也同樣是一個復(fù)數(shù)。,(4)增量磁導(dǎo)率,磁體在穩(wěn)恒磁場H0作用下，疊一個

2、較小的交變磁場，表現(xiàn)出來的磁導(dǎo)率為增量磁導(dǎo)率。B、H分別為交變磁感應(yīng)強度和交變磁場強度的峰值。,(5)可逆磁導(dǎo)率rev,(6)微分磁導(dǎo)率diff,起始磁化曲線上任一點的斜率被稱為微分磁化率。,(7)不可逆磁導(dǎo)率irr,不可逆磁導(dǎo)率是由不可逆磁化而引起的。,(8)總磁導(dǎo)率tot,連接原點O與起始磁化曲線上任一點的直線的斜率被稱為總磁導(dǎo)率。,*不管哪種磁導(dǎo)率，其值都不是常數(shù)，而是H的函數(shù)。,1.2 磁性和磁性材料的分類,所有的物質(zhì)都具有磁性，但并不是所有的物質(zhì)都能作為磁性材料來應(yīng)用。有些物質(zhì)具有很強的磁性，而大部分物質(zhì)磁性很弱，因此實際上只有很少一部分物質(zhì)能夠作為磁性材料來應(yīng)用。,1.2.1 物質(zhì)

3、的磁性分類,按照磁體磁化時磁化率的大小和符號，可以將物質(zhì)的磁性分為五個種類：抗磁性、順磁性、反鐵磁性、鐵磁性和亞鐵磁性。,1.2.2 磁性材料分類,從實用的觀點出發(fā)，磁性材料可以分為以下幾類： 軟磁材料、永磁材料、信磁材料、特磁材料,1.3 磁性材料中的基本現(xiàn)象,1.3.1 磁晶各向異性,定義：對于單晶材料，其磁化曲線隨晶軸方向的不同而有所差別，即磁性隨晶軸方向顯示各向異性。 *磁晶各向異性存在于所有鐵磁性晶體中。,Ni單晶的磁化曲線,*易磁化方向（易軸）；難磁化方向（難軸）,一、磁晶各向異性能,鐵磁體從退磁狀態(tài)磁化到飽和，需要付出的磁化功為：,沿鐵磁晶體不同晶軸方向磁化時所增加的自由能不同，

4、稱這種與磁化方向有關(guān)的自由能為磁晶各向異性能。,*說明：鐵磁體中的自發(fā)磁化強度和磁疇的分布取向不會是任意的，而是取向于磁晶各向異性能最小的各個易磁化軸的方向上。Why?,(1) 立方晶系,K1、K2為立方晶體磁晶各向異性常數(shù)，可通過實驗來測定。 i為MS對于x、y、z軸的方向余弦。,Fe：易軸為100，故K10 Ni：易軸為111，故K10,(2) 六角晶系,若自發(fā)磁化方向與c軸所成的角度為,Co晶體：易軸為0001，故KU1、 KU2 0,二、磁晶各向異性等效場,*無外場時磁疇內(nèi)的磁矩傾向于沿易軸方向取向，就好像在易磁化方向存在一個磁場，把磁矩拉了過去。它并不是真實存在的磁場，而是把磁晶各向

5、異性能的作用等效為一個磁場作用。,求法：磁體在磁晶各向異性等效場中的磁場能磁晶各向異性能等效場,*六角晶體（易軸為0001）,*立方晶體：易軸100 易軸111,三、磁晶各向異性起源,*晶體場電子軌道角動量淬滅電子的軌道運動失去了自由狀態(tài)下的各向同性，變成了與晶格相關(guān)的各向異性電子云分布各向異性,*電子的自旋運動與軌道運動之間存在耦合作用電子軌道運動隨自旋取向發(fā)生變化,磁晶各向異性來源模型,（a）磁體水平磁化時，電子云交疊少，交換作用弱 （b）磁體垂直磁化時，由于L-S耦合作用，電子云隨自旋取向而轉(zhuǎn)動，電子云交疊程度大，交換作用強,1.3.2 磁致伸縮,定義：磁性材料由于磁化狀態(tài)的改變，其長度

6、和體積都要發(fā)生微小的變化。,一、磁致伸縮效應(yīng),線磁致伸縮：縱向磁致伸縮、橫向磁致伸縮 體積磁致伸縮很小，可忽略,磁致伸縮系數(shù)：,的大小與H的大小有關(guān),S：飽和磁致伸縮系數(shù) S0 正磁致伸縮； S0 負磁致伸縮,*同種單晶體在不同晶軸方向磁化時的磁致伸縮系數(shù)是不相同的，即單晶體的磁致伸縮具有各向異性。,*對立方晶體,*1、2、3分別為磁化方向相對于單晶晶軸的方向余弦； *1、 2、 3分別為磁致伸縮方向相對于單晶晶軸的方向余弦。,*通過對材料施加拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，能引起材料的磁性能變化，即所謂的壓磁效應(yīng)，這是磁致伸縮的逆效應(yīng)。,*研究磁致伸縮的意義： （1）了解磁體內(nèi)部各種相互作用的本質(zhì)以及磁化過

7、程與物體形變的關(guān)系； （2）根據(jù)材料的壓磁效應(yīng)原理制成許多有用的器件。,二、磁致伸縮機理,*同磁晶各向異性的來源一樣，由于原子或離子的自旋與軌道的耦合作用而產(chǎn)生。,1.4 磁疇結(jié)構(gòu),*退磁場能最小是形成磁疇的主要原因。 *實際情況中，還必須考慮其他一些因素比如交換能、 磁晶各向異性能、磁致伸縮導(dǎo)致的磁彈性能等的影 響。真實的磁疇結(jié)構(gòu)由總能量的極小值來確定。,1.4.1 磁疇的成因,1.4.2 疇壁結(jié)構(gòu),*根據(jù)疇壁中磁矩的過渡方式，可將疇壁分為布洛赫壁和奈爾壁兩種類型。,*布洛赫壁：大塊鐵磁晶體內(nèi)的疇壁屬于此類。 *奈爾壁：在極薄的磁性薄膜中存在。,布洛赫壁結(jié)構(gòu),奈爾壁結(jié)構(gòu),*另一種分類方法：根

8、據(jù)疇壁兩側(cè)磁疇的自發(fā)磁化方向間的關(guān)系，將疇壁分為180o疇壁和90o疇壁。夾角是180o時，稱為前者；其他的稱為后者。,1.4.3 特殊磁疇結(jié)構(gòu),一、單疇,*鐵磁晶體材料的尺寸變小時，內(nèi)部包含的磁疇會減少。到一定程度時，成為多疇時的疇壁能比單疇的退磁場能還要高，這時材料將不再分疇，形成單疇結(jié)構(gòu)。,*單疇顆粒不會有疇壁位移磁化過程，只有磁疇轉(zhuǎn)動磁化過程，因此磁化和退磁都比較困難。,*若磁晶各向異性能較強矯頑力高永磁材料,*永磁材料制備工藝中，常采用粉末法來提高矯頑力； *軟磁材料制備中應(yīng)避免顆粒太小，以免成為單疇降低磁導(dǎo)率。,二、磁泡,定義：在一些薄膜磁性材料中出現(xiàn)的一種圓柱形磁疇,*形成磁泡的

9、首要條件：磁性薄膜具有單軸各向異性，其易磁化軸垂直膜面，且等效磁晶各向異性場大于垂直膜面的退磁場。,*H=0時，自發(fā)磁化條狀磁疇,*加小H時，與外磁場方向一致的磁疇體積增大，與外場反向的磁疇體積縮小。,*當外場增大到一定大小時，與外場同向的磁疇占據(jù)了大部分體積，而與外場反向的磁疇收縮為孤立的圓柱形磁疇，即磁泡。,*H繼續(xù)增大，磁泡直徑會減小，當H達到某一數(shù)值時，磁泡會消失。,*磁泡產(chǎn)生的退磁場Hd與薄片的磁化方向相同，其作用是使磁泡退磁。為克服退磁作用，須有一數(shù)值較大、方向與Hd相反的磁場，才能保證磁泡穩(wěn)定的存在。該磁場便是材料的單軸各向異性等效場HK。,*磁泡的動態(tài)特性遷移率,為使磁泡遷移率

10、較高，KU1不能太大。,*磁泡體積小，并能高速轉(zhuǎn)移，用它作為計算機中的存儲器或傳輸和邏輯器件，將會在很大程度上增加存儲量，提高計算速度。,*原理：控制磁泡的產(chǎn)生和消失，分別作為寫“1”和“0”，并能檢測磁泡的有無，從而讀出寫入的“1”和“0”。,1.5 技術(shù)磁化,1.5.1 磁化機制,*磁化過程：磁性材料由磁中性狀態(tài)變到磁飽和狀態(tài)的過程,*反磁化過程：從磁飽和狀態(tài)回到退磁狀態(tài)的過程,*技術(shù)磁化：鐵磁體在外場作用下通過磁疇轉(zhuǎn)動和疇壁位移實現(xiàn)宏觀磁化的過程,*磁化本質(zhì)：內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,*Vi為第i個磁疇的體積；i為第i個磁疇的自發(fā)磁化強度與H間的夾角； V0為塊體材料的體積。,*沿外場H方

11、向上的磁化強度MH,*當H改變H時，MH的改變?yōu)?*磁化機制有三種：,*技術(shù)磁化只包括前兩項，可分為四個階段： (1) 弱磁場范圍內(nèi)的可逆疇壁位移； (2) 中等磁場范圍內(nèi)的不可逆疇壁位移； (3) 較強磁場范圍內(nèi)的可逆磁疇轉(zhuǎn)動； (4) 強磁場下的不可逆磁疇轉(zhuǎn)動。,*對一種磁性材料，磁化過程以一種或幾種機制為主，不一定包括全部的四種機制。 軟磁材料：疇壁位移磁化為主 單疇顆粒材料：僅存在單純疇轉(zhuǎn)磁化過程,1.5.2 可逆疇壁位移磁化過程,*在H作用下，i疇能量最低，k疇能量最高，根據(jù)能量最小原理的要求，i疇體積增大，k疇體積減小，相當于疇壁移動了一段距離。,*實際上，在一定的外場下，疇壁位移

12、的距離是有限的。 原因：材料內(nèi)部存在著阻礙疇壁運動的阻力，阻力主要來源于鐵磁體內(nèi)部的不均勻性，主要是鐵磁體內(nèi)部存在有內(nèi)應(yīng)力的起伏分布和組分的不均勻分布，如雜質(zhì)、氣孔和非磁性相等。,*單位體積鐵磁體內(nèi)的總能量為：,*疇壁位移磁化過程中，必須滿足自由能最小原理：,*疇壁位移磁化過程中的一般磁化方程式：,*物理意義：疇壁位移磁化過程中磁位能的降低與鐵磁體內(nèi)能的增加相等。,*磁化過程中的平衡條件： 動力(磁場作用力)阻力(鐵磁體內(nèi)部的不均勻性),*根據(jù)阻力的不同來源，分為兩種理論模型： 內(nèi)應(yīng)力模型和含雜模型,一、內(nèi)應(yīng)力模型,*主要考慮內(nèi)應(yīng)力的起伏分布對鐵磁體內(nèi)部能量變化的影響，忽略雜質(zhì)的影響。一般的金

13、屬軟磁材料和高磁導(dǎo)率軟磁鐵氧體適合采用這種模型。,180o疇壁的起始磁化率:,90o疇壁的起始磁化率:,l磁疇的寬度；充實系數(shù)，晶體中實際存在的180o疇壁占據(jù)自由能極小位置的分數(shù)；疇壁的厚度； S飽和磁致伸縮系數(shù)；應(yīng)力的變化,二、含雜模型,*忽略內(nèi)應(yīng)力的影響，主要考慮由于存在的雜質(zhì)而引起的鐵磁體內(nèi)能量的變化。如果鐵磁晶體內(nèi)包含許多非磁性或弱磁性的雜質(zhì)、氣孔等，而內(nèi)應(yīng)力的變化不大，則可以采用含雜模型。,180o疇壁為例:,d雜質(zhì)直徑；雜質(zhì)的體積濃度,*小結(jié)：疇壁位移磁化過程中影響起始磁導(dǎo)率的因素有 (1) 材料的MS，MS越大，i越高； (2) 材料的K1和S，K1和S越小，i越高； (3)

14、材料的內(nèi)應(yīng)力，材料內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)越完整均勻，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力越小，i越高； (4) 材料內(nèi)的雜質(zhì)濃度，越低，疇壁位移磁化過程決定的i越高。,1.5.3 不可逆疇壁位移磁化過程,*同可逆疇壁位移磁化過程一樣，鐵磁體內(nèi)存在應(yīng)力和雜質(zhì)以及晶界等結(jié)構(gòu)起伏變化是產(chǎn)生不可逆疇壁位移的根本原因。,180o疇壁的不可逆疇壁位移模型,180o疇壁位移磁化方程,w：疇壁能密度,H=0時，停留在O點，疇壁處于平衡狀態(tài)，因,H0時，疇壁開始移動，磁場能下降，疇壁能增加，二者平衡,oa一段：為可逆疇壁位移磁化階段,ae一段：為不可逆疇壁位移磁化階段,*以存在應(yīng)力起伏分布的180o疇壁為例:,*ir比i大很多，提高ir的途徑

15、類似i,1.5.4 可逆磁疇轉(zhuǎn)動磁化過程,*磁疇轉(zhuǎn)動過程中總的自由能,*疇轉(zhuǎn)磁化過程中的平衡方程式,*物理意義：疇轉(zhuǎn)過程中，當鐵磁體內(nèi)磁位能降低的數(shù)值與磁晶各向異性能、磁應(yīng)力能和退磁場能增加的數(shù)值相等時，疇轉(zhuǎn)磁化處于平衡狀態(tài)。,一、由磁晶各向異性控制的可逆疇轉(zhuǎn)磁化,*疇轉(zhuǎn)磁化方程,*以單軸六角晶系為例得,二、由應(yīng)力控制的可逆疇轉(zhuǎn)磁化,*疇轉(zhuǎn)磁化方程,*求得,*實際中材料內(nèi)部往往同時存在磁晶各向異性能和磁彈性能，這些因素都會對磁疇轉(zhuǎn)動構(gòu)成阻力。,*可逆磁疇轉(zhuǎn)動磁化過程中影響起始磁導(dǎo)率的因素有：,(1) 材料的MS ， MS越大， i越高； (2) 材料的K1和S，K1和S越小，i越高； (3)

16、材料的內(nèi)應(yīng)力，材料內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)越完整均勻，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力越小，i越高；,1.5.5 不可逆磁疇轉(zhuǎn)動磁化過程,*實現(xiàn)不可逆疇轉(zhuǎn)一般需要較強的磁場，因此通常鐵磁體內(nèi)的不可逆磁化主要是由疇壁位移引起的。對于單疇顆粒來說，只能是不可逆疇轉(zhuǎn)。,*導(dǎo)致可逆疇轉(zhuǎn)和不可逆疇轉(zhuǎn)的原因是鐵磁體內(nèi)存在著廣義的各向異性能的起伏變化。,*下圖為具有單軸各向異性的鐵磁體的可逆與不可逆疇轉(zhuǎn)磁化過程。,*從能量角度,*以單軸各向異性晶體為例，疇轉(zhuǎn)磁化方程為,*如果疇轉(zhuǎn)磁化過程處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，則必須滿足條件,*如果處于非穩(wěn)定平衡狀態(tài)，則有,*由穩(wěn)定平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定狀態(tài)的分界點是,*不可逆疇轉(zhuǎn)的磁化率,1.6 動態(tài)磁化,1.

17、6.1 動態(tài)磁化過程,*靜態(tài)磁化過程：磁場恒定，樣品從一個穩(wěn)定磁化狀態(tài)轉(zhuǎn)變到新的平衡狀態(tài)。不考慮建立新的平衡過程的時間問題，因此稱之為靜態(tài)磁化過程。,不可逆磁化導(dǎo)致磁滯現(xiàn)象，每個磁化狀態(tài)都處于亞穩(wěn)態(tài)，且磁化狀態(tài)不隨時間改變。,*動態(tài)磁滯回線：鐵磁體在周期性變化的交變磁場中時，其磁化強度也周期性地反復(fù)變化，構(gòu)成動態(tài)磁滯回線。,在相同的磁場強度范圍內(nèi)，動態(tài)磁滯回線的面積比靜態(tài)磁滯回線的面積要大些。 原因：回線面積等于磁化一周所損耗的能量。 靜態(tài)僅有磁滯損耗；動態(tài)磁滯損耗、渦流損耗、剩余損耗。,*動態(tài)磁化曲線：頻率不變，改變磁場強度的大小，可得一系列動態(tài)磁滯回線，它們的頂點(Bm, Hm)連線稱為動

18、態(tài)磁化曲線。 振幅磁導(dǎo)率：,如下圖，最大的回線為動態(tài)飽和磁滯回線，BS和HS則為飽和狀態(tài)下飽和磁感應(yīng)強度和相應(yīng)的磁場強度，Br和HC為剩余磁感應(yīng)強度和矯頑力。,動態(tài)磁滯回線的形狀與交變磁場的峰值Hm以及頻率有關(guān)。實驗表明，當交變磁場強度減小或增加交變磁場頻率時，動態(tài)磁滯回線的形狀將逐漸趨近于橢圓。,50m厚的鉬坡莫合金片在三種不同頻率下的動態(tài)磁滯回線,*隨頻率的增大，動態(tài)磁滯回線逐漸變?yōu)闄E圓形狀。因此對于通常使用的弱場高頻條件，可用橢圓形狀來近似地表示鐵磁材料的動態(tài)磁滯回線。,*假設(shè)H是正弦周期性變化，則B也是正弦周期性變化，但在時間上落后一個相位差。,*磁化的時間效應(yīng)表現(xiàn)為以下幾種不同的現(xiàn)象

19、：,1) 磁滯現(xiàn)象：交變磁場中的磁化是動態(tài)過程，有時間效應(yīng)。 2) 渦流效應(yīng)：動態(tài)磁化中，鐵磁材料內(nèi)部會形成渦流。渦流的產(chǎn)生將抵抗B的變化，從而使磁化產(chǎn)生時間滯后效應(yīng)。 3) 磁導(dǎo)率的頻散和吸收現(xiàn)象：交變磁場中，疇壁位移或磁疇轉(zhuǎn)動受到各種不同性質(zhì)的阻尼作用，導(dǎo)致復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率隨磁場頻率變化。 4) 磁后效：當H發(fā)生突變時，B的變化需經(jīng)過一定的時間才能穩(wěn)定下來。這種現(xiàn)象是由于磁化過程本身或熱起伏的影響，引起材料內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)或晶體結(jié)構(gòu)的變化。,*在交變磁場中，以上四種現(xiàn)象都將引起鐵磁材料的能量損耗。,1.6.2 動態(tài)磁性參數(shù),1、復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率,*好處：可同時反映B和H間的振幅和相位關(guān)系。,代表單位體積鐵磁

20、材料中的磁能存儲,代表單位體積鐵磁材料在交變磁場中每磁化一周的磁能損耗,損耗角,復(fù)數(shù)磁化率,2、磁譜與截止頻率fr,磁譜：鐵磁體在交變磁場中的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的實部和虛部隨頻率變化的關(guān)系曲線。,截止頻率：在材料的磁譜曲線上，下降到初始值的一半或達到極大值時所對應(yīng)的頻率。 物理意義：它給出了磁性材料能夠正常工作的頻率范圍,*當f=fr時，達到最大值，損耗最大，此時材料無法使用，所以一般軟磁材料的工作頻率應(yīng)選擇低于它的截止頻率。,*i越低，其fr越高，因此要提高材料的高頻應(yīng)用范圍，降低材料的起始磁導(dǎo)率是一個有效的手段。,3、品質(zhì)因數(shù)Q,*Q值反映軟磁材料在交變磁化時能量的貯存和損耗的性能。,4、損耗因子tan,物理意義：鐵磁材料在交變磁化過程中能量的損耗與貯存之比。,5、Q積,*對軟磁材料，總是希望其Q值越高越好，值越大越好，常用Q積來表征軟磁材料的技術(shù)指標。,*或用tan/表示，稱為軟磁材料的比損耗系數(shù)，反映材料的相對損耗大小。,*和可通過交流電橋法進行測量；Q值可以用交流電橋或Q表測量得到；tan可以通過交流電橋、Q表、測量位相差或測量磁損耗的方法得到。,1.6.3 磁損耗,定義：磁性材料在交