磁性物理复习资料

磁性物理

一、名词解释

元磁偶极子：指强度相等，极性相反并且其距离无限接近的一对“磁荷”。

磁场强度H：为单位点电荷在该处所受的磁场力的大小，方向与正磁荷在该处所受磁场力方向一致。

磁矩：磁偶极子磁性大小方向可以用磁矩来表示，磁矩定义为磁偶极子等效的平面回路的电流和回路面积的乘积，即

磁化强度（M）：是描述宏观磁体强弱程度的物理量。

磁感应强度：描述磁场强度和方向的物理量，是矢量。

磁化曲线：表示物质中的磁场强度H与所感应的磁感应强度B之间的关系。

磁滞回线：在磁场中，铁磁体的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线来表示，当磁化磁场作周期性变化时，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线，这条闭合线叫做磁滞回线。

磁化率：表征磁介质属性的物理量。

磁导率：又称导磁系数，是衡量物质的导磁性能的一个物理量，可通过测取同一点的B、H 值确定。

退磁场：有限几何尺寸的磁体在外磁场中被磁化后，表面将产生磁极，从而使磁体内部存在与磁化强度M方向相反的一种磁场，起减退磁化的作用，称为退磁场H d。

交换能（F ex）：电子自旋间的交换相互作用产生的能量。

磁晶各向异性能（F k）：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。

磁应力能（Fδ）：铁磁体内磁性和弹性（形变）相互作用所引起的能量（又称为磁弹性应力能）。

退磁场能（F d）：铁磁体与其自身所产生的退磁场之间的相互作用能。

静磁能（F H）：铁磁体与外磁场之间的相互作用产生的能量。

磁致伸缩现象：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。

磁畴：指铁磁体材料在自发磁化的过程中为降低静磁能而产生分化的方向各异的小型磁化区域。

自发磁化：磁有序物质在无外加磁场的情况下，由于近邻原子间电子的交换作用或其他相互作用，使物质中各原子的磁矩在一定空间范围内呈现有序排列而达到的磁化，称为自发磁化技术磁化：技术磁化阐述的是关于铁磁质在整个磁化过程中磁化行为的机理，即阐明了在外磁场作用下，磁畴是通过何种机制逐渐趋向外磁场方向的。

畴壁：各个磁畴之间的交界处称为畴壁。

畴壁位移：在有外场作用下，自发磁化方向接近于H方向的磁畴长大，而与H方向偏离较大的近邻磁畴相应缩小，从而使畴壁发生位置变化，这个磁化过程称为畴壁位移

磁泡：在消磁状态下，若外加向上的磁场，随着磁场强度增加，向下的磁畴逐渐减小，从达到某一磁场强度开始出现圆柱状磁畴，由于其形状有如泡状，故称其为磁泡。

Neel壁：磁矩平行于薄膜表面逐渐过渡。特点：畴壁面上无自由磁极出现，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；但是在晶体的上下表面上却不可避免地会出现表面磁荷。

Bloch壁：磁矩的过渡方式始终保持平行于畴壁平面。特点：畴壁面上无自由磁极出现，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在晶体的上下表面上却不可避免地会出现表面磁荷。

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，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。

居里温度：磁矩的有序排列由于热扰动被完全破坏时的温度。（磁滞回线对温度是很敏感的，特别是铁磁体，由于其自发磁化对温度的相关性，造成磁滞回线相对于温度变化的一系列特征。）铁磁性材料的自发磁化M s在居里点T c发生磁性转变，T c以下为铁磁性，T c以上铁磁性消失。

二、简答题

内禀矫顽力和磁感矫顽力的区别与联系

矫顽力分为磁感矫顽力（H cb）和内禀矫顽力（H cj）。磁体在反向充磁时，使磁感应强度B降为零所需反向磁场强度的值称之为磁感矫顽力。但此时磁体的磁化强度并不为零，只是所加的反向磁场与磁体的磁化强度作用相互抵消。（对外磁感应强度表现为零）此时若撤消外磁场，磁体仍具有一定的磁性能。使磁体的磁化强度M降为零所需施加的反向磁场强度，我们称之为内禀矫顽力。内禀矫顽力是衡量磁体抗退磁能力的一个物理量，是表示材料中的磁化强度M退到零的矫顽力。在磁体使用中，磁体矫顽力越高，温度稳定性越好。

什么是退磁场如何克服

产生：当一个有限大小的样品被外磁场磁化时，在他两端出现的自由磁极将产生一个与磁化强度方向相反的磁场，该磁场被称为退磁场。退磁场H d的强度与磁体的形状及磁极的强度有关。

克服：因为退磁场只与材料的尺寸有关，短而粗的样品，退磁场就很大，因此可以将样品做成长而细的形状，退磁场就将会减小。然而实际工作中，材料的尺寸收到限制，因此不可避免的受到退磁场的影响。

物质按磁性可分为几类各类磁性的χ-T关系曲线怎样

抗磁性物质：

两种单位制的背景和关系

SI 单位制：主要磁学量都用电流的磁效应来定义，其中磁感应强度B 为主导量（凡涉及到与其他物理量的相互作用，都必须使用B ）。磁感应强度B 的定义可由安培公式得出：=?u u r r r u r d F Id l B 根据安培环路定理可定义磁场强度H ：0μ=-u r u u r u u r B H M H 为导出量，仅用于计算传导电流所产生的磁场，不能代表磁场强度与外界发生作用。

Guass 单位制（绝对电磁单位制）：早年使用的单位制，所有的磁学量都是通过磁偶极子的概念建立起来的。其中磁化强度M 被定义为：()=∑u u r r i

i M ml 单位：Guass 。磁场强度H 被定义为：

=F H m u r u u r 单位：Oe 。引入磁感应强度B ，使之满足如下关系：4=+B H M πu r u u r u u r 在Guass 单位制中，M 和H 都有明确的物理意义，是基本物理量，而B 只是一个导出量。

三、计算论述题

某一铁的旋转椭球长轴为1毫米，短轴直径为毫米，饱和磁环强度为u0Ms=,求长轴和短轴方向的退磁场。

解:长轴/短轴=1/=10

查表可知，当椭球的的纵横比为10时，沿长轴的退磁因子Nz=，又Nx+Ny+Nz=1，所以Nx=Ny=. 由退磁场公式：长轴退磁场H d1=NMs=*=\m

同理短轴退磁场H d2=\m

晶体场理论的基本思想：认为中心离子的电子波函数与周围离子（配位子）的电子波函数不相重叠，因而把组成晶体的离子分为两部分：基本部分是中心离子，将其磁性壳层的电子作

量子化处理；非基本部分是周围配位离子，将其作为产生静电场的经典处理。配位子所产生的静电场等价为一个势场——晶体场。

晶体中的晶体场效应：a、晶体场对磁性离子轨道角动量的直接作用：引起能级分裂使简并度部分或完全解除，导致轨道角动量的取向处于被冻结状态。b、晶体场对磁性离子自旋角动量的间接作用：通过轨道与自旋耦合来实现。常温下，晶体中自旋是自由的，但轨道运动受晶体场控制，由于自旋－轨道耦合和晶体场作用的联合效应，导致单离子的磁各向异性。顺磁性物质的特点：（1）顺磁性物质是一类χ> 0的弱磁性物质；（2）顺磁性物质的原子或离子具有一定的固有磁矩，这些原子磁矩来源于未满的电子壳层（例如过渡族元素的3d壳层）；（3）在顺磁性物质中，磁性原子或离子分开的很远，以致它们之间没有明显的相互作用，因而在没有外磁场时，由于热运动的作用，原子磁矩是无规混乱取向；（4）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χ

=10-5~10-2。

铁磁性物质的基本特征：(1)、铁磁性物质内存在按磁畴分布的自发磁化；(2)、铁磁性物质的磁化率很大；(3)、铁磁性物质的磁化强度与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，其磁化率都是磁场强度的函数；(4)、铁磁性物质有一个磁性转变温度-居里温度T C；(5)、铁磁性物质在磁化过程中，表现为磁晶各向异性和磁致伸缩现象；

物质具有铁磁性的基本条件：(1) 物质中的原子有固有磁矩μJ；(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(T C)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，显现铁磁性。

为1043K；铁具有体心立方晶格结构，晶格常数为?，原子量为，密度为g/cm3，居里温度T

(0)为1740×90 A/m，单原子的有效玻尔磁子数为，试估算铁的：（1）

饱和磁化强度为M

Weiss分子场系数；（2）居里常数；（3）分子场强度

自发磁化的物理本质是什么物质具有海森堡模型的铁磁性的充要条件是哪些

铁磁体自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用。由海森堡交换作用模型可以得出物质具有铁磁性的必要条件是（1）材料原子中具有未充满的电子壳层即原子磁矩（2）充要条件是交换能积分常数A>0。

铁（金属）原子的玻尔磁子数为，铁原子量为，密度为×103kg·m-3，求出在0K下的饱和磁化强度。

交换作用能的物理意义：（1）原子间的交换相互作用能是铁磁性物质自发磁化的起源；

当铁磁体中自旋不完全平行时，自旋取向的梯度函数()()()2

123

ααα

???

、、

不等于零，铁

磁体中的交换能密度是增加的，因此F ex总是正值；（3）当不考虑自旋-轨道耦合时，铁磁体中交换相互作用仅仅只依赖于相邻原子自旋间的夹角，而与自旋取什么方向无关，所以交换作用能是各向同性的。

磁晶各向异性能的物理意义：铁磁体中自发磁化矢量和磁畴的分布取向不会是任意的，而是倾向于取在磁晶各向异性能为最小的各个易磁化轴的方向上，此时处于最稳定的状态。

磁致伸缩现象的来源：是由于原子或离子的自旋与轨道的耦合作用而产生的。其产生是由于要满足能量最小条件的必然结果，即如果铁磁晶体的变形大小和性质能够导致其总能量等于极小值，则这种变形就会产生。磁致伸缩是由自旋与轨道耦合能和物质的弹性能之间平衡而产生的。简而言之，磁致伸缩起源于晶体场、自旋-轨道耦合以及弹性形变的联合效应。

磁畴的成因：交换作用使近邻原子的自旋磁矩取向相同，造成自发磁化，磁晶各向异性能使自发磁化的方向保持在易磁化轴方向。因此，当整个晶体自发磁化到饱和并磁化矢量沿晶体的某磁化轴方向时，以上两种能量都达到极小值。也就是说交换能和磁晶各向异性能不会导致磁畴的产生。但是，所有铁磁晶体都有一定的大小和形状，整个晶体均匀磁化的结果必然在其两端产生磁极，磁极产生的退磁场将增加退磁场能，为了减少退磁场能，晶体分为若干磁畴，这是磁畴形成的主要原因。

计算立方晶体单畴颗粒的临界尺寸。

磁畴的观察技术有哪些

粉纹法；磁光效应法；透射电镜及扫描电镜法；X 光成像法；中子衍射法以及新近发展的磁力显微镜法和X 光磁二色性显微技术等。

什么是磁畴什么是磁畴壁为什么会形成磁畴磁畴的数目由什么条件决定

铁磁体由于交换相互作用(铁磁性)、超交换相互作用(亚铁磁性)，致使原子磁矩呈平行或反平行排列，这样就可能残留称为自发磁化强度的有效磁化成分(磁畴的成因)，其三维区域称为磁畴，实际的磁畴都具有一定的几何尺寸大小，彼此为自发磁化强度大小和方向各异的区域，磁畴之间的边界称为磁畴壁。

铁磁体产生磁畴，实质是自发磁化平衡分布要满足能量最小原理的必然结果，而退磁场能最小要求是磁畴形成的根本原因。

技术磁化过程大致可以分为三个阶段：

（1）可逆畴壁位移磁化阶段（弱场范围内）：

若H退回到零，其M也趋于零。（多见于金属软磁材料和磁导率μ较高的铁氧体中）（2）不可逆畴壁位移磁化阶段（中等磁场范围内）

即有Barkhausen jumps 发生

（3）、磁畴磁矩的转动磁化阶段（较强磁场范围内）

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