磁性物理学第二章 技术磁化理论--磁性材料 6
磁性材料原理
磁性材料原理磁性材料是一类在磁场中具有特殊性质的材料。
它们在工业生产和科学研究中起着重要的作用。
本文将介绍磁性材料的原理及其应用。
一、磁性材料的概述磁性材料是指在外加磁场作用下，能够产生磁化现象的材料。
它们包括铁、钢、镍、钴等物质。
磁性材料有两种基本类型：铁磁性材料和非铁磁性材料。
铁磁性材料具有强烈的磁性，如铁、镍和钴等。
它们在强磁场中可以被永久磁化，形成磁体。
非铁磁性材料则具有较弱的磁性，它们一般不会被永久磁化。
二、磁性材料的原理1. 原子磁偶极矩磁性材料具有原子磁偶极矩。
原子内电子所带的自旋和轨道角动量导致了原子磁矩的形成。
在一个磁场中，这些原子磁矩会互相作用，从而形成磁性。
2. 域结构磁性材料中存在着不同的磁畴，每个磁畴具有自己的磁化方向。
在无外加磁场的情况下，这些磁畴的磁化方向是杂乱无序的。
当外加磁场作用于材料时，磁畴会逐渐重新排列，使整个材料形成统一的磁化方向。
3. 局域场和磁畴壁在磁性材料中，每个磁畴内的磁化强度是均匀的，但不同磁畴之间的磁化强度存在差异。
这种差异由局域场引起。
磁畴之间的过渡区域称为磁畴壁，磁畴壁上的磁化方向逐渐变化，使得整个材料的磁化过渡更加平滑。
三、磁性材料的应用1. 电磁设备磁性材料广泛应用于电磁设备中。
例如，铁磁性材料可以用于制造电动机、电磁铁和变压器等设备。
非铁磁性材料则用于制造电感器和传感器。
2. 数据存储磁性材料在数据存储领域有着重要的应用。
磁性材料通过改变磁化方向来储存和读取信息。
硬盘驱动器和磁带等设备都是基于磁性材料的数据存储原理。
3. 医疗应用磁性材料在医疗领域有广泛的应用。
例如，磁共振成像（MRI）利用磁性材料的特性来观察人体内部结构。
磁性材料也可以用于制造人工关节和植入式医疗器械。
4. 环境保护磁性材料在环境保护中的应用也越来越多。
例如，利用磁性材料可以制造高效的垃圾处理设备，帮助减少废物产生和环境污染。
四、磁性材料的发展前景随着科学技术的不断发展，磁性材料的应用领域将会不断扩大。
磁学与磁性材料
磁学与磁性材料磁性材料是一类特殊的材料，具有吸引或排斥铁磁物质的能力。
磁学是研究磁现象和磁性材料的学科。
本文将对磁学和磁性材料的相关概念、应用和发展进行探讨。
一、磁学的基本概念磁学是物理学的一个分支，主要研究磁性现象和磁性材料的性质。
它涉及磁场、磁矩、磁感应强度和磁化强度等基本概念。
磁场是指周围存在磁流的区域，它可以由磁铁、电流或磁体产生。
磁矩是物质内部微小的磁元件，它具有带电粒子产生的磁性。
磁感应强度是磁场对空间中的磁性物体施加的作用力，可以用来描述磁场的强度和方向。
磁化强度是磁性材料在外磁场作用下磁化的程度。
二、磁性材料的分类与性质磁性材料可以根据其磁性质分为铁磁材料、顺磁材料和抗磁材料。
铁磁材料具有明显的自发磁化特性，如铁、镍、钴等。
顺磁材料受外磁场作用后，磁化方向和磁场方向一致，如氧化铁、铁氧体等。
抗磁材料不具备自发磁化特性且在外磁场下磁化弱，如铜、银等。
磁性材料的性质与其微观结构密切相关。
在铁磁材料中，微观磁矩相互作用导致自发磁化；在顺磁材料中，外加磁场作用下，电子磁矩与磁场方向一致；在抗磁材料中，微观磁矩相互作用导致自发磁化方向相反。
三、磁性材料的应用领域磁性材料在众多领域中都起着重要作用。
在电子技术领域，磁性材料广泛应用于电感器、变压器、磁盘驱动器等设备中；在能源领域，磁性材料用于制造磁能转换器件，如风力发电机、水力发电机等；在医学领域，磁性材料在核磁共振成像、磁控释药等方面具有广泛应用；在磁记录领域，磁性材料用于制造硬盘、磁带等存储设备。
四、磁学与磁性材料的发展趋势随着科学技术的不断进步，磁学和磁性材料领域也在不断发展。
一方面，磁学的理论模型和磁性材料的制备工艺不断改进，使得磁性材料的性能得到了提升；另一方面，新型磁性材料的研究和应用也不断推进，如自旋电子学材料、磁性纳米粒子等。
这些新材料和新技术的出现，不仅给电子技术、信息技术和能源技术等领域带来了新的发展机遇，还为科学家们研究磁学现象和磁性材料的本质提供了更多的实验条件和理论基础。
磁性材料 课件
思考探究 物理课代表李明在实验室时,把餐卡放在条形磁铁上,等他中午 去餐厅吃饭时,怎么刷卡也不成功.你知道这是为什么吗? 答案:餐卡是磁卡,磁卡背面黑色部分磁条是用作磁记录,记录卡 内存钱情况,当磁卡靠近磁铁时,磁卡内的磁性材料在磁铁强大的磁 场中破坏了原来的磁记录,所以无法使用.
典题例解 【例 2】
磁性材料
一、磁化与退磁
1.一些物体,与磁铁接触后就会显示出磁性,这种现象叫作磁化. 原来有磁性的物体,失去磁性的现象叫作退磁.
2.铁、钴、镍以及它们的合金,还有一些氧化物,磁化后的磁性比 其他物质强得多,这些物体叫作铁磁性物质,也叫强磁性物质.
3.磁性材料按磁化后去磁的难易可分为硬磁性材料和软磁性材 料.有些铁磁性材料磁化后撤去外磁场,仍具有很强的剩磁,这种材料 叫作硬磁性材料.有的铁磁性材料磁化后撤去外磁场,物体没有明显 的剩磁,这样的材料叫作软磁性材料.
普通录音机是通过一个磁头来录音的.磁头的结构如图.在一个 环形铁芯上绕一组线圈,铁芯有个缝隙,工作时,磁带就贴着缝隙移动. 录音时,磁头线圈跟微音器相连,磁带上涂有一层磁粉,磁粉能被磁化 且有剩磁.微音器的作用是把声音变化转化成电流变化,问普通录音 机的录音原理是怎样的?
答案:声音的变化经微音器转化成电流变化,变化的电流流过线 圈,在铁芯中产生变化的磁场,磁带经过磁头时磁粉被不同程度地磁 化,这样声音的变化就被记录成不同程度的磁信号,这就是录音的原 理.
A.录音机磁头线圈的铁芯为软磁性材料; B.录音、录像磁带上的磁粉为硬磁性材料; C.电脑用的磁盘为硬磁性材料,不删除一般不会自动丢失; D.电铃上的电磁铁铁芯为软磁性材料.
A.铁棒两极有感应电荷 B.铁棒对磁场有传导作用 C.铁棒内磁畴有规律地排列起来 D.铁棒内磁畴的磁化方向杂乱无章 思路点拨:小磁针运动说明其受到了磁场的作用. 解析:把条形磁铁的 N 极靠近铁棒,铁棒中的磁畴在外磁场的作 用下,有规律地排列起来,使铁棒对外表现磁性,左侧为 S 极,右侧为 N 极,从而把小磁针的 S 极吸引过来. 答案:C
磁学基础与磁性材料
磁学基础与磁性材料1. 引言磁学是研究磁场和磁性材料特性的学科。
磁性材料是一类具有磁性的材料，它们在外加磁场作用下会发生磁化现象，并且具有一系列特殊的磁性特性。
磁学基础是理解和研究磁性材料的基础，本文将介绍磁学基础的一些重要内容，以及常用的磁性材料。
2. 磁学基础2.1 磁场磁场是指存在于一个区域内的磁力场。
磁场由磁针、磁体等产生，其物理量可以用矢量表示。
在磁学中，我们常常用磁感应强度（B）表示磁场的强弱，单位是特斯拉（T）。
2.2 磁矩磁矩是一个物体产生磁场的特性量。
它是由物体内部微观电荷或电流的旋转运动所导致的。
磁矩可以用矢量表示，它的单位是安培·米（A·m^2）。
2.3 铁磁性材料铁磁性材料是一类具有较强磁性的材料。
在外加磁场下，铁磁性材料可以产生自发磁化现象，并且保留很长时间。
常见的铁磁性材料有铁和钙钛矿结构的氧化物等。
2.4 顺磁性材料顺磁性材料是一类具有较弱磁性的材料。
在外加磁场下，顺磁性材料会发生磁化现象，但是磁化程度相对较弱。
常见的顺磁性材料有铁氧体和氯化亚铁等。
2.5 抗磁性材料抗磁性材料是一类对磁场几乎没有响应的材料。
在外加磁场下，抗磁性材料只会发生微弱的磁化现象，并且在去掉磁场后会迅速恢复到无磁化状态。
常见的抗磁性材料有铜和锌等。
3. 磁性材料的应用3.1 磁存储器件磁性材料在磁存储器件中有着重要的应用。
磁存储器件利用磁性材料的特殊磁性特性，实现数据的存储和读取。
常见的磁存储器件有硬盘、软盘和磁带等。
这些设备利用磁性材料在外加磁场下能够保持和改变磁化方向的特性，实现数据的读写。
3.2 磁共振成像磁性材料在医学中有着广泛的应用。
磁共振成像（MRI）是一种利用磁性材料的原理来获取人体器官结构和功能信息的影像技术。
在MRI中，磁性材料被放置在磁场中，通过测量磁场变化来获取图像。
磁性材料在MRI中起到了重要的作用，它们对磁场的响应可以提供丰富的图像信息。
3.3 传感器和执行器磁性材料在传感器和执行器中有着广泛的应用。
磁性物理学(第二章讲稿)PPT课件
L－S耦合：各电子的轨道运动间有较强的相
互作用∑li → L，∑si →S , J＝S+L
发生与原子序数较小的原子中（Z<32）。 j－j耦合：各电子轨道运动与本身的自旋相互
作用较强，∑(li+si) → ji，∑ji →J ，Z>82 LS+jj耦合： 32<Z<82 铁磁体中，原子的总角动量大都属于L-S耦合
3.洪特规则（Hund’s Rule） （适合于L－S耦合） 目的：确定基态的电子组态和动量矩。 I. 在Pauli原则允许下，S取最大值，
S= ∑ms Ⅱ.总轨道量子数L在上述条件下可能的最
大值， L= ∑ml III.次壳层未半满时， J=|L-S|； IV. 次壳层半满或超过一半时，J＝L＋
3s2
3p6
3d10
b.原子中电子基态分布服从规则：
泡利不相容原理
能量最低原理
c.电子填充方式（依电子组态能量高低）
1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s
结论：满壳层电子的总动量矩和总磁矩为零，只有未
成对的电子磁矩对原子的总磁矩作贡献，未满壳层——
磁性电子壳层
2.角动量耦合
(μS)┴在一个进动周期中平均值为零。
∴ 原子的有效磁矩等于μL与μS 平行于PJ的
分量和，即：
PJ
PS
J
L
s
PJ
PL
PL L(L 1), PS S(S 1), μL
μS
L L(L 1)B , s S(S 1)B μJ
μL-S
磁性材料 第6章 技术磁化理论--磁性材料
C
C’
O
H
磁矩不是从饱和磁化方向回到自己原 来的易磁化轴方向，而是只回到各自 最靠近外磁场方向上的那些易磁化轴
方向，所以磁矩均匀分布在半球内
则在原来磁场方向上保留的剩
磁大小可近似为MR＝MScos， 其中为外磁场与每个晶粒的
易磁化轴间的夹角
三、矫顽力HC
1、两种矫顽力的定义：
➢磁感矫顽力BHC：在B－H磁滞回线上，使 B＝0的磁场强度;
域中的可逆磁化部分
剩余磁化强度MR的大小，决 定于材料从饱和磁化降到H＝
0的反磁化过程中磁畴结构的 变化；它是反磁化过程中不可 逆磁化的标志，也是决定磁滞 回线形状大小的一个重要物理
量
以由单轴各向异性晶粒组成的多晶体为例
M
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
A B
D
是均匀分布的，当多晶体在某个方向 磁化饱和后，再将外磁场降为零，由 于不可逆磁化的存在，各个晶粒内的
磁化过程中磁化曲线、磁滞回线上的每和一结点构都与代哪表些铁因素
磁体的平衡状态，而从热力学的观点来看，有在关平？衡状
态下，系统的总自由能等于极小值
第1节 技术磁化
Technical Magnetization
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 是磁场强度的函数
（iii）、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
磁性材料 课件
键。
探究二 磁性材料与磁记录
磁性材料为什么能记录信息?录音、录像磁带上的磁性材料应该用硬 磁性材料还是软磁性材料?
提示:磁性材料在外界磁场作用下,能够被磁化,这就使我们可以利用磁 性材料记录外界磁场的信息。磁记录时,通过把声音、图像或其他信息转变 为变化的磁场,使磁带、磁卡磁条上的磁粉层磁化,这样就能在磁带或磁卡 上记录下与声音、图像或其他信息相应的磁信号;录音、录像磁带上的磁性 材料是用来作磁记录的,需要磁化后长久保持磁性,所以用硬磁性材料。
2.磁记录 (1)磁卡背面的黑条,录音机、录像机上用的磁带,电子计算机上用的磁 盘都含有磁记录用的磁性材料。依靠磁记录,我们可以保存大量的信息,并 在需要的时候读出这些信息。 (2)地磁场留下的记录:地磁场会对含有磁性材料的岩石起作用,据推测, 地磁场的强度和方向随时间的推移在不断改变,大约每过 100 万年,地磁场 南北极会完全颠倒一次。
3.磁化与退磁的实质 铁磁性材料结构与其他物质有所不同,它们本身就是由很多已经磁化 的小区域组成的,这些磁化的小区域叫作磁畴。磁化前,各个磁畴磁化方向 不同,杂乱无章地混在一起,各个磁畴的作用宏观上互相抵消,物体对外不显 磁性。磁化过程中,由于外磁场的影响,磁畴磁化方向有规律地排列起来,使 得磁场大大加强。高温下磁性材料的磁畴会被破坏;在受到剧烈震动时,磁 畴的排列也会被打乱,这些情况下材料就会产生退磁现象,如图所示为材料 磁化前和磁化后的情形。
1.磁化和退磁的概念 (1)磁化 缝衣针、螺丝刀等钢铁物体与磁铁接触后显示磁性的现象叫作磁化。 如图所示。
螺丝刀与磁铁接触后磁化
(2)退磁 原来有磁性的物体,经过高温、剧烈震动或者逐渐减弱的交变磁场的 作用,就会失去磁性,这种现象叫作退磁。
磁性材料 第6章 技术磁化理论--磁性材料
技术磁化：指施加准静态变化磁场于强磁体，使其自发磁化的
方向通过磁化矢量M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： 铁磁性、亚铁磁性磁化曲线为复杂函数关系
强磁体的磁化曲线可分为五个特征区域： M
（1）、起始磁化区（可逆磁化区域）
M＝iH B＝ 0iH （i＝1+ i）
第二章 技术磁化理论
3、磁化过程的磁化机制：
若磁体被磁化，则沿外磁场
MSVi cosi
强度H上的磁化强度MH可以表磁示畴为转：
MH
i
顺磁V0磁
畴磁化壁过位当程移外磁场强度H发生动过微磁程小化的变化ΔH，则相化应过的程磁
化强度的改变ΔMH可表示为：
MH
i
MS cosi Vi MSVi cosi Vi cosi MS
磁化过程中磁化曲线、磁滞回线上的每和一结点构都与代哪表些铁因素
磁体的平衡状态，而从热力学的观点来看，有在关平？衡状
态下，系统的总自由能等于极小值
磁性材料
பைடு நூலகம்
第二章 技术磁化理论
第1节 技术磁化
Technical Magnetization
磁性材料
第二章 技术磁化理论
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
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
第2节 反磁化过程
Reversal of Magnetizing Process
磁性材料
第二章 技术磁化理论
一、概述
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 过程；
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i j
i j
ij 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
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；
2、当铁磁体中自旋不完全平行时，自旋取向的梯度函 数 12、 22、 32不等于零，铁磁体中的交换能密 度是增加的，因此Fex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。
磁性材料
第二章 技术磁化理论
四、磁致伸缩
（一）、磁致伸缩现象与磁致伸缩系数 1、定义： 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 a、磁致伸缩现象的三种表现：
纵向磁致伸缩：沿磁场方向尺寸大小的相对变化 线磁致 伸缩 横向磁致伸缩：垂直于磁场方向尺寸大小的相对变化
磁性材料
第二章 技术磁化理论
一、铁磁体中的各种相互作用能
具有静 目前认为在铁磁体内有五种主要的相互作用（对应 电性质
五种相互作用能）：
的相互
1. 交换能（Fex）：电子自旋间的交换相互作用产生的能量 作用能
2. 磁晶各向异性能（Fk）：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
程度相差甚大——易磁化方向(最容易磁化的晶轴方向)与难磁化
磁性材料
方向
第二章 技术磁化理论
2、磁化功——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 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 能）是不相同的
铁磁体磁化时所需要的磁化能（磁化
功）为：
W
MS 0
0HdM
F
dF
0
F（M） F（0） 49
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 磁功性在材数料值上等于磁化曲线和纵轴之间所围的第面二积章 技术磁化理论
3、磁晶各向异性能 定义：自发磁化强度矢量在铁磁体中所取不同方向时，
随方向而改变的能量。(与磁化方向有关的自由能） 它只与磁化强度矢量在晶体中相对晶轴的取向有关。显
磁性材料
第二章 技术磁化理论
三、磁晶各向异性能（Fex）
（一）、磁晶各向异性的宏观描述 1、Fe、Co、Ni单晶体的磁化曲线
FkK0K1(1222＋2232＋3212) No
No
K2122232... (412) Image Image
结论：（1）沿各自不同晶轴方向磁化可以得到不同的磁化曲线
（磁晶各向异性），（2）沿不同的晶轴方向磁化到饱和的难易
磁性材料
第二章 技术磁化理论
六角晶体中磁晶各向异性能一般表示为：
F k u K u 0 K u 1 s i n 2 K u 2 s i n 4 . . . . . 4 1 5
于是当 等于0°时，Fku＝Ku0 若只考虑与 变化有关的项时：
F k u K u 1 s i n 2 K u 2 s i n 4 . . . . . 4 1 6
第二章 技术磁化理论
第一节 磁体中的能量 第二节 磁畴理论 第三节 技术磁化过程 第四节 反磁化过程 第五节静态磁参数分析
磁性材料
第二章 技术磁化理论
Introduce
➢Weiss分子场假说——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（MS~T关系，以及居 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 观磁性呢？——磁畴假说 ➢磁畴的概述：宽度约为10-3cm，包含1014个磁性原子 （从微观和宏观两种角度认识磁畴）
3. 磁应力能（F）：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）
4. 退磁场能（Fd）：铁磁体与其自身所产生的退磁场之间的相
互作用能
5. 静磁能（FH）：铁磁体与外磁场之间的相互作用产生的能量
与磁 的相 互作 用有 关的 能量
磁性材料
第二章 技术磁化理论
因此，在铁磁体中，单位体积内的总自由能或总能量 F 可以表示为：
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
铁磁性物质中磁畴的形成和具体的磁畴结构形状， 都与铁磁体内存在的各种相互作用能量有关。铁磁体 中的各种相互作用能量是研究铁磁体的磁畴理论和技 术磁化理论的基本出发点，因此讨论和了解铁磁体中 各种能量是学习掌握现代磁性理论有关磁畴结构和技 术磁化理论的关键之处
体积磁致伸缩：铁磁体被磁化时其体积大小的相对变化
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:
Si和Sj分别为第i个原
4 2子总和自相旋邻矢的量第，j大个小原等子于的
原子的总自旋量子数，
由于是近程作用，可设第i个原子与其 而方向是沿着自发磁化
近邻原子的交换积分都相同，即Aij＝A。 此外若对于同种原子的电子，则有Si＝Sj
方向；Aij为近邻原子间 的交换积分
＝S
E e x 2 A S S 2 A S 2c o s φ i j 4 3
F F e x F k F F d F H 4 1
F的物理意义：单位体积的铁磁体内部存在的各 个元磁矩之间及其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 （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：
E e x 2 A ijS i S j i j
然在易磁化轴上，磁晶各向异性能最小，而在难磁化轴方向 上它取最大
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，此时理论
4、磁晶各向异性能的数学表达式：
立方晶体的磁晶各向异性能Fk(i)的数学表达式为：
No Image
一般在考虑Fk相对于Ms取向变化时，常将K0略去：
F k K 1 ( 1 2 2 2 ＋ 2 2 3 2 ＋ 3 2 1 2 ) K 2 1 2 2 2 3 2 4 1 3
其中：K1、K2为磁晶各向异性常数，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 和时磁化功的差异