4-技术磁化与反磁化
材料物理性能-_磁学性能
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4. 磁感应强度和磁导率（P133） 材料在磁场强度为 H 的外加磁场（直流、交变或脉冲磁 场）作用下，会在材料内部产生一定的磁通量密度，称其为 磁感应强度B，即在强度为H的磁场中被磁化后，物质内磁场 强度的大小。 在真空中，磁感应强度为：
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二、技术磁化（P154）
对未经外磁场磁化的 ( 或处于退磁状态的 ) 铁磁体，它们 在宏观上并不显示磁性，这说明物质内部各部分的自发磁化 强度的取向是杂乱的。因而物质的磁畴决不会是单畴，而是
由许多小磁畴组成的。
技术磁化：在外磁场作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化到 饱和的内部变化过程。
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铁磁体在外磁场中的磁化过程主要为畴壁的 移动和磁畴内磁矩的转向。
因而自发磁化强度降低，铁磁性消失。这一温度称为居里 点Tc。在居里点以上，材料表现为顺磁性。
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4. 反铁磁性和亚铁磁性（P132、P144） 如果交换积分 A＜0时，则原于磁矩取反向平行排列能量最 低。如果相邻原子磁矩相等，由于原子磁矩反平行排列，原
子磁矩相互抵消，自发磁化强度等于零。这样一种特性称为
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磁学与电学基本物理量的比较 电学物理量 (单位) 磁学物理量 (单位)
J E P 0E
电流强度 I (A)
磁通量 Ф (Wb)
电流密度 J (A/m2)
电场强度 E (V/m)
磁通密度 B (Wb/m2)
磁场强度 H (A/m)
B H M H
r 1
电导率σ (Ω-1· m-1)
B0 0 H
式中μ0为真空磁导率
0 4 107 H / m
磁化现象的原理和应用
磁化现象的原理和应用1. 磁化现象的定义磁化是指材料中的微小磁矩在外加磁场作用下，整体呈现出磁性的行为。
磁化现象是磁性材料特有的物理行为，也是磁性材料应用的基础和前提。
2. 磁化现象的原理磁化现象的原理主要涉及磁矩、磁场和磁性材料之间的相互作用。
2.1 磁矩磁矩是磁性物质内部微观粒子的自旋和轨道运动产生的磁性矩量。
磁矩的大小和方向决定了磁物质的磁性质。
2.2 磁场磁场是由具有磁性的物质或通过电流在导体中产生的，能够在周围空间中表现出物理特性的力场。
2.3 磁性材料磁性材料是指能够在外加磁场下发生磁化现象的物质，常见的磁性材料包括铁、镍、钴等。
3. 磁化现象的应用磁化现象在各个领域都有广泛的应用，以下列举了其中几个常见的应用。
3.1 磁记录和存储磁化现象是磁盘、磁带等数据存储介质的基础。
在磁性材料表面上涂覆了能够改变磁矩方向的可磁化层，通过外加磁场改变可磁化层的磁化方向，实现数据的存储和读取。
3.2 磁共振成像磁共振成像（MRI）是一种利用磁化现象原理来获取人体内部结构信息的非侵入性检测方法。
当人体置于强磁场中时，激发人体内原子核的共振吸收和辐射，通过检测共振信号来重建人体内部结构图像。
3.3 磁力驱动和悬浮技术磁化现象被广泛应用于磁力驱动和磁悬浮技术。
在磁力驱动技术中，通过外加磁场对磁性材料施加作用力，实现物体的运动；在磁悬浮技术中，利用反磁性材料与磁场之间的相互排斥作用，使物体悬浮在磁场中。
3.4 电动机和发电机磁化现象在电动机和发电机中起着关键作用。
电动机通过电流在导线中产生磁场，并与磁性材料的磁化相互作用，实现能量转换。
而发电机则是通过机械转动改变磁场的大小和方向，从而产生感应电动势。
3.5 磁体磁化现象在磁体制造中发挥着重要作用。
通过在磁性材料中施加强磁场，使磁性材料的磁矩达到最大，从而制造出具有强磁场的磁体，如电磁铁和永磁体等。
4. 总结磁化现象是磁性材料特有的物理行为，其原理涉及磁矩、磁场和磁性材料之间的相互作用。
磁畴结构与技术磁化 20101029
γ wL
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上式表明只有磁畴宽度D为一个适当大小的数值时，才能满 足其总能量为最小值的条件，磁畴结构将处于稳定状态。由上 面两式，可以求出总能量
E = 2M s ×10 × 17.0 × γ w L
−4
仍然以铁为例来说明： MS =1.70×106 A⋅ m−1,γw =1.7×10−3 J ⋅ m−2, L =10−2 m
定性分析: 如图为单轴晶体磁畴形成图例分析
上图为单轴晶体内磁畴形成的示意图。在图（a）中，整个晶 体内的自发磁化均匀一致地取单易磁化方向，晶体表面出现了磁 极，因而，晶体内的总能量要包括新出现的退磁能。图(b)和(c) 中，为降低表面退磁场能，自发磁化分布发生变化，分成两个或 四个反向平行的磁畴，从而大大减小了表面退磁场能。
E = Ed + Ew = 1.7 × 10 M s D + γ w
D
平衡稳定状态的磁畴宽度D由总能量E的极小值决 定。由 ∂E = 0 得
∂D
1.7 × 10 M −
2 s
−7
γ wL
D
2
=0
由上式可以求出磁畴宽度D
⎛ ⎞ γ wL D=⎜ −8 2 ⎟ ⎝ 17 ×10 M s ⎠
1/ 2
104 = MS
由于外磁场的作用i畴的能量最低k畴的能量最高根据能量最小原理的要求k畴方向的磁矩将被改变成为i畴那样取向这种改变是通过畴壁进行的因为畴壁是一层磁矩方向逐渐地改变的过渡层假如畴壁厚度不变那么只能是k畴内靠近畴壁的一层磁矩由原来向下的方向开始改变方向并进入到过渡层则向上转动而逐渐地脱离畴壁过渡层加入到i畴中结果是i畴内磁矩数目增多畴的体积也增大
E
w
= γ
w
L D
磁性材料与器件-第三章-技术磁化
3.1.2 磁晶各向异性能
M
W HdM
0
3.1.2 磁晶各向异性能
沿铁磁晶体不同晶轴方向磁化 时所增加的自由能不同，称这 种与磁化方向有关的自由能为 磁晶各向异性能。 在易磁化轴方向上，磁晶各向 异性能最小，而在难磁化轴方 向上，磁晶各向异性能最大。 铁磁体从退磁状态磁化到饱和，需要付出的磁化功为：
3.3.1 磁化机制
技术磁化：铁磁体在外场作用下通过磁畴转动和 畴壁位移实现宏观磁化的过程
磁化本质： 内部的磁畴结 构发生变化
3.3.1 磁化机制
3.3.1 磁化机制
沿外场H方向上的磁化强度MH
Vi为第i个磁畴的体积；i为第i个磁畴的自发磁化 强度与H间的夹角； V0为块体材料的体积。 当H改变H时，MH的改变为
z Is(123)
[001]
[100]：1=1,2=0,3=0
EK[100]=0
[110]： 1 0,2 3 1/ 2 EK[110]=K1/4
y
[110]
1 2 3 1/ 3 [111]：
EK[111]=K1/3+K2/27
x
3.1.2 磁晶各向异性能
3.1.1 磁晶各向异性
同一铁磁物质的单晶体，其磁化曲线随晶轴 方向不同而有所差别，即磁性随晶轴方向而异。 这种现象称为磁晶各向异性。 磁晶各向异性存在于所有铁磁性晶体中。 沿铁磁体不同晶轴方向磁化的难易程度不同，磁 化曲线也不相同。
3.1.1 磁晶各向异性
从能量角度，铁磁体从退磁状态磁化到饱和状态，M-H曲 线与M轴之间所包围的面积等于磁化过程做的功
3.1.5 磁晶各向异性起源
磁晶各向异性来源模型
（a）磁体水平磁化时，电子云交叠少，交换作用弱 （ b）磁体垂直磁化时，由于 L-S 耦合作用，电子云 随自旋取向而转动，电子云交叠程度大，交换作用 强。
软磁材料的技术磁化过程
软磁材料的技术磁化过程软磁材料是一种具有良好磁导性能的材料，广泛应用于电子设备、通信设备、电力设备等领域。
软磁材料的技术磁化过程是指通过一系列工艺步骤将材料转变为具有特定磁性能的磁体。
本文将介绍软磁材料的技术磁化过程。
首先，软磁材料的技术磁化过程需要进行材料的预处理。
预处理包括清洗、退火等步骤。
清洗是为了去除材料表面的杂质和污染物，保证材料的纯净度。
退火是通过加热材料至一定温度，然后缓慢冷却，以消除材料内部的应力和晶界缺陷，提高材料的磁导率和磁饱和磁感应强度。
接下来，软磁材料的技术磁化过程需要进行磁化处理。
磁化处理是通过施加外部磁场，使材料的磁矩在一定方向上排列，从而形成磁性。
磁化处理可以通过多种方法实现，如电磁线圈法、永磁体法、电流脉冲法等。
其中，电磁线圈法是最常用的方法之一。
该方法通过将软磁材料放置在电磁线圈中，施加一定大小和方向的电流，产生磁场，使材料的磁矩在磁场的作用下重新排列，实现磁化。
在磁化处理过程中，需要控制磁场的大小和方向。
磁场的大小决定了软磁材料的磁化程度，即磁化强度。
磁场的方向决定了软磁材料的磁化方向，即磁化极性。
为了实现精确的磁化，通常需要使用磁场控制设备，如磁场计、磁场控制器等。
这些设备可以测量和调节磁场的大小和方向，确保软磁材料的磁化符合要求。
最后，软磁材料的技术磁化过程还需要进行磁化后处理。
磁化后处理是为了稳定和固定材料的磁性能。
常见的磁化后处理方法包括热处理、表面处理等。
热处理是通过加热材料至一定温度，然后缓慢冷却，使材料的磁矩更加稳定。
表面处理是通过涂覆保护层或进行表面处理，保护软磁材料的磁性能不受外界环境的影响。
综上所述，软磁材料的技术磁化过程是一个复杂的工艺过程，包括预处理、磁化处理和磁化后处理。
通过这些步骤，可以将软磁材料转变为具有特定磁性能的磁体，满足不同领域的需求。
软磁材料的技术磁化过程在电子、通信、电力等行业中具有重要的应用价值，对于提高设备性能和降低能耗具有重要意义。
第三章 自发磁化理论1
B
1.38 1023 J K -1 1043K 3 1.55 10 T 24 -1 9.27 10 J T
H m 1.23 109 A m-1
1.55 107 Oe
( 0 4 107 H m-1 )
见姜书p53
这是一个实验室内目前根本达不到的强度，姑且叫 做分子场。显然在这样强的磁场作用下，使原子磁矩平 行排列是完全可以做到的。外斯根本没有考虑这样强的 磁场会来源於何处，就做了铁磁体内存在分子场的大胆 假设，这是他的过人之处。
不同 J 值时的Brilouin 函数曲线 见戴书p123
同一 J 值下，不同温度T的斜率
M(T)/M(0)
k BT 2 2 N 0 J 2 g J B w
原点是不 稳定态。
不同温度下的M(T)值
α
直线和曲线的交点给出该温度下的自发磁化强度数值， 不同温度直线和同一 J 值BJ()曲线的交点给出该 J 值下 M(T)和温度关系。显然是一条随温度上升而逐渐下降、在居 里温度至零的曲线，和实验结果是一致的。
铁磁性物质在磁场中的行为，19世纪末就已经有了系统
研究和应用，它的强磁性起因早就成为科学界需要解决的问
题，1907 年法国科学家外斯（Weiss）提出了分子场和磁畴 的假说（见姜书 p 53-54），唯象地解释铁磁现象，尽管当 时还不知道引起自发磁化的分子场的具体来源，但在描述铁 磁体宏观行为上却获得了很大的成功，如今这两个假说都已
M S (T ) BJ ( ) M (0) M S (T ) Nk BT H M (0) w0 [ M (0)]2 wM (0)
MS(T)饱和磁化 强度 和（3.5）相比多一项
在相同温度下，表示H≠0的斜线和表示 H=0的斜线斜率相 同，在通常磁场强度下，只是沿纵坐标下移了一个小量。
E磁性物理的基础-磁畴与技术磁化
H d NI
N称为退磁因子。对于形状规则的样品，N由样品 的几何形状和大小来决定。对于一个椭球样品， 在直角坐标系中，磁化强度在三个轴方向上的分 量为Ix ,Iy ,Iz , 则退磁因子N为 Hdx=-NxIx ,Hdy=-NyIy ,Hdz=-NzIz Nx+Ny+Nz=1 ( 4 [ CGS ] ) ( 4/3 ) ( 2 ) ( 4 ) 对于球形样品：a=b=c , Nx=Ny=Nz=N0=1/3 对于长园柱样品：a≫b=c,Nx=0,Ny=Nz=1/2 对于极薄园盘样品：a≪b,c,Ny=Nz=0,Nx=1
二、磁畴的形成
在铁磁体中，交换作用使整个晶体自发磁化到饱和，磁化强度的方向沿着晶体 内的易磁化轴，这样就使铁磁晶体内交换能和磁晶各向异性能都达到极小值。但 因晶体有一定的大小与形状，整个晶体均匀磁化的结果，必然产生磁极，磁极的 退磁场，增加了退磁能(1/2)NIS2。 例如对一个单轴各向异性的钴单晶。( a )图是整个晶体均匀磁化，退磁场能 最大( 如果设Is103高斯，则退磁能106尔格/厘米3 )。从能量的覌点出发，分为 两个或四个平行反向的自发磁化的区域( b ),( C )可以大大减少退磁能。 如果分为n个区域(即n个磁畴)，能量约可减少 1/n，但是两个相邻的磁畴间的畴壁的存在，又增加 了一部分畴壁能。因此自发磁化区域(磁畴)的形成 不可能是无限的，而是畴壁能与退磁场能的和为极 小值为条件。 形成如图d，e的封闭畴将进一步降低退磁能，但 是封闭畴中的磁化强度方向垂直单轴各向异性方向， 因此将增加各向异性能。
U 2 JSi S j 2M B H m S j
j 1 j 1 z z
如果总共z个近邻值中有p个自旋值1/2，而q个自旋取值-1/2，则
技术磁化与反磁化
饱和磁化强度
MS是温度T的函数，低温下遵循Bloch定律：
T 32 M s M 0 [1 0.1187( ) ] TC
简单立方：2 体心立方：1 面心立方：1/2
M0称为绝对饱和磁化强度（T0K时，MS M0）
M0 n eff Nd 0B / A
M0、MS为内禀磁参量
技术磁化与反磁化
技术磁化与反磁化过程是以畴壁位移和磁矩转动这两种方式进行。
处于热退磁状态的大块铁磁体（多晶体）在外磁场中磁化， 当磁化场由零逐渐增加时，铁磁体的M或B也逐渐增加，该 过程称为技术磁化过程。 （I）区：可逆磁化过程（磁
该过程中B－H或M－H曲线 称为磁化曲线。
场减少到零时，M、B沿原 曲线减少到零），磁化曲线 是线性的，没有剩磁和磁滞。 以可逆壁移为主。 （II）区：不可逆，非线性， 有剩磁、磁滞，由许多的M、 B的跳跃性变化组成。 （III）区：磁化矢量的转动 过程。B点时，壁移消失， 为单畴体。但M与H的方向 不一致。再增加外场，磁矩 逐渐转动，趋于一致，至S 点达到技术饱和。
d 1 ( ) max M HC 2MS0 cos dx
单晶体畴壁位移决定的矫顽力主要取 决于两个因素：角（反向畴磁矩方向 与反磁化场方向的夹角）和畴壁能密 度梯度的最大值 d ( ) max 21 dx
反向畴体积与正向畴体 积相等时，M=0
角的影响： =0时， MHC最低， 随角的增大，MHC也逐渐增加。
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Mr：剩余磁化强度
剩磁
Br：剩余磁感应强度
图中为单轴各向异性无织构的 多晶体在各种磁化状态下的磁 矩角分布的二维矢量模型。
1 n M r MS Vi cos i V 1
V：样品总体积； Vi：第i个晶粒的体积； i：第i个晶粒的MS方向与 外磁场的夹角。
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i Hc
2 K1 HK 0 M s
s 0
i Hc
s 0 M s
内秉磁性： 只与晶体结构和化学成分有关，与微结构（晶粒大小、取向、杂质、缺陷、 应力）等无关 技术磁性： 不仅与晶体结构和化学成分有关，也与微结构（晶粒大小、取向、杂质、 缺陷、应力）等有关。
内秉磁性 交换常数A居里温度Tc 自发磁化强度
表观（技术）磁性
M s 饱和磁化强度
磁晶各向异性常数 磁晶各向异性场
剩余磁化强度 剩余磁感应强度 表观磁感应强度 FK 矫顽力
HA
Ms Mr Br Bb
i B
Hc Hc
初始磁导率 最大磁导率 最大磁能积 磁ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ伸缩系数
100 111
max
i
( BH )max
i
磁畴体积的变 化：畴壁位移
磁矩转动
顺磁磁化
技术磁化
磁中性
畴壁位移
磁畴转动
H
存在可逆和不 可逆过程
不存在不可逆 过程
可逆转动
H
不可逆转动
剩磁 矫顽力 磁能积
Mr iHc ( BH ) max
H m Lm H g Lg NI 0 H m Lm H g Lg Bm S m Bg S g H m Lm Bm S m H g Lg Bg S g Vm Bm H m Vg Bg H g Vg 0 H g 2 Vm ( BH ) max Vg 0 H g 2 Vm Vg 0 H g 2 ( BH ) max
四、技术磁化
M M s vi cos i
i
vi
第i个磁畴的体积
第i个磁畴的磁化矢量与磁场方向的夹角
i
忽略畴璧磁矩，求和在单位体积内进行
改变磁场时，磁化强度的变化 M
M [ M s cos i vi M s vi (cos i ) vi cos i M s ]
永磁磁路设计的主要任务是把 外部磁场能集中到所需要的空 间，同时使磁体处于最大磁能 积状态，从而把磁体体积减小 到最小。
~
畴壁位移
~
s 0
M s2 d
M s2
i Hc
s
Ms
应力 含杂 磁晶各向异性
应力
1 3
i Hc
2 3
M sd
磁畴转动
M s2 ~ K1 M s2 ~