铁磁性物质的基本特征是物质内部存在自发磁化与磁畴结.
铁磁材料及其磁化特性
磁畴合并
随着外磁场增强，相邻的磁畴会逐渐合并，形 成一个大的磁畴。
饱和磁场
使铁磁材料完全磁化所需的最低外磁场强度称为饱和磁场。
03
铁磁材料的磁化特性
磁导率与磁化率
磁导率
描述铁磁材料在磁场中的磁化程度，与材料的磁化率有关。
磁化率
表示材料被磁化的难易程度，其值越大，材料越容易被磁化。
磁滞回线与矫顽力
磁晶各向异性是指铁磁材料在磁化过 程中，其磁畴结构和磁化行为与晶体 结构相关，呈现出各向异性的特点。
不同晶体结构的铁磁材料具有不同的 磁晶各向异性，这决定了其磁畴结构、 磁化强度和磁化过程。了解和利用磁 晶各向异性是设计和优化铁磁材料性 能的关键。
应力与应变对磁化的影响
应力与应变对铁磁材料的磁化特性具有显著影响。当铁磁材料受到外力作用时，其内部应力分布发生 变化，进而影响原子间相互作用和电子云分布，导致磁畴结构和磁化强度的变化。
铁磁材料具有高磁导率、低矫顽 力和高磁能积等特性，使其在磁 场中表现出优异的磁性能。
种类与应用
种类
常见的铁磁材料包括铁、钴、镍及其 合金等。
应用
铁磁材料广泛应用于电力、电子、通 信、航空航天、医疗器械等领域，如 变压器、电机、发电机、磁性记录和 磁悬浮列车等。
历史与发展
历史
铁磁材料的发现和应用可以追溯到19世纪初，随着科技的发展，铁磁材料的性能不断得到优化和提升 。
磁畴的转动与磁化
磁化过程
当外加磁场作用于铁磁材料时，磁畴会逐渐转向外磁 场方向，从而实现磁化。
磁畴转动机制
磁畴转动是通过交换相互作用实现的，即相邻磁畴之 间原子磁矩的交换作用。
磁化速率
磁化速率取决于温度、外磁场强度和铁磁材料的性质。
2019-铁磁性材料的自发磁化理论和磁畴结构-文档资料
2014年4月25日
汇报内容
●物理学基础 ●自发磁化理论 ●磁畴结构
2
1.物理学基础
1.1基本磁学量
磁矩μm 微观量，矢量，μm=iS，磁偶极子磁性的强弱和方向。
磁化强度M 宏观量，矢量，M=Σμm/ΔV。
磁场强度H 描述空间内任意一点的磁场参量。
磁感应强度B 与介质有关，B=μ0（H+M） 磁化率χ χ=M/H，表征材料磁化难易程度。
1.物理学基础
1.3磁性起源
●原子的总角动量和总磁矩：
是电子的轨道角动量（磁矩）和自旋角动量（磁矩）以矢量叠加方式 合成的。
μl
?
L-S耦合 Z<=32
μs PL=Σpli PS=Σpsi
μJ PJ=PL+PS
铁磁物质大多采用 此种方式！
Z>=82 j-j耦合
pj=pl+ps
PJ=Σpj
8
2.自发磁化理论
χ<0
抗磁性
χ>0
顺磁性
（无磁矩 ）
弱磁性
χ>0 反铁磁性
χ》1
铁磁性
χ》1 亚铁磁性
（有磁矩 ）
Tn Tc 强磁性
4
1.物理学基础
1.3磁性起源
物质的磁性来源于原子的磁性；
原子的磁性来源于原子中电子及原子核的磁矩；
原子核磁矩很小，在我们所考虑的问题中可以忽
略。 电子轨道运动产
生电子轨道磁矩
原子的
A i*rijriirj * jrj e ri2j e ri2e r2 j d1 d2
rij：电子i与j间的距离； ri(rj)：i(j)电子与自己核间的距离。
名词解释
⑶ 铁磁性：Fe，Co，Ni，Gd，Tb 等 ⑷ 反铁磁性：过度族的盐类化合物 ⑸ 亚铁磁性：铁氧体（如 TbFe2 ， PrFe2） 3. 磁畴的分类及观察方法 分类：⑴磁通开放式：单轴磁晶各向异性磁体（片形畴，波纹畴，棋盘畴，蜂窝畴） ⑵磁通封闭式：多轴磁晶各向异性磁体（树枝畴，匕首畴） ⑶磁通旋转式：磁晶各向异性常数 K≈0 观察方法：⒈粉纹法 ⒉磁光克尔效应法 ⒊磁力显微镜法 ⒋X 射线衍射法 ⒌电镜法 4. 畴壁的分类 第一种：根据畴壁两侧磁畴的自发磁化强度方向之间的关系可将畴壁划分为 180°畴壁 和 90°畴壁 第二种：根据畴壁中磁的国度方式可将畴壁划分为布洛赫壁和奈尔壁 180°畴壁： 畴壁两侧磁畴的自发磁化强度的方向成 180°， 这样两刺手的畴壁称为 180° 畴壁。 90°畴壁：畴壁两侧磁畴的自发磁化方向不为 180°，而是 90°，109°或 71°等一律 称为 90°畴壁。 布洛赫壁：在铁磁材料中，大块晶体材料内的畴壁属于布洛赫壁，在布洛赫壁中，磁矩 的过度方式是始终保持平行畴壁平面，因而在畴壁面上无自由磁极出现，这 样就保证了畴壁不会产生退磁场，也能保持畴壁能量为极小，但是在晶体的 上下表面却会出现磁极。 奈尔壁:在极薄的磁性薄膜中，存在一种不同于布洛赫壁的畴壁模型，在这种畴壁中，磁 矩围绕薄膜平面的法线改变方向，并且是平行于薄膜表面而逐渐过渡的。 5. 铁磁材料的基本特征： ⒈ 铁磁性物质内存在按磁畴分布的自发磁化 ⒉ 铁磁性物质的磁化率很强 ⒊ 铁磁性物质的磁化强度与磁化磁场强度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是磁场强度的函数 ⒋ 铁磁性物质有一个磁性转变温度—居里温度，以 Tc 表示 ⒌ 铁磁性物质在磁化过程中，表现出磁晶各向异性，磁致伸缩和具有静磁能量现象 6．磁畴结构形成原因 铁磁体内有五种相互作用能:FH Fd Fex FK 根据热力学平衡原理， ，稳定的磁状态，其总自由能 必定极小，产生磁畴也就是 Ms 平衡分布要满足此条件的结果，若无 H 作用时，Ms 应分布 在由 Fd Fex FK，三者所决定的总自由能极小的方向，但由于铁磁体有一定的几何尺寸，Ms 的 一直均匀分布必将导致表面磁极的出现而产生 Hd ，从而使总能量增大，不再处于能量极小 的状态，因此必须降低 Fd ，故只有改变其 Ms 矢量分布方向，从而形成多磁畴，因此 Fd 最 小要求是形成磁畴的根本原因 6. 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。 技术磁化的过程可分为三个阶段：起始磁化阶段，急剧磁化阶段以及缓慢磁化并 趋于磁饱和阶段。 8．磁性起源
磁性材料 第5章 磁畴理论 2
一. 畴壁及畴壁分类
理论和实验都证明，在两个相邻磁畴之间原子层的自 旋取向由于交换作用的缘故，不可能发生突变，而是逐渐 的变化，从而形成一个有一定厚度的过渡层，称为畴壁。
按畴壁两边磁化矢量的夹角来分类，可以把畴壁分成 180壁和90壁两种类型。在具有单轴各向异性的理想晶体 中，只有180壁。在 K1＞0 的理想立方晶体中有180壁和 90壁两种类型。在 K1＜0 的理想立方晶体中除去180壁外， 还可能有109和71壁，实际晶体中，由于不均匀性，情况 要复杂得多，但理论上仍常以180和90壁为例进行讨论。
E 0 d
量更低，但此时必须考虑自发磁化引起的形变产生的磁弹性能的影响。
立方晶系封闭畴形式能量的计算：在立方晶系K＞0的情况下，应
力方向单位体积的磁弹性能是：
F
1 2
100
1 2
C2 100 11
样品表面单位面积下方柱体的总能量为：
E
E
Eml
L d
d 2
1 2
C 2 11 100
第五章 磁畴理论
铁磁性物质的基本特征是物质内部存在自发磁化与磁 畴结构。
1907年Weiss在分子场理论的假设中，最早提出磁畴的 假说；而磁畴结构的理论是Landon—Lifshits在1935年考虑 了静磁能的相互作用后而首先提出的。
磁畴理论已成为现代磁化理论的主要理论基础。
5.1 磁畴的起源
一、磁畴形成的根本原因 铁磁体内有五种相互作用能：FH、Fd、Fex、Fk、F 。
Bloch180壁的结 构：为保证自发 磁化强度在畴壁 法线方向的分量 连续，畴壁应取 如图方式。
Bloch180畴壁中原子层电子自旋方向的转变形式：
铁磁质的特性及应用
铁磁质的特性在磁场作用下能发生变化并能反过来影响磁场的媒质叫做磁介质。
磁介质在磁场作用下的变化叫做磁化。
铁磁质是一种性能特异、用途广泛的磁介质，铁、钻、镍及其许多合金以及含铁的氧化物(铁氧体)都属于铁磁质。
铁磁质的主要特点有三个方面:高导磁率;非线性;磁滞。
高磁导率是铁磁质应用特别广泛的主要原因。
从铁磁质的性能和使用方面来说，它主要按矫顽力的大小分为软磁材料和硬磁材料两大类:矫顽力很小的叫做软磁材料，矫顽力很大的叫做硬磁材料，矫顽力小就意味着磁滞回线狭长，它所包围的“面积”小，从而在交变磁场中的磁滞损耗小;矫顽力大说明磁质回线接近矩形，它所包围的“面积”大，从而在交变磁场中的磁滞损耗大。
对于铁磁材料的磁滞损耗可以计算出来，当磁场强度变化完整的一周期时，每立方米的总能量损失是由磁滞回线的面积来代表的，每个周期的这种能量损失可更具体地用数学表示为：从上式可看出，磁滞回线的面积越大，磁滞损耗越大。
铁磁性，是指一种材料的磁性状态，具有自发性的磁化现象的性质。
什么是自发性的磁化现象?简单的说，对于某种材料而言，他们受到外界磁场的影响而被磁化，然而当外部磁场取消之后却依然能够保持这种磁性，那么我们就说，这种材料具有自发性的产化现象，也就是具有铁磁性了’这样说来，就可以很容易地把永久磁铁和这种性质相联系吧?是的，永久磁铁都具有铁磁性或亚铁磁性。
在磁场的作用下能发生变化并能反过来影响磁场的媒介叫做磁介质。
磁介质在磁场作用下的变化叫做磁化。
铁磁质是一种性能特异、‘用途广泛的磁介质，铁、钻、镍及其许多合金、稀上族金属(在低温下)以及含铁的氧化物(如Cr0 2)等铁介质都属于铁磁质.磁场对磁场中的物质的作用称为磁化，在磁场中影响原磁场的物质称为磁介质。
磁化后介质内部的磁场与附加磁场和外磁场的关系为(B是总磁感强度，Bo 是外加磁感强度，B'是附加磁感强度):（1）顺磁质的磁化顺磁体的特征是组成这些物质的原子具有恒定的与外磁场无关的磁矩，在无外加磁场(H =0)时，由于热运动的扰乱作用，这些恒定的原子磁矩没有特定的取向，只有引入和加大磁场时，磁化强度才开始产生并逐渐增长。
铁磁性的原理与应用
铁磁性的原理与应用一、背景介绍铁磁性是物质在外磁场作用下表现出来的一种特性，其中铁磁性最为显著。
铁磁性是指物质在外磁场作用下可以产生自发磁化的现象，即通过调整自身内部的磁矩方向来与外磁场相互作用，从而形成一个新的磁性样貌。
铁磁性的原理和应用十分广泛，本文将从原理和应用两个方面进行介绍。
二、铁磁性的原理铁磁性的原理主要涉及到以下几个方面：1.原子磁矩：铁磁性物质由许多微小的磁性原子组成，每个原子都有一个自旋和轨道磁矩。
这些磁矩相互作用形成自发磁化。
2.磁畴：铁磁性物质内部的磁性原子聚集在一起形成磁畴，每个磁畴都有一个统一的磁矩方向。
在无外磁场作用下，磁畴的磁矩方向是随机的，呈无序状态。
而在外磁场作用下，磁畴的磁矩方向趋于统一，形成有序的磁性样貌。
3.居里温度：铁磁性物质中的自旋和轨道磁矩在一定温度下可以被热引起的热运动破坏，从而磁矩的方向变得随机。
这个临界温度称为居里温度，超过居里温度后，铁磁性物质不再呈现铁磁性。
三、铁磁性的应用铁磁性在许多领域有广泛的应用，下面列举了几个主要的应用领域：1.磁存储器：铁磁性材料的磁畴结构可以被外磁场重新调整，这使得它们在信息存储领域起到了重要的作用。
铁磁性材料被广泛应用于硬盘驱动器、磁带、闪存等存储设备。
2.电动机和发电机：铁磁性材料可以产生强大的磁场，因此在电动机和发电机的制造过程中广泛使用。
铁磁性材料的磁场可以与电流相互作用，从而产生转矩和电能转换。
3.传感器：铁磁性材料的磁性特性使其在传感器领域有重要的应用。
例如，磁传感器可以基于铁磁性材料的磁场变化来检测位置、速度和方向等参数。
4.磁制冷：铁磁性材料在外磁场作用下可以通过磁热效应实现制冷。
这种磁制冷技术被广泛应用于低温制冷、航空航天等领域。
5.磁力催化剂：铁磁性材料在有机合成反应中可以作为磁力分离催化剂使用。
通过磁力分离可以简化分离和回收的过程，提高反应效率。
四、总结铁磁性作为一种特殊的磁性现象，其原理和应用都具有重要的意义。
4第三章：自发磁化理论讲解
3-2 外斯分子场理论
一、两个假设 1. 磁畴假设 2. 分子场假设
估算分子场的强度：铁的原子磁矩为 2.2B=2.2×1.17×10-29，居里温度为103度，而热运 动能kT=1.38×10-23×103。假定这个作用等同一个磁 场的作用，设为Hmf，那么
2.2 B×Hmf kT
Hm109Am-1(107Oe)
磁性物理学 第三章：自发磁化理论
2024年7月15日
本章学习要点
1. 掌握铁磁性物质的基本特征; 2. 掌握分子场理论，定域分子场理
论的内容及其应用； 3. 了解交换作用的机制，了解描述
自发磁化的其他理论模型； 4. 掌握铁磁体的自发磁化强度的温
度特性。
3-1 铁磁性物质的基本特征
一、磁有序概念
B 1000 T
二、朗之万顺磁性理论和布里渊修正 1、顺磁性居里定律
顺磁性物质的原子或离子具有一定的磁矩，这些原子磁
矩耒源于未满的电子壳层(例如过渡族元素的3d壳层)。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。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 105102。
a
2J
)
N0 gJ B BJ (a )
BJ(a)称为布里渊函数。
4、讨论
1. 弱场，高温条件下： a= 0 ZH/kT«1, BJ(a )可展开为
取上式第一项
M
N
0
gJ
B
J 3J
1a
N0
g
2 J (J
3kT
1)B2
H
0 Ng 2 J (J
铁磁性的物理本质_杨全民
先解释 的 是罗 津格 和 外斯 。 这就 是外 斯“ 分 子 场” 和 磁畴 假 说 。“分子场” 理论是解释自发磁化的经典理论 。
1.1 两个实验定律
1.1 .1 居里(Curie)定律 在顺磁性物 质 中 , 原 子或 分 子都 具 有稳 定 的 固有 磁 矩 。
也就是说 , 这些 原子 、离子和分子的 电子壳层中 具有奇数 个电
分子场理论从顺 磁理 论出发 , 引 入了“ 分 子场” 这样 一个 有效场概念 , 比 较成功地解释了自发磁 化与温度的 关系 、居里 点的原因 、高温 顺磁磁化率等特性 , 成功地从定 性的角度 上解 释了一些重要的基本磁性现象 。 这 一理论的物 理学图像 直观 清晰 , 方法简洁 , 至今仍是许多理 论的基础 。 然 而由于分 子场 理论把原子磁矩的微观的十分复 杂的作用利 用一种有效 场来 代替 , 忽略了许 多重要的细节 , 所以 分子场理论 还是十分 初步 的 。 量子力学建立后 , 人 们利 用量子 力学 研究 了自 发磁 化的 原因 , 认识到分 子场的 本质 是原子 中电 子及相 邻原 子之 间电 子的静电交换作用 。 从此 , 量子 理论在说 明自发磁 化时 , 提出 了不同的交换作用 模型 , 对 研究铁 磁性 问题起 到了 十分 积极 的作用 。 弗兰克尔和海森伯先后最 早独立地提 出了交换 作用 模型 , 由于海森 伯对铁磁性自发磁化作 出了较细致 的研究 , 通 常称其为海森伯交换模型 。 由海森 伯交换模型 所得的定 性结 果可以解释铁磁性产生自发磁化的原因 。
还能求得自发磁化消失时的温度和 居里 ——— 外斯定 律 。这些
理论结果都与实 验符合得很 好 。这就是“ 分子 场” 理论的 成功
所在 。“ 分子场” 理论的缺陷主 要是没有 说明“ 分子场” 的 本质
铁磁材料的特性
铁磁材料的特性铁磁材料是一类在外加磁场作用下表现出强磁性的材料。
它们具有许多独特的特性，这些特性使得它们在许多工业和科学应用中发挥着重要作用。
本文将深入探讨铁磁材料的特性，包括磁化、磁滞回线、饱和磁化强度、磁导率等方面。
首先，铁磁材料的一个重要特性是磁化。
当外加磁场作用于铁磁材料时，材料内部的微观磁矩会发生重新排列，从而导致材料整体上出现磁化。
这种磁化是可逆的，即在去除外加磁场后，材料会恢复到无磁化状态。
这种特性使得铁磁材料可以用于制造磁铁和电磁设备。
其次，铁磁材料还表现出磁滞回线。
在外加磁场的作用下，铁磁材料的磁化不是完全线性的，而是存在一定的滞后效应。
这意味着在去除外加磁场后，材料的磁化并不会立即消失，而是会留下一定的残留磁化。
这种特性对于制造电感器和磁记录材料非常重要。
另外，铁磁材料的饱和磁化强度也是其重要特性之一。
在外加磁场的作用下，铁磁材料的磁化会随着磁场的增加而增加，但当磁场达到一定强度时，材料的磁化将不再增加，达到饱和状态。
这种特性对于制造磁性材料和磁存储器件具有重要意义。
此外，铁磁材料的磁导率也是其重要特性之一。
磁导率是衡量材料对磁场的响应能力的物理量，它描述了材料中磁感应强度和磁场强度之间的关系。
铁磁材料通常具有较高的磁导率，这使得它们在电磁设备和变压器等领域得到广泛应用。
总之，铁磁材料具有许多独特的特性，这些特性使得它们在许多领域都发挥着重要作用。
通过对铁磁材料特性的深入了解，人们可以更好地利用这些材料，从而推动科学技术的发展。
希望本文能够帮助读者更好地理解铁磁材料的特性，并进一步推动相关领域的研究和应用。
有关磁的概念
有关磁的概念磁，是指具有磁性的物质或物体所表现出的特性和现象。
磁性是物质的一种固有属性，它是由于物质内部存在磁性微区域（即磁畴）并且这些磁畴的磁矩方向具有相对的规则排列而产生的。
磁性主要分为铁磁、顺磁和抗磁三类。
首先，我们来介绍一下铁磁物质。
铁磁物质是指具有自发磁化并能持续保持较强磁性的物质。
常见的铁磁物质有铁、镍、钴等。
这些物质在外磁场作用下会自发形成磁畴，并且这些磁畴的磁矩方向在整个物体中具有相对一致的排列。
当外磁场消失时，这些磁畴并不会立即消失，而是会保持一部分磁性，形成物体的剩磁。
铁磁物质具有较强的磁性，可以被用于制造磁体、电机、传感器等。
顺磁物质是指在外磁场作用下形成磁畴，但是磁畴的磁矩方向是相互随机的，没有整体的排列现象。
顺磁物质受热时，由于热运动引起的磁畴翻转和短路，导致磁畴的平均磁矩为零，因此顺磁物质在无外磁场时没有自发磁化，只有在外磁场作用下才会出现尾磁。
常见的顺磁物质有铁矿石、铁氧体等。
顺磁物质的磁性较弱，常用于制造磁制冷、磁存储器等。
抗磁物质是指在外磁场作用下，形成磁畴并且这些磁畴的磁矩方向与外磁场相反，导致整个物体的总磁矩减弱，甚至消失。
常见的抗磁物质有铬、铜等。
抗磁物质的磁性非常弱，只有极强磁场作用下才能显现出微弱的磁性。
磁性是由物质内部的电子自旋和轨道运动产生的。
在原子或离子中，电子具有自旋磁矩和轨道磁矩。
自旋磁矩和轨道磁矩由于量子力学的叠加作用而形成原子磁矩，而原子磁矩又进一步叠加形成物质磁矩。
当物质内部的磁矩排列有序时，就会出现宏观的磁性。
物质的磁性还与温度有关。
一般情况下，高温下磁性较弱，低温下磁性较强。
由于高温下，热运动较为剧烈，会导致磁畴的不规则翻转和短路，从而减弱物质的整体磁性。
低温下，热运动减弱，磁畴的排列更加有序，进一步增强了物质的磁性。
磁性不仅存在于物质中，还可以通过电流产生磁场。
根据奥斯特定律，当电流通过导线时，会形成一个磁场。
这个现象被称为电磁感应。
磁性物理学(第三章讲稿)
sh 1
1 2
x
x
2
J
而
m emJx J
mJ J
d dx
J
e m J x
mJ J
d dx
sh
J
sh 1 2
1 2
x
x
J
1 2
ch
J
1 2
x
sh
1 2
x
1 2
sh
J
1 2
x
ch(
1 2
x )
sh 2 1 x
2
J
0
M 0
B J '
Nk B T
M
2 0
'
H M
0
当 T T c时，若 H 0，则无非零解，若要有 则需加 H 。而 T T c时， ' 1, 又 H 0
此时， M J 1 ' M 0 3J
M
M
0
J 1' 3J
NJg
JB
J 1' 3J
又 ' gJJB(H M ) k BT
sh x
ex
ex 2
, ch x
ex
ex 2
, th x
ex ex
ex ex
, cth x
ex ex
ex ex
考虑到
F k B T ln Z ( H )与 M
F H T ,P H T ,P
ln
Z(H
)
N
ln
4
k
J
BT H
sh
JH k BT
ln
Z(H
四、M0与Ms的区别： a、饱和磁化强度M0：原子磁矩在H作用
第五章 磁畴理论.
N N N N Ms S S S S
情况2：自发磁化形成简单的片状磁畴 此时，材料表面也出现磁极，内部也有Fd，同时，由于 畴壁能的存在，需要考虑二者的共同作用。
Ed 1.7 107 M s2 D L Ew w D
N L
S
N S
N
S N S N S w 为单位面积的畴壁能 （畴壁能量密度） L 7 2 E Ed Ew 1.7 10 M s D w D E 由 0得： D L 7 2 1.7 10 M s w 2 0 D
2
A1
AS 2
a
对简单立方： 1
在畴壁两边，即z→±∞处，磁矩在易磁化方向，Fk＝0， 由两边进入畴壁，θ逐渐改变， Fk 逐渐增加。 单轴各向异性的晶体，进到z＝0处，Ms⊥易磁化方向， Fk 最大。 立方晶体，在畴壁中点(z＝0)处， Ms∥易磁化方向， Fk＝0 所以，立方晶体的Fk在畴壁的两边为零，进入畴壁后逐 渐增大到最大值，再进入又减小，在z＝0处又减到零。 可见， Fk是θ的函数。 ∴单位面积畴壁中的磁晶各向异性能为：
可把θ 接近π/2处视为边界。 300 0 -300
-900
AK
1
1
-3
-1 0 1
3 z
若将z 0处的磁矩转向的斜率近 似看成整个畴壁厚度的 磁矩旋转斜率，即： 1 dz 而 d z 0 2
dz d z 0 A1 sec 2 4 K u1 tg 2 4 0
但是形成磁畴后,将引起Fex与Fk的增加（即畴壁能）。 因此，磁畴数目的多少及尺寸的大小完全取决于Fd与 畴壁能的平衡条件。 二、从片状磁畴说明磁畴分成小区域的原因 设想一面积较大的磁体： 情况1：自发磁化后不分畴，全部磁矩向一个方向
物质的铁磁性与顺磁性
物质的铁磁性与顺磁性铁磁性和顺磁性是物质中常见的磁性现象，它们在日常生活和科学研究中发挥着重要作用。
本文将详细介绍物质的铁磁性和顺磁性以及它们的特点、应用和研究现状。
一、铁磁性铁磁性是指某些物质在外加磁场下表现出的磁性，其特点是在低温下具有强磁性。
铁磁性的物质通常由铁、镍、钴等过渡金属元素构成，其晶体结构对于磁性的表现起着关键作用。
铁磁性物质在外加磁场作用下，所有的微观磁矩会呈现出同样的取向，使得整个物质表现出较强的磁性。
铁磁性物质的磁矩可以随着外磁场的改变而改变，呈现出明显的磁滞回线现象。
同时，铁磁性物质还具有自发磁化的特性，即在无外磁场作用下，铁磁性物质仍然可以表现出一定的磁性。
铁磁性的应用十分广泛。
例如，铁磁性材料被广泛应用于电动机、发电机以及变压器等电磁设备中，用来增强磁场和提高传输效率。
此外，铁磁性材料还可以用作制作存储介质的磁性头部和磁盘等。
二、顺磁性顺磁性是指物质在外加磁场下表现出的磁性，它与铁磁性相比，顺磁性较弱且易受外磁场影响。
顺磁性的物质通常包括氧化物、氟化物以及稀土金属等。
顺磁性物质在外磁场作用下，各个微观磁矩的取向并不完全一致，而是与外磁场的方向有一定的夹角。
因此，顺磁性物质的磁矩并不是完全自发形成的，而是在外磁场作用下呈现出的磁性。
顺磁性物质的应用也十分广泛。
比如在医学中，顺磁性材料可以用于磁共振成像（MRI）等诊断技术中，通过外加磁场将顺磁性材料引入人体，以获取有关人体内部结构和功能的信息。
此外，顺磁性材料还可以用于磁性流体的制备和磁性分离等领域。
三、铁磁性与顺磁性的研究现状对于铁磁性和顺磁性的研究一直是材料科学领域的热点之一。
在理论研究方面，研究人员通过量子力学、固体物理学等多个学科的交叉研究，深入探索了铁磁性和顺磁性物质的微观机制和性质。
在实验研究方面，随着科技的不断进步，研究人员能够使用更先进的实验手段来研究铁磁性和顺磁性。
例如，透射电子显微镜（TEM）和扫描隧道显微镜（STM）等仪器的发展，使得研究人员可以对铁磁性和顺磁性物质的微观结构和磁性进行更加精确的观测和探究。
磁性材料 第5章 磁畴理论 2
二. 单轴各向异性晶体的磁畴结构
一个单轴各向异性晶体自 发磁化后可能的磁畴结构如右 图所示。晶体沿易磁化方向均 匀磁化后退磁能很大，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可 以大大减少退磁能，但是两个 相邻的磁畴间畴壁的存在又增 加了一部分畴壁能。因此自发 磁化区域(磁畴)的形成不可能 是无限多的，而是以畴壁能与 退磁场能之和的极小值为平衡 条件。 易磁化方向
2
-2
封闭畴可能
而不分畴时的退磁能：比上面大近10倍。
Ed
0
2
NM L
2 S
0
2
2 MS L 12.8 103 J m 2
见铁磁学（中）p122
以及两种有利于降低退磁场能的表面磁畴结构： 波纹结构 和片形－楔形畴都出现在片形主畴的端面上。
具有波纹畴 壁的示意图
花纹加圆形的楔形畴
钡铁氧体上观 察到的磁畴： a:片形畴 b c 波纹畴 d 波纹+楔形
见铁磁学（中）p125
Co晶体平行于六角轴的片 形畴（上图）
下右图为垂直于六角轴的 雪花形表面畴：也称片形 －楔形畴，其结构见下图
以BaFe12O19为例说明：
K1 3.3 105 J m 3 , M S 3.8 105 A m 1
片状畴结构
封闭畴结构
E 3 102 L E 8 102 L
结论：一般，单轴 晶体形成片状畴。 片形畴宽度在几十 微米量级
3 2 2 取： 1.7 10 J m , L 10 m
Bloch180畴壁中原子层电子自旋方向的转变形式：
该表与姜书p249表4－7相同，但已经换算为SI单位制
J﹒m-3
磁性物理铁磁与顺磁
磁性物理铁磁与顺磁磁性是物质的一种特性，它可以分为多种类型，其中最常见的是铁磁和顺磁。
铁磁和顺磁在磁性行为上有着明显的差异，本文将对这两种磁性进行详细介绍。
一、铁磁铁磁是指在外磁场作用下，物质会表现出强烈的磁性行为。
铁磁物质的磁矩会在外磁场的作用下，与外磁场方向一致，从而形成一个强大的磁场。
铁磁物质的磁矩在无外磁场作用下，也会自发地形成一个磁场，这就是铁磁物质的自发磁化。
铁磁物质的自发磁化是由于其内部存在着强烈的磁畴。
磁畴是由大量的原子磁矩按照一定的排列方式组成的，每个磁畴的磁矩方向基本一致。
在无外磁场作用下，磁畴的磁矩方向是随机的，导致整个物质的磁矩总和为零，不表现出磁性。
但是当外磁场作用于铁磁物质时，磁畴的磁矩会逐渐与外磁场方向一致，从而形成一个大的磁矩，使得物质表现出强烈的磁性。
铁磁物质的磁化强度与外磁场的强度成正比，而且在外磁场消失后，铁磁物质仍然保持一定的磁化强度，这就是铁磁物质的剩余磁化。
铁磁物质的剩余磁化使得它具有记忆性，可以用于制造磁存储器等设备。
二、顺磁顺磁是指在外磁场作用下，物质会表现出较弱的磁性行为。
顺磁物质的磁矩会在外磁场的作用下，与外磁场方向相互平行或反平行，但是磁矩的强度较弱。
顺磁物质的磁矩在无外磁场作用下，不会自发地形成一个磁场。
顺磁物质的磁化强度与外磁场的强度成正比，但是在外磁场消失后，顺磁物质的磁化强度会迅速减弱，最终恢复到无磁化状态。
顺磁物质没有剩余磁化，不具备记忆性。
顺磁物质的磁性主要来源于其原子或离子的未成对电子。
未成对电子具有自旋，自旋会产生磁矩。
在外磁场作用下，未成对电子的磁矩会与外磁场方向相互平行或反平行，从而形成一个较弱的磁矩。
三、铁磁与顺磁的比较1. 磁化强度：铁磁物质的磁化强度较大，顺磁物质的磁化强度较弱。
2. 自发磁化：铁磁物质在无外磁场作用下会自发地形成一个磁场，而顺磁物质不会自发磁化。
3. 剩余磁化：铁磁物质具有剩余磁化，顺磁物质没有剩余磁化。
铁磁质的三个主要特征
铁磁质的三个主要特征铁磁质的三个主要特征铁磁质是一类可以被磁化的材料，具有独特的物理性质。
在应用中，铁磁质被广泛用于制造电机、变压器、电感器等电子元件。
本文将介绍铁磁质的三个主要特征。
一、饱和磁化强度高饱和磁化强度是指在外加磁场作用下，材料内部所有原子的磁矩都朝着同一个方向排列时，材料所达到的最大自发磁化强度。
对于铁磁质而言，其饱和磁化强度通常较高。
这是因为铁磁质中的原子具有较大的自旋角动量，并且原子之间存在着相互作用，使得其自发地形成了一个较为稳定的自旋排列结构。
以钕铁硼永磁材料为例，其饱和极化强度可达到1.5T以上，比一般钢材高出数倍。
这种高饱和极化强度使得永磁材料可以产生较强的吸附力和稳定的磁场，广泛应用于电机、发电机、磁盘驱动器等领域。
二、磁滞回线宽磁滞回线是指在外加磁场作用下，材料内部的自发磁化强度随着外加磁场的变化而发生变化的过程。
对于铁磁质而言，其磁滞回线通常比较宽。
这是因为铁磁质中的原子具有一定的自旋角动量，并且原子之间存在着相互作用，使得其自发地形成了一个较为稳定的自旋排列结构。
以硅钢片为例，其具有较宽的磁滞回线。
这种特性使得硅钢片可以有效地降低铜损和铁损，提高电机和变压器的效率。
三、易受外界干扰铁磁质具有较高的自发磁化强度和较宽的磁滞回线，这使得其容易受到外界干扰。
当外界电场或温度变化时，会导致铁磁质内部原子之间相互作用力发生变化，从而影响材料内部自发形成的自旋排列结构，进而影响材料的磁性质。
为了减小外界干扰对铁磁质的影响，通常采用一些技术手段进行抗干扰处理。
例如，在电机和变压器中，可以采用屏蔽罩和绝缘材料来隔离外界电场和温度变化；在磁盘驱动器中，可以采用磁盘表面上的氧化层来减小外界磁场对数据的影响。
总结铁磁质具有高饱和极化强度、宽磁滞回线和易受外界干扰等特点。
这些特性使得铁磁质在电子元件制造中具有重要应用价值。
但同时也需要注意其易受外界干扰的问题，在实际应用中进行相应的抗干扰处理。
磁学中的自发磁化与铁磁材料
磁学中的自发磁化与铁磁材料磁学是一个研究物质中磁场和磁性的学科。
在磁学中，自发磁化是一个重要的现象，特别是在铁磁材料中。
在本文中，我们将讨论自发磁化的原理及其在铁磁材料中的应用。
自发磁化是指在没有外界磁场作用下，物质自身产生磁化强度的现象。
在铁磁材料中，自发磁化是由于材料中存在的微观磁畴的磁矩在相互作用下的重新排列而形成的。
磁畴是指一种在铁磁材料中存在的微观区域，这些区域内的磁矩之间呈现一定的有序排列。
通过自发磁化，这些磁畴的磁矩可以朝着同一方向排列，形成强大的自发磁化强度。
铁磁材料中自发磁化可以通过所谓的居里温度来控制。
居里温度是指铁磁材料在这一温度以下时表现出自发磁化行为的临界点。
在居里温度以下，铁磁材料的微观磁畴开始重新排列并形成自发磁化。
而在居里温度以上，铁磁材料则表现为顺磁性，即在外界磁场下磁矩将朝着磁场方向排列。
自发磁化在铁磁材料中有广泛的应用。
其中一个典型的应用是在磁存储器中。
磁存储器是一种可以存储和读取信息的装置，其中的基本单位是由微小的磁畴组成的。
通过调控这些微小磁畴的自发磁化，可以实现信息的写入和读取。
例如，在硬盘驱动器中，磁性涂层上的磁畴通过自发磁化来存储数据。
当外界磁场与硬盘驱动器中的磁畴相互作用时，磁畴的自发磁化方向会发生改变，从而记录下相应的数据。
此外，自发磁化还在磁性传感器领域具有重要应用。
磁性传感器是一种可以感测和测量磁场的装置。
通过利用铁磁材料中的自发磁化现象，可以实现对磁场的精确测量。
磁共振成像( Magnetic Resonance Imaging，MRI)就是一种常见的利用自发磁化原理的医学成像技术。
在MRI扫描中，人体被置于一个巨大的磁场中，而铁磁材料中的自发磁化则被用来产生图像。
通过测量不同部位磁畴的变化，可以得到人体的内部结构信息。
除了在磁存储器和磁性传感器中的应用，自发磁化还在其他领域中发挥着重要作用。
例如，在储能装置中，可以利用铁磁材料的自发磁化来实现能量的存储和释放。
第3铁磁体的基本特性
磁畴
磁畴
铁磁性材料所以能使磁化强度显著增大，
在于其中存在着磁畴（Domain）结构 在未受到磁场作用时，磁畴方向是无规的， 因而在整体上净磁化强度为零 每个磁矩方向一致的区域就称为一个磁畴。
不同的磁畴方向不同，两磁畴间的区域就
称为磁畴壁 。
MFM: NG-HD
表面形貌图
Topography
5. 磁晶各向异性的机理：
产生磁晶各向异性的来源比较复杂，一直在研究之中。
目前普遍认为和自旋-轨道耦合与晶场效应有关。经过多 年研究，局域电子的磁晶各向异性理论已经趋于成熟，目 前有两种模型：单离子模型和双离子模型。主要适合于解 释铁氧体和稀土金属的磁晶各向异性。而以能带论为基础 用于解释过渡族金属的巡游电子磁晶各向异性理论进展迟 缓，尚不完备。（见姜书P221-228） 下面介绍 Kittel 的一种简明解释：由于自旋-轨道耦合 作用使非球对称的电子云分布随自旋取向而变化，因而导 致了波函数的交迭程度不同，产生了各向异性的交换作用， 使其在晶体的不同方向上能量不同。
在外磁场下将磁性材料进行加热或退火，即可获得磁场退火效应。对 Fe-Ni合金可以覌察到这种效应。曲线A和C是经过磁场退火处理，A是平 行于磁场方向的磁化曲线，C是垂直方向磁化曲线，B是没有经过磁场热 处理的磁化曲线。从曲线C的平均磁化率，估计感生的单轴各向异性常数 为 1x102Jm-3 。 在Fe-Ni合金系中，富镍相(21.5wt％Fe)有高导磁率，称坡莫合金。 磁场退火行为很特殊，即只有高温下淬火，才能得到高磁导率。 解释其机理： ( 1 )超晶格的形成，即有序相的产生。有序-无序转变温度大约4900C
2.2MBxHmkT
Hm109Am-1(107Oe)
铁磁质的性质_铁磁质的磁化规律_铁磁质的磁化机制_铁磁质的分类
铁磁质的性质_铁磁质的磁化规律_铁磁质的磁化机制_铁磁质的分类————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：铁磁质的性质_铁磁质的磁化规律_铁磁质的磁化机制_铁磁质的分类一、铁磁质的性质：铁磁质的最主要特性是磁导率非常高，在同样的磁场强度下，与真空或弱磁材料相比，铁磁质中磁感强度大几百倍甚至几万倍。
铁磁质还具有一些不同于弱磁材料的特性：铁磁质的磁感强度B与磁场强度H的关系是非线性关系，铁磁质的磁导率不是恒量，会随磁场强度H的改变而变化,而且铁磁质的磁化过程是不可逆的,具有磁滞现象,一般用磁滞回线来描述。
二.铁磁质的磁化规律：用待测的铁磁质为芯制成螺线环，当线圈中通以电流I时，环内的磁场强度H =nI ，通过测量电流I，就知道了铁磁芯磁化的磁场强度H 。
在螺线环的铁芯上切开一个小开口，因磁感应强度的法向分量在切口和铁芯中连续，故用小线圈在开口处测量的B就是环路中的磁感应强度。
根据:，可以测出磁化率。
因铁磁质的B～H 的关系不是线性的，故铁磁质的不是常数，它是随H的变化而变的。
磁化曲线表示磁场强度H 和磁感应强度B 的关系。
实验开始时I = 0，未经磁化的铁芯中H = 0，B = 0，这一状态相当于B～H 图上的原点O，逐渐增大线圈中的电流I ，相应地H = nI 按比例增大，开始时(即oa段) B 增加较慢，接着(即ab段) B 很快增加，但过了b点后，B 增加减慢，过了c点，再增加H ,B几乎不再增加，这时铁芯磁化达到饱和。
从O到达饱和状态c这一段B～H曲线称为磁芯的起始磁化曲线。
当外加磁场由强逐步减弱至H =0时，铁磁质中的B不为零，而是B =Br ，Br称为剩余磁感应强度，简称剩磁。
要消除剩磁，使铁磁质中的B恢复为零，需要加上反向磁场强度Hc，Hc称为矫顽力。
若使反向电流继续增加，以增加反向磁场强度H，磁化达到反向的饱和状态f点。
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情况2：自发磁化形成简单的片状磁畴 此时，材料表面也出现磁极，内部也有Fd，同时，由于
畴壁能的存在，需要考虑二者的共同作用。
Ed
1.7
107
M
2 s
D
Ew
w
L D
NSNSN L
w 为单位面积的畴壁能
SNSNS
（畴壁能量密度）
E
Ed
Ew
1.7
107
M
2 s
D
w
畴壁两侧表面会出现磁极而产生退磁场，只有当奈尔
壁厚度 >>薄膜厚度L时，Fd较小。故奈尔壁稳定程度与
薄膜厚度有关。
三、Bloch壁的结构特性（又称Bloch壁的取向定则） 1、畴壁取向定则
相邻两磁畴中自发磁化矢量在畴壁法线方向投影分
量相等。 以900畴壁为例：
(1)、当900畴壁位于AB取向时
几何尺寸，Ms的一致均匀分布必将导致表面磁极的出现 而产生Hd，从而使总能量增大，不再处于能量极小的状态。 因此必须降低Fd。故只有改变其Ms矢量分布方向，从而 形成多磁畴。因此Fd最小要求是形成磁畴的根本原因。如 图
分成n个磁畴后，Fd→(1/n)Fd
但是形成磁畴后,将引起Fex与Fk的增加（即畴壁能）。 因此，磁畴数目的多少及尺寸的大小完全取决于Fd与 畴壁能的平衡条件。 二、从片状磁畴说明磁畴分成小区域的原因 设想一面积较大的磁体： 情况1：自发磁化后不分畴，全部磁矩向一个方向
将产生退磁场，且Fd也很大。 所以，畴壁取向在AB位置时，其取向最稳定。 畴壁取向：
1800畴壁：取向平行于畴中磁化矢量的任一平面。 900 畴 壁：法线在相邻两畴的Ms夹角的平分面上的任一
平面。
2、畴壁内磁矩取向定则：
畴壁中原子磁矩在畴壁内过 渡时，始终保持与畴壁法线方向 夹角不变。
Z轴与畴壁法线n一致，XOY 平面为畴壁面。这样，畴壁内部 的每一个原子的磁化矢量Ms的取 向分布只与Z轴方向上的距离变化
L D
由 E 0得： D
1.7
107
M
2 s
w
L D2
0
104 D
Ms 对F e :
wL
17
Em in
2M s
17 wL 104
w 1.59103 J/m2
D 5.7 106 m
Emin 5.6J/m2
对于上述二情形，其能量之比为：
如图：设L 102 m
Fd
1 2
0
NM
2 s
1 2
0M
2 s
对于Fe : M s 1.71106 A / m
NN N N
Fd 1.8106 J / m3
L
所以，单位面积下退磁场能：
Ms SS SS
Ed Fd （L 1） Fd L 1.8104 J / m2
因。
三、决定磁畴结构的因素
除Fd外 1、磁各向异性
实际铁磁体中磁矩方向不能任意选取。（综合考虑Fex、 Fk ） 2、磁致伸缩，即考虑 F 。
第二节 畴壁结构
一、畴壁的形成 畴壁是相邻两磁畴间磁矩按一定规律逐渐改变方
向的过渡层。 畴壁有一定的厚度。
二、畴壁类型 1、按畴壁两侧磁矩方向的差别分：90度、180度畴壁。
第五节 单畴颗粒
磁畴理论已成为现代磁化理
习题五
论的主要理论基础。
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第一节 磁畴的起源
一、磁畴形成的根本原因 铁磁体内有五种相互作用能：FH、Fd、Fex、Fk、F 。
根据热力学平衡原理，稳定的磁状态，其总自由能必定 极小。产生磁畴也就是Ms平衡分布要满足此条件的结果。
所决若定无的H总与自由 能作极用小时的，方M向s应，分但布由在于由铁Fd磁、体Fe有x、一F定k三的者
a、磁体中每一个易磁化轴上有两个相反的易磁化方向， 若相邻二磁畴的磁化方向恰好相反，则其之间的畴壁即 为180度畴壁。 b、立方晶体中
K1>0，易磁化方向相互垂直，相邻磁畴的磁化方向可 能 也是“垂直”的，——90度畴壁。
K1<0，易磁化方向在<111>方向，两个这样的方向相 交109度或71度，此时，两个相邻磁畴的方向可能相差 109度或71度（与90度相差不远），这样的畴壁也称90度 畴壁。
M si n M sk n 0
AB表面上的磁荷密度：
A A’
i
nk
Ms
B B’
0 M si n M sk n
Ms
0 M si M sk n 0
畴壁表面不会出现磁荷，也不会产生退磁场
(2)、当900畴壁位于A’B’位置时
20M s sin 0
第五章 磁畴理论
铁磁性物质的基本特征是物 第一节 磁畴起源
质内部存在自发磁化与磁畴结构。 第二节 畴壁结构 1907年Weiss在分子场理论的
假设中，最早提出磁畴的假说； 第三节 均匀铁磁体磁畴结构计算
而磁畴结构的理论是Landon—
第四节 非均匀铁磁体磁畴结构计算
Lifshits在1935年考虑了静磁能的 相互作用后而首先提出的。
有关，而与X、Y 轴方向无关。
O
YM sX
n
Z
若磁化矢量Ms在畴壁内过渡要满足不出现磁荷的 条件，则体磁荷ρ＝0。
Hale Waihona Puke 0 M s
0
M sx x
M sy y
M sz z
2、按畴壁中磁矩转向的方式： a、布洛赫（Bloch）壁：(如图) ——磁矩过渡方式始终保持平行于畴壁平面
在畴壁面上无自由磁极出现，故畴壁上不会产生Hd， 也能保持 w 极小，但晶体上下表面却会出现磁极。但对 大块晶体材料而言，因尺寸大，表面Fd极小。 b、奈尔（Neel）壁 (如图)
在很薄的材料中，畴壁中磁矩平行于薄膜表面逐渐过 渡。
Em in Ed
5.6 1.8 104
1 3200
可见尽管增加了Ew，但Fd↓，总能量↓。
■只有Fd是形成多畴结构的根本原因 因为铁磁体内磁畴形成的大小与形状及磁畴的分布模
型，原则上由Fd、Fex、Fk与F 四种能量共同决定，磁畴结 构的稳定状态也应是这四种能量决定的极小值状态，但这 四种能量中，Fex使磁体内自发磁化至饱和，而自发磁化 的方向是由Fk与 F 共同决定的最易磁化方向。由此可见 Fex、Fk与F只是决定了一磁畴内Ms矢量的大小以及磁畴在 磁体内的分布取向，而不是形成磁畴的原因，只有Fd才是 使有限尺寸的磁体形成多畴结构的最根本原