磁性物理学实验教案

四、描述磁性材料的基本参数
（一）磁化强度（M）
我们定义单位体积磁体内磁偶极子具有的磁偶极矩（jm）矢量和称为磁极化强度(J)；单位体积磁体内具有的磁矩（μm）矢量和称为磁化强度(M)，即
磁极化强度①
磁化强度②
二者都是与磁体体积有关的矢量，在数值上相差真空磁导率μ0，物理意义上，都是用来描述磁体被磁化的方向与强度。
或MHC
。BHC表示使B＝0的矫顽力。MHC
表示使M＝0的矫顽力，称为内禀矫顽力。一般地，|BHC| < |MHC|。
如图2所示，当H从正的最大变到负的最大，再回到正的最大时。B-H或M-H形成一条闭合曲线，称为磁滞回线。出现磁滞现象的根本原因在于磁性材料内不可逆磁化过程的存在。磁滞回线包围的面积就是磁化一周材料所损耗的能量。这种磁损耗的大小与材料内的磁化阻力密切相关。
(四)剩磁（Mr、Br）和矫顽力（Hc）
磁性材料作为强磁性物质，对外磁场有明显的响应特性，这种响应特性可以用磁化曲线和磁滞回线来表征。两曲线表征了磁感应强度B或磁化强度M与磁场强度H之间的非线性关系，而这种非线性关系的物理根源是在磁性材料内存在自发磁化。
如图1，图2所示，将磁性材料磁化饱和后，从Bs或Ms状态开始，使磁化场单
图5材料的磁致伸缩系数λ~磁场H关系曲线
磁致伸缩的大小又与外磁场强度大小有关。图5是磁致伸缩 ＝ l/l（即伸长或缩短的大小 l与原长度l之比）与外磁场强度H的关系示意图。在外磁场达到饱和磁化场时，磁致伸缩为一确定值，以 表示，称为磁性材料饱和磁致伸缩系数。不同材料的磁致伸缩系数 也是不同的。 >0称为正磁致伸缩，是指沿磁场方向的长度变化是伸长的。例如Fe的磁致伸缩。 <0称为负磁致伸缩，是指沿着磁场方向上的长度变化是缩短的。例如Ni的磁致伸缩。
磁化强度除了上述定义外，还定义有比磁化强度（σ），即单位质量磁体内具有的磁矩矢量和，其值等于磁化强度M和磁体密度d之比。
③
如果磁体被磁化饱和，其磁矩完全平行排列，则有饱和磁化强度Ms和比饱和磁化强度σs。
（二）磁场强度(H)和磁感应强度(B)
实验证明：导体中的电流或一块永磁体都会产生磁场，磁场存在于磁极周围。磁场的一般定义为：一种由作用到运动着的带电微粒上的力来描述的场。这种力由于微粒的运动和带电而起作用。符号H和B都是描述空间任意一点的磁场参量。在国际单位制中：
图6磁化过程中磁畴转动并伴随着自发形变轴的旋转
(六)磁损耗
在交变磁场作用下，磁性材料一方面被磁化，另一方面会因为不可逆磁化而产生能量损耗，导致磁芯发热。所谓磁损耗是指磁性材料在交变磁场作用下产生的各种能量损耗的统称。其机理有：磁滞，涡流和磁化驰豫等。由涡流引起的能量损耗称为涡流损耗（We），由此磁滞引起的能量损耗称为磁滞损耗（Wh），由磁化驰豫过程或磁频散现象所导致的能量损耗称为剩余损耗（Wc），如以W表示单位体积的铁磁体在交变磁场中磁化一周产生的总磁损耗，则有
调地逐步减小，发现材料中对应的B或M值虽然也随H而减小，但是不再沿着原曲线返回。当H减小到H=0时，材料仍保留有一定的磁感应强度或磁化强度值，称为剩余磁感应强度或剩余磁化强度。用Br或Mr表示，简称剩磁。
为了使B或M继续减小，必须在反方向增加磁场，当反方向磁场达到某一数值时，可以有B=0或M=0。与此相应的磁化强度成为矫顽力（Hc）。分别记作BHC
磁性材料的内禀性质、在外磁场中的响应特性和各种磁效应是磁性广泛应用的基本条件。内禀性质有：饱和磁化强度、居里温度或奈耳温度、磁各向异性和磁致伸缩等。它们由材料的物相（如晶体结构、有序程度）、成分所决定，与材料的结构状态（如晶粒大小、掺杂、缺陷、机械加工和热处理）无关。响应磁特性包括：磁导率、矫顽力、剩磁、矩形比和磁损耗等。各参量都是由磁化曲线和磁滞回线来决定，两种曲线与材料的结构有关。磁效应是指磁性材料受到磁场或非磁物性（如电、光、热、应力等）作用伴随磁状态改变而产生的特性。常见的磁效应有：电磁感应效应、磁场电效应、磁光效应、磁热效应、磁力效应、磁声效应和磁共振效应等。无论哪一种磁参量或磁效应，各自都以不同的物理机制使其起着转换、传递和存储能量、信息等功能作用，这就是磁性得以应用的物理基础。
三、磁性材料的基本特征
在磁性物理学理论基础上发展起来的磁性材料是现代工业和科学技术的重要支撑性材料。实际上，按照磁性物理学的划分，物质磁性可以分为抗磁性、顺磁性、反铁磁性、亚铁磁性和铁磁性五类。前三类属于弱磁性的范畴，后两类属于强磁性范畴，而现在我们所指的磁性材料，均是属于对人类生产和生活有重要作用的强磁性物质。因此，现代磁性材料按照磁性划分，可分为铁磁性材料和亚铁磁性材料。按照导电性划分，可分为金属磁性材料和氧化物磁性材料。按照其应用功能来划分，可分为永磁材料、软磁材料、压磁材料、旋磁材料以及磁光材料等等。但不管如何划分，不同的磁性材料表现出不同的内禀性质和不同的响应磁特性以及不同的磁效应。
1e.m.u(磁矩)＝10－3A ∙ m2⑨
（三）磁化率（ ）和磁导率（μ）
磁体被置于外磁场中，其磁化强度将发生变化。磁化强度M和磁场强度H之间的关系为：
⑩
其中， 称为磁体的磁化率，它是单位H在磁体内感生的M，表征磁体磁性强弱。
将式⑩代入式④，则有
定义
称为相对磁导率，即有
可见，相对磁导率（简称磁导率）是表征磁体磁性、导磁性及磁化难易程度的一个磁学物理量。磁化率（ ）和磁导率（μ）这两个参量，只有当H、B和M三个矢量互相平行时才为标量，否则，它们均为张量。在实际应用中，根据不同的磁化条件，磁导率可分为许多种，常见的有以下六种：①初始磁导率μi,②最大磁导率μmax,③振幅磁导率μa,④增量磁导率μΔ,⑤可逆磁导率μrev,⑥复数磁导率
（五）磁晶各向异性（K）与磁致伸缩（ ）
实验表明，磁体被磁化，在其某些方向容易，而在另一些方向较难。如Fe单晶[100]晶轴方向很容易磁化饱和，而沿[111]晶轴方向就难以饱和。如图3，图4所示。这说明铁磁单晶体在磁性上是各向异性的，这种磁化难易程度与晶体方
图3 Fe单晶的磁化曲线图4Ni单晶的磁化曲线
1.磁.磁化过程动力学
二、磁性物理学与磁性材料之间的关系
磁性物理学与磁性材料之间关系密切，相互依存。从磁性物理学与磁性材料发展历史来看，它们之间存在着这样的基本模式：首先通过实验研究，揭示出某中基本规律，建立比较完善的理论体系，然后再在生产中创建新的磁性材料技术。铁磁性、亚铁磁性理论的探索研究到铁磁材料、铁氧体技术的发展，复杂螺旋磁性的研究到稀土磁性材料技术的形成，都是遵循这一基本模式的。关于磁学理论与磁性材料技术研究的问题，磁性材料技术的核心问题在于新材料的研制和传统材料性能的提高。自20世纪50年代以来，磁性物理学发展成为成熟的科学，可以从基础理论上来解释磁性材料的物理性质，遂使磁性材料研究的面目大为改观。当然，炒菜式配方的材料研究依然在进行，但是更为重要的是有可能根据理论的线索来研制和开发新的磁性材料，这便是近几十年来磁学理论和磁性材料技术之间关系的基本体现。例如，20世纪50年代初期，磁畴结构和磁化动力学理论，为适应于各种存储技术的矩磁性材料、磁性薄膜和磁记录材料的大发展奠定了良好的基础，而这些材料的大发展，反过来又推动了磁畴理论和磁化动力学理论的进步。高磁导率理论和软磁材料的研究，高矫顽力理论与永磁性材料的研究，亚铁磁性理论与铁氧体材料的研究，旋磁与铁磁共振理论与微波铁氧体材料的研究，等等，都反映出这一基本关系。至今，高新技术迅速发展，磁性物理学的研究，既可以利用新技术（例如电子学、激光、共振和核技术等）和极端条件（如低温、高压和强磁场等）来探讨宏观磁性与微观结构的关系，以及对各种规律性的认识，又能利用磁性物理学为现代科学技术服务。下图示出这一关系的简单说明。
铁磁体的磁致伸缩同磁晶各向异性的来源一样，是由于原子或离子的自旋与轨道耦合作用而产生的，也是要满足铁磁体能量最小条件的必然结果。对于磁致伸缩而言，如果铁磁晶体的形变大小和性质能够导致其总能量等于极小值，则这种形变就会产生。磁致伸缩是由自旋与轨道耦合能和材料的弹性能平衡而产生的。对于多畴结构的铁磁体可以用图6来说明
①材料饱和磁化强度Ms(σs)
②材料密度d(与Ms相关)
③材料电阻率ρ（与磁性涡流损耗We相关）
④材料磁致伸缩系数λ
向有关的现象称为磁晶各向异性，其大小用磁晶各向异性常数K来衡量，它是磁性材料磁化阻力的主要来源之一。对于立方晶体，K定义为单位体积的铁磁单晶体沿[111]轴与沿[100]轴饱和磁化所需要的能量差。
K= ( HdM- HdM)
磁化阻力的另外一个重要来源之一是磁致伸缩导致的磁应力各向异性。所谓磁致伸缩，是指磁性材料在被磁化时，随自身磁化状态改变的弹性形变现象。它有三种表现，沿着外磁场方向尺寸的相变化（ l/l）称为纵向磁滞伸缩。垂直于外磁场方向尺寸的相对变化（ l/l）称为横向磁致伸缩。这两种又称为线磁致伸缩。表现为材料在磁化过程中具有线度的伸长或缩短而维持体积不变。其 l/l一般为 ～ 数量级。磁性材料被磁化时其体积相对变化（ V/V）称为体积磁致伸缩。 V/V为 量级，可以忽略。因此，除特别指明外，磁致伸缩均是指线磁致伸缩。
2.在中等磁场和强磁场下的磁损耗
此时有经验公式：
W= =e f+
其中e为涡流损耗系数
为磁滞损耗系数
就涡流损耗而言e=
其中d为与尺寸有关的参数
ρ为材料电阻率
因此降低涡流损耗应从减小d和提高 入手。
就磁滞损耗而言a＝
其中b为瑞利常数
为磁导率
因此，降低磁滞损耗应从提高μ和减小b入手。
综上所述，描述磁性材料的参数有许多，内禀性质方面主要有饱和磁化强度(Ms)、居里温度(Tc)、磁晶各向异性常数(K)、磁致伸缩系数(λ)、电阻率（ρ）以及密度(d)等。响应磁特性方面主要有磁导率（μ）、矫顽力（Hc）、剩磁(Br)、以及磁损耗（W）等。根据磁性物理学的教学内容和现有的实验条件，本实验针对磁性材料如下五个参数进行测试与分析：
④
B的单位是T或Wb∙m－2；H的单位是A/m；