磁学性能(第二节)

第二节铁磁性

一、铁磁性理论

铁磁性现象虽然发现很早，然而这些现象的本质原因和规律，还是在二十世纪初才开始认识的

1907年法国物理学家威尔斯系统地提出了铁磁性

假说，即著名的分子场理论：

铁磁性物质内部存在很强的“分子场”，即相邻原

子之间存在着特殊的“交换偶合作用”。在“分子场”

的作用下，电子自旋磁矩趋于同向平行排列，即

自发磁化至饱和，称为自发磁化。铁磁体自发磁

化分成若干个小区域，这种自发磁化至饱和的小

区域称为磁畴（domains）。不存在外磁场时，

由于各个磁畴的磁化方向各不相同，其磁性彼此

相互抵消，所以大块铁磁体对外不显示磁性

1931年首次获得了磁畴壁的显微照片

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在分子场假说的基础上，发展了自发磁化理论，解释了铁磁性的本质

在磁畴假说的基础上发展了技术磁化理论，解释了铁磁体在磁场中的行为 在磁畴的实验观察基础上发展了现代的铁磁性理论

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铁磁性材料的磁性是自发磁化产生的。磁化过程（又称感磁或充磁）：把物质本身的磁性显示出来，而不是由外界向物质提供磁性的过程

1.自发磁化理论

（1）铁磁性产生的原因

铁磁性物质自发磁化的根源是原子（正离子）磁矩，而且在原子磁矩中起主要作用的是电子自旋磁矩

在原子的电子壳层中存在没有被电子填满的状态（d 或f 态）是产生铁磁性的必要条件，但不是充分条件（同样在3d 状态存在空位的Fe 、Co 、Ni 表现出铁磁性，而Mn 则不表现出铁磁性）；原子之间相互键合的作用是否对形成铁磁性有利，这是形成铁磁性的第二个条件

量子力学诞生后，海森伯格（W. Heisenberg ）于1928年明确提出了电子间交换作用是铁磁性的起源。海森伯格的交换作用表达为：

122ex E JS S =−•J ：称为海森伯格交换积分E ex ：是自旋矢量为S 1和S 2的近邻原子的两个电子的交换能

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根据键合理论可知，原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相互交换。这种交换便产生一种交换能E ex ，此交换能有可能使相邻原子内d 层未抵消的自旋磁矩同向排列起来

当磁性物质内部相邻原子的电子交换积分为正时（J >0），相邻原子磁矩将同向平行排列，从而实现自发磁化。这就是铁磁性产生的原因

R ab /r J +

_ 1 2 3 4 5 6 7 反铁磁性 铁磁性 顺磁性 只有当原子核之间的距离R ab 与参加交换

作用的电子壳层半径r 之比大于3时，交

换积分才有可能为正

铁、钴、镊以及某些稀土元素满足自发

磁化的条件

综上述，铁磁性的产生需要两个条件：

原子内部要有未填满的电子壳层

R

/r之比大于3，使交换积分J为正

ab

前者指的是原子本征磁矩不为零；后者指的是要有一定的晶体结构

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2. 技术磁化理论

铁磁性物质在不很强的磁场作用下，就可得到很大的磁化强度

（1）技术磁化本质与磁化曲线

技术磁化过程：外加磁场对磁畴的作用过程，也就是外加磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向（或近似外磁场方向）的过程

技术磁化是通过两种形式进行的：一是磁畴壁的迁移，一是磁畴的旋转

磁化曲线和磁滞回线是技术磁化的结果

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13（2）磁滞理论与磁滞回线（Hysteresis loop ）

技术磁化理论说明了起始磁化曲线，而磁滞理论则用来说明退磁曲线（反向磁化、反向迁移过程）

退磁过程：将试样磁化至饱和，然后慢慢地减少H ，直至取消外磁场，就要发生磁畴的旋转，磁矢量松弛回复到最近的易磁化方向，即B （或M ）也将减少但B （或M ）并不按照磁化曲线反方向进行，而是按右图BDC 段曲线改变

剩磁M r ：当H 减少到零时，磁感应强度或磁化强度并不减小到零，此时材料的磁化强度在外磁场方向的投影就是所谓的剩磁

矫顽力H C ：要使M =0（或B =0），则必须加上一个反向磁场H C ，以推动磁畴壁的反向迁移，H C 称为矫顽力。通常把曲线上的CD 段称为退磁曲线。可见，退磁过程中M 的变化要落后于磁化场强度H 的变化，这种现象称为磁滞现象

当H 从+H m 变到-H m 再变到+H m ，试样的磁化曲线形成一个封闭曲线，成为磁滞回线

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矫顽力H C 的大小取决于畴壁反向迁移的难易程度。一般来说，迁移（磁化）和反迁移（退磁）进行的难易是一致的，材料中的夹杂物等比较多，弥散度大，则迁移困难，反迁移也较难，H C 就较大。反之，材料愈纯，H C 就愈小沿磁滞回线磁化一周外界对单位体积介质所做的功为：

由定积分的几何意义可知：ΔW = 磁滞回线所包围的面积

铁磁体的状态经过一周的变化又回到初态，因而其中的磁能应该没有变化。在这个过程中，外界对铁磁体做了正功。外界所做的功，只能是消耗在介质中的能量，即不可逆地转化为其它形式的能量，如热能。这种损耗叫做磁滞损耗

工作在交变电磁场中的铁磁体，其状态总是沿某一回线周期性地变化，因而有相应的损耗，该磁滞损耗对交流元件是十分有害的，必须尽量使之减小

W HdB

Δ=∫v （J/m 3）（SI 国际单位制）

磁晶各向异性：指不同晶体方向上磁的性能（如磁极化强度μ

0M ）不同

二、铁磁性材料的特性

1. 磁晶各向异性和各向异性能

体心立方面心立方六角晶体

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立方晶系物质的磁晶各向异性能可以写成：

α、β、γ分别是磁化强度与三个晶轴的方向余弦，K 1、K 2称为磁晶各向异性常数，

同物质结构有关。一般情况下，K 2较小可忽略，把K 1写成K ，代表晶体各向异性常

数，则：

包括六方晶系的具有单轴对称材料中的磁晶各向异性能可以表示成：

K U1、K U2、K U3是单轴对称材料的各向异性常数，θ、ϕ是自发磁化方向与单一对称轴（c 轴）和a 轴的极角

制备具有高矫顽力的材料需要有很高的磁晶各向异性，而稀土金属的磁晶各向异性能比3d 金属都大。因此，稀土材料在永磁材料中起着重要作用

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12()A E K K αββγγααβγ

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