贺龙辉 磁性材料的磁谱与磁损耗理论

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多晶磁畴结构示意图
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一、基本概念
•宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各 不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零， 它也就不能吸引其它磁性材料。也就是说磁性材料在正常情 况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才 能对外显示出磁性。
•各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁(Domain Walls)。
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三、磁性材料的磁损耗机制
•由于由涡流所产生的抵抗磁通量变化的磁场，是从铁磁体表 面向内部逐渐加强的，使得中心处几乎完全没有磁场，相当 于把材料给屏蔽起来只在表面的薄层中有磁场，产生趋肤效 应。所以电磁波只能渗透到材料一定深度，当外加磁场均匀 时，内部的实际磁场仍是很不均匀的。 •定义
(a)图表示外磁场从t0时的Hm阶跃到 t1的H值，磁性材料B值的变化；
(b)图表示外磁场从t0时的H值，阶跃 到t1的Hm值时，磁性材料B值的变化。
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磁后效示意图
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一、基本概念
• 简而言之，磁感应强度B随磁场变化的延迟现象，称为磁 后效。
• 描述磁后效进行所需时间的参数称为弛豫时间。
照另一条曲线ab下降，而ab曲线的位置比oa 曲线高，即在
退磁过程中的 B比磁化过程中同一H 值所对应的 B 大。这表
明磁感强度的变化落后于磁场强度的变化，铁磁质的这种现
象称为磁滞，当 H 减小到零时，铁磁质仍保留部分磁性，
并称为剩磁，b 点表示剩余磁化强度。
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一、基本概念
• 为什么磁化曲线不沿原路退回？ • 由于磁畴壁移动的过程是不可逆的，即外
• 磁后效现象是由于元磁矩的阻尼使磁化对磁场有一个时间 上的滞后，这种滞后引起的能量损耗就是W后效。
• 磁后效主要有两种类型：里希特(Richter)后效和约旦 (Jordan)后效
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一、基本概念
• 里希特(Richter)后效：是指为满足自由能最低要求，某些 电子或离子（包括空穴）向稳定位置作滞后于外加场的扩 散，使磁化强度M逐渐地趋于稳定值的后效，又称为扩散 磁后效。
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一、基本概念
•在动态磁化过程中，为表示交变场中B和H的关系，引入复 数磁导率的概念，用它来同时反映B和H之间的振幅和相位的 关系，表达式：
•将B和H用复数形式表示：
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一、基本概念 •则相对磁导率
•所以
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一、基本概念
• 均匀交变场中铁磁体在单位时间单位体积内的平均能量损 耗为
•在磁畴壁内原子磁矩的方向逐渐转变。根据原子磁矩转变的 方式，可将畴壁分为布洛赫壁和奈尔壁。
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一、基本概念
• 布洛赫壁的特点是畴壁内的磁矩转变时始终与畴壁平面平 行。
• 奈尔壁的特点是当铁磁体厚度减少到相当于二维的情况， 即厚度为1~100nm的薄膜时，畴壁的磁矩始终与薄膜表面 平行地转变。
1/ p
O
T
1/ p
O
T
表示在某一个温度之上才显示顺磁性
2020/3/30 其中：C为居里常数，TP为顺磁性居里温度。
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一、基本概念
郎之万顺磁性理论：
顺磁性物质的原子间无相互作用（类似于稀薄气体状 态），在无外场时各原子磁矩在平衡状态下呈现出混 乱分布，总磁矩为零，当施加外磁场时，各原子磁矩 趋向于H方向。
顺磁磁化过程示意图
(a)无磁场 (b)弱磁场 (c)强磁场
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(3)反铁磁性
一、基本概念
1 af
即在T＝TN（奈尔温度）时， χaf 最大。
T<TN时，其内部磁结构按次晶格自旋
成反平行排列，每一次晶格的磁矩大
O
TN
T
小相等、方向相反，故它的宏观磁性
等于零，只有在很强的外磁场作用下
磁化率：材料的磁化强度M与外磁场强度H的比值。
它的大小反映了物质磁化的难易程度，也是对物质
磁性分类的主要依据。
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一、基本概念
抗磁体 磁化率为甚小的负常数，约为10-6数量级
弱 磁
顺磁体
磁化率为正常数，约为10-3 ~10-6数量级
体
反铁磁体 磁化率为甚小的正常数，当T 高于某个温度时，
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布洛赫壁(a)和奈尔壁(b)中磁矩过渡的方式
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一、基本概念
• 3、磁后效应 • 处于外磁场为Ht0的磁性材料，外磁场突然阶跃变化到Ht1，
则磁性材料的磁感应强度并不是立即全部达到稳定值，而 是一部分瞬时到达，另一部分缓慢趋近稳定值，这种现象 称为磁后效应(magnetic elastic after effect)。
抗磁性是普遍存在的，它是所有物质在外磁场作用下 毫不例外地具有的一种属性，大多数物质的抗磁性因 为被较强的顺磁性所掩盖而不能表现出来。
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一、基本概念
郎之万抗磁性理论：
每个原子内有 z 个电子，每个电子有自己 的运动轨道，在外磁场作用下，电子轨道 绕 H 进动，进动频率为ω，称为Lamor （拉莫尔）进动频率。由于轨道面绕磁场 进动，使电子运动速度有一个变化△v，电 子轨道磁矩增加△μ，但方向与磁场相反， 使总的电子轨道磁矩减小。 总之，由于磁场作用引起电子轨道磁矩减小， 表现出抗磁性。
才能显示出微弱的磁性。
实例：过渡族元素的盐类及化合物，
如MnO，CrO， CoO等
AB A BA B
2020/位3/30位 位 位 位 位
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一、基本概念
(4)铁磁性
内部原子磁矩按磁畴自发平行取向，
有宏观磁性，只要在很小的磁场作用下就 能磁化到饱和。
其χf >0（约为10～106），有磁滞现象。 当 T>TC 时，铁磁性转变为顺磁性，服 从居里－外斯定律。
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磁畴体积：10-12~10-8m3 每个磁畴所含原子数：1017~1021
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一、基本概念
• 铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的“交换耦合作用”， 使得在无外磁场作用时，电子自旋磁矩能在小区域内自发 地平行排列，形成自发磁化达到饱和状态的微小区域，这 些区域称为磁畴。
单晶磁畴结构示意图
其行为像顺磁体。
强 铁磁体 磁化率为很大的正变数，约为10 ~ 106数量级
磁
体 亚铁磁体 类似铁磁体，但磁化率没有铁磁体那样大
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一、基本概念
M
铁磁性材料
亚铁磁性材料
顺磁性材料
反铁磁性材料
0
百度文库
抗磁性材料 H
五类磁体的磁化曲线
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一、基本概念
(1)抗磁性
外加磁场所感生的
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二、磁性材料的磁谱
（3）高频区域（106Hz＜f＜108Hz） 在这个范围内，部分铁氧体的u'出现急剧下降，而u"急剧升 高或出现共振峰，这主要是存在畴壁弛豫或共振的原因； （4）超高频区域（108Hz＜f＜1010Hz） 超高频谱的特点是u'出现下降，u'-1可能出现负值，而且u"出 现共振峰值，这主要是由于自然共振引起的； （5）极高频区域（f＞1010Hz） 自然共振区域，磁谱为自然共振谱的表现。
磁性材料的磁谱与磁损耗理论
汇报人：贺龙辉 E-mail:hlh881219@163.com
中南大学物理与电子学院
目录
• 一、基本概念 • 二、磁性材料的磁谱 • 三、磁性材料的磁损耗机制
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一、基本概念
1、物质磁性的分类
一切物质都具有磁性，任何空间都存在磁场， 只是强弱不同而已。
轨道磁矩改变
1
d
H
抗磁性
O
T
R
实例：惰性气体、许多有机化合物、某些 金属（Bi、Zn、Ag、Mg）、非金属（如： Si、P、S）
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一、基本概念
产生机理：
外磁场穿过电子轨道时，引起的电磁感应使 轨道电子加速。根据楞次定律，由轨道电子的这 种加速运动所引起的磁通，总是与外磁场变化相 反，因而磁化率是负的。
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二、磁性材料的磁谱
•根据铁氧体材料的磁谱曲线的形状和在不同频率范围内具有 的不同特征和主要的磁谱机理，可以把磁谱曲线分为五个区 域： （1）低频区域（f＜104Hz） 在低频区，u'较高，u"较低，二者的谱线都比较平缓，引起 损耗的机理主要是磁滞和磁后效引起的剩余损耗； （2）中频区域（104Hz＜f＜106Hz） 中频磁谱一般也比较平缓，但有时会出现磁内耗（u"在温度 改变时出现峰值，与样品内部电子或离子的扩散机制有关）、 尺寸共振和磁力共振；
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(2)顺磁性
一、基本概念
顺磁性物质具有一固有磁矩，但各原子磁矩取向混
乱，对外不显示宏观磁性，在磁场作用下，原子磁矩转
向H方向，感生出与H一致的M。所以， χp>0，但数值 很小（显微弱磁性）。室温下χP：10－3～10－6。 实例：稀土金属和铁族元素的盐。
➢ 顺磁性的磁化率满足以下规律：
• 永磁材料的磁后效应遵从以下规律，即
• 式中，χd为微分磁导率，Sv为磁后效系数。由此式可见， 磁化强度的变化与时间的对数成正比，由此可求得时间从
0→∞磁化强度的变化。这一磁后效即为约旦磁后效。
• 应用上希望永磁材料能在较短时间内使磁化强度达到稳定 状态，而一般磁后效系数Sv是随温度的升高而变大，因此 常利用加热的办法来加速磁铁的老化，以便在较短的时间
• 可见，正是由于磁感应强度B落后于外场H，才引起介质 对外场能量的损耗，且磁损耗功率与复数磁导率的虚部成 正比。
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一、基本概念
• 而磁介质内部储存能量的密度为
• 即在交变场中磁介质储藏的能量密度与复数磁导率的实 部成正比。
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二、磁性材料的磁谱
• 磁谱的广义定义是指物质的磁性（顺磁性及铁磁性）与磁 场频率的关系。磁谱的狭义定义则仅仅是指铁磁体在弱交 变磁场中复磁导率实部和虚部随频率变化的关系。
• 约旦(Jordan)后效：是指磁化时磁化强度M先是达到某一亚 稳态，由于热涨落，M再滞后地达到新的稳态的后效，又 称为热涨落磁后效。它是一种不可逆的磁后效。
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一、基本概念
• 日常经验告诉我们，永磁材料天长日久后剩磁会逐渐地变 小，即磁性随着时间的推移而变弱，这也是一种磁后效表 现形式，称为“减落”。
实例：3d金属Fe，Co，Ni，4f金属铽、 铒、铥、钬等以及很多合金与化合物。
1
f
T>TC
Tc TP
T
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(5)亚铁磁性
一、基本概念
内部磁结构与反铁磁性相同，但相反排列的磁矩
大小不等量。故亚铁磁性具有宏观磁性（未抵消的反
铁磁性结构的铁磁性）。 Χm>0 ，大小为1 ～103
实例：铁氧体。
内使磁铁达到稳定状态。
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一、基本概念
•4、磁滞现象
•所谓磁滞现象是指铁磁质磁化状态的变化总是落后于外加磁 场的变化，在外磁场撤消后，铁磁质仍能保持原有的部分磁 性。
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一、基本概念
当铁磁质磁化到一定程度（即达到饱和磁化强度Bs）后，再 逐渐使H减弱而使铁磁质退磁时，B虽相应地减小，但却按
磁场减弱后，磁畴不能恢复原状，故表现 在退磁时，磁化曲线不沿原路退回，而形 成磁滞回线。
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一、基本概念
5、复数磁导率 •与电介质在外电场中会发生极化类似，磁介质在外磁场中会 被磁化。在交变磁场（振幅Hm，角频率ω）的作用下，由于 存在磁滞损耗、涡流损耗、磁后效、畴壁共振和自然共振等， 磁介质磁化状态的改变在时间上落后于外场的变化，需要考 虑磁化的时间效应，则振幅H和磁感应强度B可表示为 ：
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三、磁性材料的磁损耗机制
• 在交变磁场中，磁性材料一方面会被磁化，另一方面会产 生能量损耗，导致热量的产生。磁损耗即是指磁性材料在 交变场作用下产生的各种能量损耗的统称。通常它包括以 下三个方面：
• 1、涡流损耗
• 在交变磁场作用下，铁磁材料内磁感应强度也发生相应周 期性变化。根据电磁感应定律，磁感应强度的变化会在它 周围激发起垂直于磁感应强度的环形闭合感应电流，形成 涡流。涡流又将产生抵抗磁感应强度变化的磁场，阻止由 外磁场变化所引起的磁通量变化，削弱励磁磁场。因此导 体内的实际磁场和磁感应强度总要滞后于外加磁场，导致 磁化的时间滞后效应，成为相位差δ的来源之一。
O
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一、基本概念
• 2、磁畴
• 磁畴(Magnetic Domain)理论是用量子理论从微观上说明铁 磁质的磁化机理。
• 所谓磁畴，是指铁磁体材料在自发磁化的过程中为降低静 磁能而产生分化的方向各异的小型磁化区域，每个区域内 部包含大量原子，这些原子的磁矩都像一个个小磁铁那样 整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不 同。