1、 磁性物理学实验 指导书 兰中文 余忠 编写 电子科技大学微电子与固体电子学院 二 OO 三年四月 H B M0O 第一章 磁性物理学与磁性材料 一、磁性物理学的研究内容 我们通过课堂学习，已经知道磁性是物质的一种基本属性，从微观粒子到宏观物体，以至宇宙天体，无不具有某种程度的磁性，只是其强弱程度不同而已。这里说的磁性是指物质在磁场中可以受到力或力矩作用的一种物理性质。磁性物理学（ Magnetic physics）也称为磁学 (Magnetics)就是研究自然界中物质磁性现象的本质及其变化规律与应用的一门学问。广义地说，物质磁性可以划分为弱磁性和强磁性两类，通常与人类生活与生产活动密切相关的
2、是强磁性物质，因此，磁性物理学主要讨论与强磁性有关的物理问题。这些问题按其性质，大致可以分为三类： 自发磁化， 技术磁化， 应用磁学。不同类型的磁学问题，要求求解水平是不一样的，粗略地说，自发磁化涉及凝聚态物质磁性的微观机制，问题的求解，需要深入到原子或电子尺度的水平，形成自发磁化理论；技术磁化属于磁畴理论的范畴，要在显微尺度水平，即磁畴或稍进一步的程度 上求解，形成技术磁化理论，这个理论可以对磁性材料的宏观特性给出解释，并指导磁性材料的研制；应用磁学是研究与应用有关的磁性问题，如磁与光、电、热、力等相互作用的交叉效应。因此，我们在课堂教学中，从基本磁现象到动态磁化过程，为大家讲授了磁性物理学
3、共七章内容，概述起来，其基本内容有以下三部分： 1.磁性起源与自发磁化 2.磁畴理论与技术磁化 3.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
4、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
5、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。 用应术技应效磁种各热 光电应力温度磁场料材性磁种各学理物性磁三、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
6、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。 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（
7、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。 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
8、磁极化强度 (J)；单位体积磁体内具有的磁矩（ m）矢量和称为磁化强度 (M)，即 磁极化强度 磁化强度 )( 2 mWbVmjJ )m(A 1 V m MMJj 0m0m 所以 由于 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 0，物理意义上，都是用来描述磁体被磁化的方向与强度。 磁化强度除了上述定义外，还定义有比磁化强度（），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。 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 s。 （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
9、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： B的单位是 T 或 Wbm 2； H的单位是 A/m； 在自由空间中， M 0 ， B 与 H 平行， HB 0 除了 SI 单位制外，还有一种 Gauss 单位制，在 Gauss 单位制中 ， 这里 B 的单位是高斯 (G)， H 的单位是奥斯特 (Oe)。 两种单位制之间的换算关系为： 1G=10-4T 1 Oe =103/4 A m-1=79.577A m-1 1e.m.u(磁矩 ) 10 3A m2
10、 （三）磁化率（ ）和磁导率（） 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： 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 代入式 ，则有 定义 )1( 11 dVd /1 M mJHBHBMJBMHMHB000000,)(ii 则：令MHB 4HMHM ，或 HHHB 00 1)( 称为相对磁导率，即有 HB 0 12 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（ ） 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
11、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： 初始磁导率 i, 最大磁导率 max, 振幅磁导率 a, 增量磁导率 , 可逆磁导率 rev, 复数磁导率 (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 调地逐步减小，发现材料中对应的 B 或 M 值虽然也
12、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 | 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。 s0 称为负磁致伸缩，是指沿着磁场方向上的长度变化
13、是缩短的。例如 Ni 的磁致伸缩。 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 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
14、，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 W=We+Wh+Wc 14 因此磁性材料的总磁损耗 W 不仅与材料本身有关，而且也与材料在交变磁场中的工作频率和磁感应强度大小有关。 1. 在低频弱磁场下的磁损耗 在低频弱磁感应强度（ B 210 T）的交变磁场下，可用 legg 公式表示磁损耗： fLRi=itg2=ef+aBm+C 15 其中 第一项 ef 代表涡流损耗 We 第二项 aBm 代表
15、磁滞损耗 Wh 第三项 C 代表剩余损耗 Wc 2. 在中等磁场和强磁场下的磁损耗 此时有经验公式： W=fP=eBm2 f+ Bm6.1 16 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=20234 d17 其中 d 为与尺寸有关的参数 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 a3038b18 其中 b 为瑞利常数 为磁导率 因此，降低磁滞损耗应从提高 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 ( )、电阻率（ ）以及密度 (
16、d)等。响应磁特性方面主要有磁导率（ ）、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： 材料饱和磁化强度 Ms(s) 材料密度 d (与 Ms 相关 ) 材料电阻率 （与磁性涡流损耗 We 相关） 材料磁致伸缩系数 材料磁损耗 W 第二章 实验部分 一 . 饱和磁化强度的测量 (一 ) 、实验目的： 磁化强度 M 是指磁性材料单位体积内的磁矩矢量和，定义为 VM m ，通过测量材料的饱和磁 化强度 Ms，加深对自发磁化的理解是本实验的主要目的。 (二）、实验主要仪器： FM A 磁天平 (三 )、实验原理及方法： 根据磁性物质在非均匀磁场中的受力原理实现 Ms的测量，其方法为磁天平法，如图所示。 磁天平工作原理示意图 设一小球样品处在非均匀磁场中，样品质量为 m、体积 V，则样品在此非均匀磁场中沿任意轴向 ( =x.y.z)所受的力为： HVMF s0 . 或 HmF s0 分析天平 电磁铁 电磁铁 电流线圈 电流线圈 X Y Z 样品
