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HBMO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：①自发磁化，②技术磁化，③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。
⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⇒⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⇒⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⇒⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡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（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（j m ）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 )(2-⋅∆=∑m Wb V m j J )m (A 1-⋅∆=∑V m μ M MJ j 0m 0m μμ==所以 由于 μ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。
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： ④B 的单位是T 或Wb∙m －2； H 的单位是A/m ；在自由空间中，M ＝0 ，B 与H 平行，H B 0μ= ⑤ 除了SI 单位制外，还有一种Gauss 单位制，在Gauss 单位制中， ⑥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 ⑦1 Oe =103/4π A ∙ m -1=79.577A ∙ m -1 ⑧1e.m.u(磁矩)＝ 10－3A ∙ m 2 ⑨（三）磁化率（χ）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，χ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 )1(χμ+= ○11 ∑=⋅∆=d Vd /1M m μσJ H B H B M J B M H M H B +=+===+=+=000000,)(μμμμμμi i 则：令M H B π4+=H M H M ==χχ，或()HH H B 001)(μχχμ+=⋅+=称为相对磁导率，即有H Bμμ0= ○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（χ）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μ~(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B H C 或M H C 。
B H C 表示使B ＝0的矫顽力。
M H C 表示使M ＝0的矫顽力，称为内禀矫顽力。
一般地，| B H C | < | M H C |。
B(μ0M)) ][1-⋅m A H 图1 磁性材料的磁化曲线 M B Os M m H H C H B C H M B M0μO 图2磁性材料的磁滞回线如图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。
（五）磁晶各向异性（K ）与磁致伸缩（λ）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4 Ni 单晶的磁化曲线 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=V 1(⎰Ms ]111[0μ0HdM-⎰Ms ]100[0μ0HdM) ○13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610-～510-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。
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