第3章 技术磁化
磁性材料中的基本现象； 磁畴结构； 技术磁化； 动态磁化




3.1 磁性材料中的基本磁现象
本节将要讲述的主要内容： 磁各向异性
磁体在不同方向上具有不同的磁特性，这种现象 称为磁各向异性
磁致伸缩
材料磁化时尺寸形状发生变化的现象，称为磁致 伸缩
3.1.1磁各向异性
材料沿不同方向磁化的难易程度不同
3.1.2 磁致伸缩
磁性材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生 微小的变化，这种现象称为磁致伸缩 磁致伸缩有三种表现：
☞沿着外磁场方向尺寸的相对变化 称为纵向磁致伸缩；
☞垂直于外磁场方向尺寸的相对变 化称为横向磁致伸缩； ☞磁体体积的相对变化称为体积磁 致伸缩。
线性磁致伸缩，是论 的重点
体积磁致伸缩量很 小，通常被忽略
表面树枝状磁畴结构 表面与磁畴中的自发磁化方向不平行，为了降低退 磁场能，产生树枝状磁畴结构
杂质、气泡等的影响
S
N
S
N
S
N
(a)畴壁在杂质中心
(b)畴壁在杂质附近
看出：畴壁在杂质中心时，退磁场能减小很多，同时畴壁面 积减小，畴壁能降低。因此畴壁位于杂质中心时为最稳定状 态，畴壁位移需要外磁场做功。
2 2 2 2 2 2 EK K1 (12 2 23 3 12 ) K212 23
EK KU 1 sin 2 KU 2 sin 4
立方晶系的磁晶各向异性数，是材料的磁特性的重要参数之一
磁晶各向异性常数
晶体的易磁化轴或难磁化轴是随着各向异性常数 K1和K2的相对大小及其符号的变化而变化的。 表
[100] [110]
[110] [100]
[111] [100]
[100] [111]
磁晶各向异性随温度的变化关系
Fe的磁晶各向异性常数随温度变化
Ni的磁晶各向异性常数随温度变化
磁晶各向异性随温度的变化关系
Co的晶体各向异性常数随温度的变化
磁晶各向异性机制
磁各向异性的微观机构是与电子自旋和轨道的相 互耦合作用以及晶体电场效应有关的 分布在晶格上的原子或离子，由于受到近邻原子的静 电性质的晶体电场作用，导致了电子轨道的“冻结”， 使其电子轨道失去了自由状态时的在空间的各向同性， 特别是当电子云的分布变为各向异性的形状时，再通 过电子自旋和轨道之间的磁相互耦合作用，就导致了 电子自旋取向的各向异性
畴壁是相邻两磁畴之间磁矩按一定规律逐渐改变方向的过渡层 在过渡层中，相邻磁矩不平行，导致交换能增加（↑） ；又
离开易磁化轴，导致磁晶各向异性能增加（↑） 。
畴壁中包括的原子层数越多，在畴壁中引起的交换能增加越 小；畴壁中包括的原子层数越多，畴壁中的磁晶各向异性能
就越大。
增加的交换能与磁晶各向异性能之和最小，决定了畴壁的厚 度。
开放型磁畴 » 又称片状磁畴结构
» 会在磁体表面形成 自由磁极，使磁体具 有一定的退磁场能量。 » 由畴壁能和退磁场能 构成的总能量取极小 值决定了磁体稳定状 态下的磁畴结构。
闭流型磁畴 ♣ 主畴和闭合畴形 成闭合磁路，使其上、 下表明退磁场能为零。
♣ 畴壁与其两侧畴 内的自发磁化强度MS 应成45角度，以保 证畴壁面上无退磁场
磁致伸缩系数：
l / l
磁致伸缩的大小与外磁场强度有关 饱和磁致伸缩系数S S>0 ：正磁致伸缩,如铁 S<0 ：负磁致伸缩，如 镍
S
实例：
磁致伸缩产生的机制
外加磁场后，磁偶极子趋于同向排列。
与（a）图相比，（b）图处于低能状态，更加稳定 于是，由（a）态变为（b）态，产生了磁致伸缩效应
K1
立方晶体的各向异性与K1和K2的关系
+ +∞至 9 K1 4 + 9至 4 9K1 + 9K1 至∞ ∞至
9 K1 4

9 K1 4

9 K1
K2 易
较难 最难
至
9 K1
至 +∞
[100]
[100]
[111]
[111]
[110]
[110]
[110] [111]
[111] [110]
畴壁能 ：
退磁场 ：
2r 2 r 3 E ( r ) d d d d 1 1 2 4 2 Ed FdV 0 NM S r 3 0 M S r 2d 2r 2r 2 3 9
2
总能量：
E Ed E
总能量取极小值时，E/d＝0 ，得：
d 18r 2 0 M S
9 rc 单畴时，d=2r，得： 2 2 0 M S
d为畴宽；为单位面积畴壁能；Fd为单畴颗粒退磁场 能
颗粒尺寸越小，磁畴数目越小
磁泡畴 磁泡是在一些薄膜磁性材料中出现的一种圆柱形磁畴 。
待续 . . . . . .
奈尔壁两种类型：
☞布洛赫壁 大块晶体材料内的畴壁属于布洛赫壁。
在布洛赫壁中，磁矩的过渡方式是始终平行于畴壁平 面，前面1800畴壁即为布洛赫壁； ☞奈尔壁 极薄的磁性薄膜中存在奈尔壁。在奈尔壁
中，磁矩围绕薄膜平面的法线改变方向，并且是平行
于薄膜表面而逐步过渡的。
奈尔壁示例
磁畴结构 对于理想的铁磁性晶体，磁畴结构通常排列整齐，且均匀
பைடு நூலகம்
磁各向异性可分为五类：
磁晶各向异性 结晶磁体的磁化与晶轴有关的特性
磁形状各向异性 沿不同方向的磁化与磁体积和形状有关的特性 磁应力各向异性 磁化方向与应力方向有关的特性
感生磁各向异性
在材料制备或处理过程中形成的一种磁各向异性 交换磁各向异性 与磁矩的交换作用有关的磁各向异性
磁晶各向异性能 立 方 晶 系 六 角 晶 系
地分布在各个易磁化轴的方向上。当晶体内存在空泡、搀
杂、内应力、晶粒边界以及合金中的成分起伏等因素的作 用时，磁畴结构变得非常复杂（不讨论） 。 理想铁磁体磁畴结构有：开放型磁畴、闭流型磁畴以及 表面树枝状磁畴结构等。当磁畴内部含有杂质，空泡，
应力等不均匀性因素时，结构变得复杂
两种特殊的磁畴结构：单畴和磁泡畴。
内部分成许多大小和方向基本
一致的自发磁化区域，即磁畴
若交换能和磁晶各向异性能 同时取最小值，自发磁化只 能分布在一个易磁化方向上
磁体表面出现磁极， 产生退磁场
磁体总能量增加， 自发磁化一致取向不稳定
磁畴形成过程图示
a）中，自发磁化单一取向，出现表面磁极，磁场能很大；
b）中，为降低表面退磁场能，自发磁化分成两个反平行的磁 畴，降低了表面退磁能； c）中，分成4个反向 平行的磁畴，退磁能 进一步降低，总能量 减小；
所以，这种杂质和空隙越多，畴壁移动越困难，磁导率越小
单畴 ☞在大块材料中，若不形成多畴，则退磁场能量很高，所以大 块材料以多畴结构最为稳定。 ☞若材料的尺寸变得很小，成为多畴时的畴壁能比单畴的退磁 场能还要高，这时材料将不在分畴，形成单畴结构，具有更低
的能量。
☞存在单畴的临界尺寸。铁磁体大于临界尺寸时，具有多畴结 构；小于临界尺寸时，则为单畴结构。临界尺寸为铁磁体成为 单畴结构的最大尺寸。
以图示的180°畴壁中
的畴壁转向的情况为例， 计算畴壁的厚度。
用 ex， k 分别表示畴壁中的交换能和磁晶各向异性能
w 表示单位面积畴壁中的总畴壁能，则需满足： w ex k
N N N 0
畴壁类型 根据畴壁两侧磁畴的自发磁化方向间的关系，可分为1800畴
壁和900畴壁：
☞1800畴壁 畴壁两侧的自发磁化强度方向互成1800 。单易
磁化轴晶体只有1800畴壁，多轴晶体中也有1800畴壁；
☞ 900畴壁 畴壁两侧磁畴的自发磁化强度方向间的角度不
为1800，而是900、1070和710等，一律称为900畴壁。
900畴壁示例
根据畴壁中磁矩的过渡方式，可将畴壁分为布洛赫壁和
磁晶各向异性机制
如图示：由于S-L相互耦合作用使非球形对称的电子云分布 随自旋取向而变化，因而导致了波函数交叠程度及交换作
用依赖于自旋取向，因此产生了各向异性的交换作用。
退火产生的感生磁各向异性 21.5%Fe-Ni合金磁化 曲线：
A：纵向磁场冷却
B：冷却时无磁场
C：在垂直或圆磁场 中冷却
轧制产生的感生磁各向异性 图为恒磁导率铁镍钴合金 的磁化曲线和磁畴结构 该片材具有大的单轴磁 各向异性，其易磁化轴 位于片材面内，垂直于 冷轧方向 平行于轧制方向的磁 化完全通过磁畴转动 来实现，为线性磁化 曲线
磁畴进行分割，退磁场能（↓）降低的同时，由畴间交 换能和磁晶各向异性能构成的畴壁能（↑）必然增加，所
以由退磁场能与畴壁能共同决定能量的极小值来确定磁
畴的数目。 铁磁体内的总能量为： E Ed (退磁场能） E（畴壁能） w E 满足能量最小原理 =0，则 D Ed Ew 0 D D 其中D为磁畴宽度；
3.2 磁畴结构
本节将要讲述的主要内容：
磁畴成因 畴壁结构 畴壁类型
磁畴结构
磁畴成因 铁磁体能量 =退磁场能 +交换能 +磁各向异性能 +磁场能 +磁弹性能
存在外磁场时
存在外应力时
稳定的磁结构要求：总能量最低
无外应力和外磁场时，
为降低退磁场能量，磁体
交换能、磁晶各向异性能
和退磁场能之和应取极小值。
铁单晶磁化曲线
易磁化轴[100] 难磁化轴[111]
钴单晶磁化曲线
易磁化轴[0001] 难磁化轴[1010]
镍单晶磁化曲线 易磁化轴[111] 难磁化轴[100]
铁磁体由磁中性磁化到饱和需要作一定的功：
W 0 HdM
0
M