磁谱和磁损耗机制——中南大学.pdf

磁性材料的磁谱与磁损耗理论汇报人：贺龙辉E-mail:hlh881219@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12/7/20152一、基本概念12/7/201531、物质磁性的分类、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一、基本概念2015-12-74 抗磁体 顺磁体 反铁磁体 铁磁体 亚铁磁体磁化率为甚小的负常数，约为10-6数量级磁化率为正常数，约为10-3 ~10-6数量级磁化率为甚小的正常数，当T 高于某个温度时，其行为像顺磁体磁化率为很大的正变数，约为10 ~ 106数量级类似铁磁体，但磁化率没有铁磁体那样大弱磁体强磁体一、基本概念2015-12-75M0H铁磁性材料亚铁磁性材料顺磁性材料反铁磁性材料抗磁性材料五类磁体的磁化曲线一、基本概念(1)抗磁性抗磁性实例：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）d1TO12/7/20156外加磁场所感生的 轨道磁矩改变RH抗磁性一、基本概念2015-12-77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。

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，因而磁化率是负的产生机理：一、基本概念2015-12-78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， 表现出抗磁性一、基本概念 (2)顺磁性顺磁性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Tp/ 1OTp/ 1O12/7/20159 顺磁性的磁化率满足以下规律：表示在某一个温度之上才显示顺磁性其中：C为居里常数，TP为顺磁性居里温度一、基本概念2015-12-710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)强磁场一、基本概念 (3)反铁磁性反铁磁性即在T＝TN（奈尔温度）时， χaf 最大T0（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－外斯定律实例实例：3d金属Fe，Co，Ni，4f金属铽、 铒、铥、钬等以及很多合金与化合物f1TcTPTT>TC12/7/201512一、基本概念 (5)亚铁磁性亚铁磁性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实例实例：铁氧体12/7/201513O一、基本概念• 2、磁畴、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 同磁畴体积：10-12~10-8m3 每个磁畴所含原子数：1017~102112/7/201514一、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多晶磁畴结构示意图12/7/201515一、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)•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12/7/201516一、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 平行地转变布洛赫壁(a)和奈尔壁(b)中磁矩过渡的方式12/7/201517一、基本概念 • 3、磁后效应、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)。

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值的变化磁后效示意图12/7/201518一、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• 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12/7/201519一、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• 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2015-12-720一、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”。

• 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 内使磁铁达到稳定状态12/7/201521一、基本概念 •4、磁滞现象、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12/7/201522一、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 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12/7/201523一、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。

12/7/201524一、基本概念5、复数磁导率、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 ：12/7/201525一、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：12/7/201526一、基本概念•则相对磁导率•所以12/7/201527一、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 • 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12/7/201528一、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12/7/201529二、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12/7/201530二、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；12/7/201531二、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12/7/201532三、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的来源之一12/7/201533三、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 • 定义为材料的趋肤深度其中ρ为材料的电阻率，u和f分别为 磁导率和外加交变场的振动频率其物理意义为，当磁场强 度由表面传到内部x=ds处时，其幅值衰减为表面幅值的1/e2015-12-734三、磁性材料的磁损耗机制•低频下薄板的涡流损耗系数为。