磁性物理第一章磁学基础知识

1、第一章第一章 磁学基础知识磁学基础知识教学内容教学内容：基本磁学概念、静磁能量以及磁性分类。教学要求教学要求：深刻理解各基本磁学量的物理意义，以及相互间的区别和联系；掌握外磁场能FH和退磁场能Fd的概念、表达式及物理意义；理解五种磁性各自的基本磁结构及其磁化率与温度的关系。教学难点与重点教学难点与重点：本章的基本磁学量是整门课程的基石，需从概念上去领会掌握。第一章第一章 磁学基础知识磁学基础知识一、磁矩磁矩 m (Magnetic moment) 永磁体总是同时出现偶数个磁极。磁体无限小时，体系定义为磁偶极子磁偶极矩： 方向：-m指向+m单位：Wbmljmm+m-ml第一节第一节 基本磁学量基

2、本磁学量思考：磁体内、外部H和B的取向有无不同？(仿照静电学)http:/ Strings and Magnetic Monopoles in the Spin Ice Dy2Ti2O72009, Science, 326(5951): 411-414. 用环形电流描述磁偶极子： 磁矩： 单位：A m2 二者的物理意义： 表征磁偶极子磁性强弱与方向Aim170mH104ommj 电子的轨道运动相当于一个恒定的电流回路，必有一个磁矩（轨道磁矩），但自旋也会产生磁矩（自旋磁矩），自旋磁矩是基本粒子的固有磁矩。二、磁化强度磁化强度 M (magnetization) （描述宏观磁体磁性强弱程度） 单

3、位体积的磁体内，所有磁偶极矩 jm或磁矩m的矢量和 ，分别为： 磁极化强度：)(2mWbVmjJ磁 化 强 度：)m(A1VmMMJj0m0m二者物理意义：描述磁体被磁化的方向与强度比磁化强度:单位质量磁体内具有的磁矩矢量和。三、磁场强度磁场强度 H 与磁感应强度与磁感应强度 B 均为描述空间任意一点的磁场参量（矢量）1 1、H ：静磁学定义 H为单位点磁荷在该处所受的磁场力的大小，方向与正磁荷在该处所受磁场力方向一致。032141,krrmmkFmFH其中emu/g1kgmA1emu/g(CGS)(SI)kgmA/11-21-2dVdMmspecific magnetizationHmagn

4、etic fieldBmagnetic flux density/magnetic induction计算磁偶极子产生的磁场强度：如图有：cos221cos222cos221cos121cos22212lrlrlrrlrrlrlrlrr204rrrHdrFmdrkdrmrkmmrr HHrH1H2H1r2rr-m+ml磁势：120 10 20022220022300441111coscoscoscos44112222coscos441cos4cos144mmmmrrmmllllrrrrrmlmllrrrjrr jr3033034035041114314314mmmmmmmHrrrjrrrjrr

5、 jrjrjrjrjrH沿r 方向及使 角增加方向的分量计算： sin11rererer在球坐标系中：22003300coscos1442cossin1144mmrmmrjjeerrrrjjeerr H3030sin41cos241rjrjmmrHH 由于矢量H沿任何方向的分量等于磁势 在该方向上单位长度的减少率，故H沿r方向和沿 角增加方向的分量分别是：30o30o3030sin41,90cos241,0sin41,cos241rjHrjHrjHrjHmmrmmrHH：在从m到m的位 移矢量延长线上：在l的中垂面上实际应用中，往往用电流产生磁场电流产生磁场，常见的几种电流产生磁场的形式为：(

6、1) 无限长载流直导线：无限长载流直导线：方向是切于与导线垂直的且以导线为轴的圆周。(2) 直流环形线圈圆心：r为环形圆圈半径，方向由右手螺旋法则确定。(3) 无限长直流螺线管：n：单位长度的线圈匝数，方向沿螺线管的轴线方向轴线方向。rIH2rIH2nIH 规定规定H的单位在SI制中，用1A的电流通过直导线，在距离导线r = 米处，磁场强度即为1A /m。 212 2、磁感应强度、磁感应强度B BSI制中，MHMHB000)(自由真空中M=0，B与H平行， 磁体内部，B与H不一定平行，JHB0单位：B：T或Wbm2；H：A/m； M：A/m； J： Wbm2HB0MJB0i令JHBHB00i则

7、：H只是一个辅助量，通常用来计算电流的磁效应，涉及磁场只是一个辅助量，通常用来计算电流的磁效应，涉及磁场与其它物理量的相互作用时，一般需要使用磁感应强度与其它物理量的相互作用时，一般需要使用磁感应强度B。磁学量的单位制：使用Gauss单位制时，此时，B的单位为G或Gs，H的单位为Oe，0=1G / Oe 4M的单位为G，4M为非有理化的磁化强度。SI制与Gauss制间的转换 B：1G=10-4T H：103A m-1的H有4Oe的值， 103/4A m-1=79.577A m-1=1 Oe MHB4iBHB0和磁矩： 在Gauss单位制中0=1G/Oe，则磁偶极矩与磁矩无差别，通称为磁矩，单位

8、为电磁单位（e.m.u） 1e.m.u(磁偶极矩) 41010 Wbm 1e.m.u(磁矩) 103A m2J: 1G = 410-4 TM: 1G=103 A m-1磁化强度M和磁极化强度J： Gauss单位制中，磁极化强度（J）与磁化强度（M）相同，单位：G四：磁化率磁化率与磁导率与磁导率 磁体置于外磁场中磁化强度M将发生变化（磁化）。HMHM，其中称为磁体的磁化率，是单位H在磁体内感生的M，表征磁体磁化难易程度的一个磁学量。 HHHBM)HB0001)(定义：(1)B/0 H (相对磁导率相对磁导率，表征磁体 磁性、导磁性及磁化难易程度）单位：无量纲SI制中,绝对磁导率绝对磁导率：绝对B

9、/H单位：T m/A或H/m 绝对/ 0susceptibilitypermeability磁导率的不同定义：1、起始磁导率iHBHilim0012、最大磁导率maxmax0max1HB3、复数磁导率 i4、振幅磁导率aaaaHB016、可逆磁导率revlim0Hrev所有磁导率的值都是H的函数： 5、增量磁导率HB01一、外磁场能HmJ磁体由于本身的磁偶极矩jm与H间的相互作用，产生一力矩：第二节第二节 磁化状态下磁体中的静磁能量磁化状态下磁体中的静磁能量sinsinsin2sin2mlHlFlFlFL = 0，L最小，处于稳定状态 0 ， L 0，不稳定，会使磁体转到与H方向一致，这就要做

10、功，相当于使磁体在H中位能降低。即：磁体在磁场中磁位能：负号表示力矩沿顺时针方向（逆时针方向为正）即，磁偶极子在磁场中磁位能：sincos,(0)mUWLdmlHdmlHcc jH取单位体积中外磁场能（即磁场能量密度）030cos(J/m )UVVMH mFjHJ HM H FH 是各向异性的能量二、退磁场与退磁场能量 1、退磁场、退磁场 有限几何尺寸的磁体，在外磁场中被磁化后，在下述两个条件之一：表面将产生磁极，从而使磁体内部磁体内部存在与磁化强度M方向相反的一种磁场，起减退磁化的作用，称为退磁场Hd 。 (1)0n M (2)0divM Hd 的大小与磁体形状及磁极强度有关。若磁化均匀，则

11、Hd 也均匀，且与M成正比，即：其中N为退磁因子张量（无量纲），与磁体形状有关。非均匀磁化时还与磁体磁导率有关。dHNM 2、简单几何形状磁体的退磁因子、简单几何形状磁体的退磁因子N对于旋转椭圆体，三个主轴方向退磁因子之和： 1cbaNNNabcXYZ由此可求出： 球形体：N=1/3 细长圆柱体：Na = Nb = 1/2, Nc = 0 薄圆板体： Na = Nb = 0, Nc = 13、退磁场能量、退磁场能量 指磁体在它自身的Hd 中所具有的能量20000021NMMNMMHMMddddF22202221211ln(1)111dxxyyzzdxxyyzzxyzHN M iN M jN M

12、 kFN MN MN MNNNkkkNkkk 长轴对椭圆体：长半径短半径2020201/61/ 41/ 2dddzFMFMFM球形体：细长圆柱体：薄圆板片： 适用条件：磁体内部均匀一致，磁化均匀。形状不同或沿不同的方向磁化时，Fd也不同，这种因形状不同而引起的能量各向异性的特征形状各向异性。磁体扫描电子显微镜（磁体扫描电子显微镜（SEM）图）图退磁场Hd对样品磁性能的影响是明显的：有退磁场磁滞回线倾斜所有材料性能表给出的磁导率等数值都是针对有效磁场的数值，材料性能的实际测量中必须尽量克服退磁场的影响。 从实用的观点，根据磁化率大小与符号，可分为五种：1dTO第三节第三节 磁性分类磁性分类一、抗

13、磁性抗磁性 对于电子壳层被填满的物质，其磁矩为零。在外磁场作用下，电子运动将产生一个附加的运动（由电磁感应定律而定），出现附加角动量，感生出与H反向的磁矩。因此：d0，但数值很小（显微弱磁性）。室温下P：103106。实例：稀土金属和铁族元素的盐。Tp/ 1O其中：C为居里常数，TP为顺磁性居里温度。TpO顺磁性 paramagnetism三、三、反铁磁性反铁磁性T0（约为101106），有磁滞现象。 当 TTC 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。f1TcTPTTTC铁磁性 ferromagnetism

14、五、五、亚铁磁性亚铁磁性 内部磁结构却与反铁磁性相同，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）。 m0 ，大小为1 104 实例实例：铁氧体。 前三种为弱磁性，后两种为强磁性，具有此二性的材料叫磁性材料，按其被应用的性能，磁性材料可分为软磁、永磁、旋磁、矩磁、压磁五类）m1TcTpTOA位 B位A位 B位 A位 B位亚铁磁性 metastable ferrimagnetism一、一、磁化曲线磁化曲线表示磁场强度H与所感生的B或M之间的关系O点：H0、B0、M0，磁中性或原始退磁状态OA段：近似线性，起始磁化阶段AB段：较陡峭，表明急剧磁化HHm后，M逐

15、渐趋于一定值MS（饱和磁化强度），而B则仍不断增大。由BH（MH）曲线可求出或 。第四节第四节 磁性材料的磁化磁性材料的磁化 磁性材料对外加磁场有明显的响应特性，这种响应特性可用磁化曲线与磁滞回线表征。Q1：M达饱和后，继续增大达饱和后，继续增大H，为，为什么什么B继续增大？继续增大？二、磁滞回线磁滞回线 ( Hysteresis loop ) 从饱和磁化状态开始，再使磁化场减小，B或M不再沿原始曲线返回。当H0时，仍有一定的剩磁Br或Mr。 为使B（M）趋于零，需反向加一磁场，此时H=Hc称为矫顽力。BHC：使B0的Hc。MHC： M0时的Hc（内禀矫顽力）一般| BHC | | MHC |

16、Q2：|BHC| |MHC| ?通常以Hc划分软磁、永磁、半永磁材料：235238 10 8 10/8 10 8 10/1010/BBA mA mA m CCHH介于之间: 软磁 ( soft magnetism ): 硬磁 ( hard magnetism ): 半硬磁 ( half- hard magnetism ) H从正的最大到负的最大，再回到正的最大时，BH或MH形成一封闭的曲线磁滞回线。（磁材的重要特性之一) Hc是表征材料在磁化后保持磁化状态的能力。矫顽力coercivitycoercive force磁体 magnet 磁滞回线的第二象限为退磁曲线（依据此考察硬磁材料性能），(

17、BH)为磁能积，表征永磁材料中能量大小。 (BH)max 是永磁的重要特性参数之一。将退磁曲线上的（BH）对B作用，可得（BH）对B的关系曲线。磁化曲线与磁滞回线磁化曲线与磁滞回线是磁性是磁性材料的重要特征材料的重要特征，能反映许，能反映许多磁特性，如：多磁特性，如：、 MS (Bs)、Mr (Br)、 BHC (MHC)、 (BH)max 等。等。习题一习题一垂直板面方向磁化的大薄片磁性材料在去掉磁化场后，它的磁极化垂直板面方向磁化的大薄片磁性材料在去掉磁化场后，它的磁极化强度是强度是1Wb.m-2，试计算板中心的退磁场强度，试计算板中心的退磁场强度Hd等于多少？等于多少？设铁磁体为开有小缺口设铁磁体为开有小缺口l1的圆环，其圆环轴线周长为的圆环，其圆环轴线周长为l2，当沿圆环周，当沿圆环周均匀磁化时，该铁磁体的磁化强度为均匀磁化时，该铁磁体的磁化强度为M，试证明在缺口处产生的退，试证明在缺口处产生的退磁场强度磁场强度Hd为：为：一圆柱形磁体，长一圆柱形磁体，长6cm，直径，直径2cm，具有的磁矩为，具有的磁矩为14000尔格尔格/奥