chapter1 物质磁性概述

1、第一节第一节 基本磁学量基本磁学量第二节第二节 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第三节第三节 物质按磁性分类物质按磁性分类第四节第四节 磁性材料的磁化曲线和磁滞回线磁性材料的磁化曲线和磁滞回线返回返回放放 映映 结结 束束第一章第一章 物质磁性概述物质磁性概述一、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 基本磁学量基本磁学量(仿照静电学)德国亥姆霍兹联合会研究中心的研究人员在德国德累斯顿大学、圣安德鲁斯大学、拉普拉塔大学及英国牛津大

2、学同事的协作下，首次观测到磁单极子的存在，及这些磁单极子在一种实际材料中出现的过程。该研究成果发表在2009年9月3日出版的科学杂志上。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） 单位体积的磁体内，所有磁偶极矩的 jm或磁矩m的矢量和 ，分别为： 磁极化强度：)(2mWbVmjJ磁 化 强 度：)m(

3、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。12301,4m mFHFkrkmr其中1 -1-21 -1-2gemu1kgmA1(CGS) gemu(SI) kgmA/1dVdMmspecific magnetization Hmagnetic field B magnetic flux density计算磁偶极子产生的磁场强度：如图有

4、：cos221cos222cos221cos121cos22212lrlrlrrlrrlrlrlrrrmrkmdrrmkdrmFHdrrrr024HHrH1H2H1r2rr-m+ml空间某一点的磁位势：3020202222000201021414coscos4cos41cos42cos112cos1142cos12cos1444rrjrmlrlrmlrlrlrmlrlrmrmrmmmrj5304303303034134111414rrrjrrjrrrHmmmmmmmrjrjrjrjrjH沿r 方向以及使 角增加方向的分量计算： sin11rererer在球坐标系中：30302020sin41c

5、os2414cos14cosrjerjerjrerjremmrmmrH3030sin41cos241rjrjmmrHH 由于矢量H沿任何方向的分量等于磁位势 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：(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

6、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：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，

7、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m： 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 =

8、 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/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

9、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，这就要做功，相当于使磁体在H中位能降低。即：磁体在磁场中磁位能：HjmccmlHdmlHLdWu)0( ,cossin取（逆时针方

10、向为正）单位体积中外磁场能（即磁场能量密度）)J/m(cos300MHVVHMHJHjuFmFH 是各向异性的能量二、退磁场与退磁能量1、退磁场 有限几何尺寸的磁体在外磁场中被磁化后，表面将产生磁极，从而使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 。 其中N为退磁因子，只与磁体几何形状有关。退磁场Hd产生条件： （1）n M 0 （2）divM 0Hd 的大小与磁体形状及磁极强度有关。若磁化均匀，则Hd 也均匀，且与M成正比：2、简单几何形状磁体的退磁因子N对于旋转椭球体，三个主轴方向退磁因子之和： 1cbaNNN由此可求出： 球 体：N=1/3 细长圆柱体

11、：Na = Nb = 1/2, Nc = 0 薄圆板体： Na = Nb = 0, Nc = 1abcXYZ3、退磁场能量 指磁体在它自身的Hd 中所具有的能量20000021NMMNMMHMMddddF短半径长半径对椭球体：长轴kkkNNNMNMNMNFkMNjMNiMNHkkkNzyxzzyyxxdzzyyxxd1)1ln(111121222222020220202/14/16/1zdyxddMFMMFMF薄圆板片：细长圆柱体：球体： 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。 从实用的观点，根据

12、磁化率（M/H）大小与符号，可分为五种：d1TO第三节第三节 物质按磁性分类物质按磁性分类一、抗磁性抗磁性 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。顺磁性 paramagnetism三、三、反铁磁性反铁磁性定值。不增反降，并逐渐趋于随温度降低，但，服从afNppafNTTTTTCTT,0即在TTN（奈尔温度）时， af 最大。T0（约为10106

13、），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1 103 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 metastabl

14、e 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 磁化曲线与磁滞回线磁化曲线与磁滞回线问题问题1：M达饱和后为什么达饱和后为什么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

15、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 |问题问题2：| BHC | | MHC | ?通常以Hc划分软磁、永磁、半永磁材料：之间介于mAmAmABB/1010/108108/10810853532CCHH: 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），(BH)为磁能积，表征永磁材料中能量大