第一章物质磁性基本概念

1、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思考：磁体内、外部H和B的取向有无不同？(仿照静电学)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。磁单极子磁单极子1931年，英国物理学家P.A

2、.M狄拉克利用数学公式预言了磁单极子存在于携带磁场的管（狄拉克弦）的末端。1982年，美国凯布雷拉采用超导量子干涉器件磁强计，进行了151天观察记录，经周密分析，认为磁单极子穿过了超导线圈，但未能重复观察到。不足以肯定其存在。美国科学家用同步回旋加速器，多次用高能质子与轻原子核碰撞，但依旧无磁单极子产生的迹象。美国科学家转而致力于能量更大的天然宇宙射线（1、宇宙射线本身可能含有磁单极子；2、宇宙射线粒子与高空大气原子、离子、分子等碰撞会产生磁单极子），未果。中国、瑞士、日本多国科学家联合小组报告发现了磁单极子存在的间接证据，在一种铁磁晶体中观察到反常霍尔效应，且认为只有假设存在磁单极子才能解释

3、这种现象。2009.09.03，科学杂志。德国亥姆霍兹联合会研究中心D.J.P.Morris等在自旋冰Dy2Ti2O7晶体（烧录石晶格）中进行中子散射，对晶体施加一个磁场，影响弦的对称和方向，从而降低弦网络的密度以促成单极子的分离。结果，在0.6K到2K温度条件下，这些弦是可见的，并在其两端出现了磁单极子。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(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

4、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 magnetization Hmagnetic field B magnetic flux density计算磁偶极子产生的磁场强度：如图有：cos221cos222cos221cos121cos22212lrlrlrrlrrlrlrl

5、rrrmrkmdrrmkdrmFHdrrrr024HHrH1H2H1r2rr-m+ml磁位势：3020202222000201021414coscos4cos41cos42cos112cos1142cos12cos14.44rrjrmlrlrmlrlrlrmlrlrmrmrmmmrj5304303303034134111414rrrjrrjrrrHmmmmmmmrjrjrjrjrjH沿r 方向及使 角增加方向的分量计算： sin11rererer在球坐标系中：30302020sin41cos2414cos14cosrjerjerjrerjremmrmmrH3030sin41cos241rjrj

6、mmrHH 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。rI

7、H2rIH2nIH 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，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

8、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）

9、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、起始磁导率iHBHilim0012、最大磁导率maxmax0max1HB3、复数磁导率 i4、振幅磁导率aaaaHB0

10、16、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

11、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 。 Hd 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：其中N为退磁因子，只与磁体几何形状有关。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：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200

12、00021NMMNMMHMMddddF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。磁体扫描电子显微镜（磁体扫描电子显微镜（SEM）图）图思考：宏观、微观有无退磁场？思考：宏观、微观有无退磁场？ 从实用的观点，根据磁化率（M/H）大小与符号，可分为五种：d1TO第三节第

13、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。Tp/ 1O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），有磁滞现象。 当 TTC 时，铁磁性转变

14、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 metastable ferrimagnetism一、一、磁化

15、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思考：思考：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，需反向加一磁场，此时H=Hc称为矫顽力。BHC：使B0的

16、Hc。MHC： M0时的Hc（内禀矫顽力）一般| BHC | | MHC |思考：思考：| 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