研究生磁性物理 第一章

第一章物质磁性概述1.1基本磁学量1.2磁化状态下磁体中的静磁能量1.3物质按磁性分类1.4磁性材料的磁化曲线和磁滞回线1.1基本磁学量一、磁矩(moment)任何磁体都有两个极（至今未见磁单极），其一为北极（N极，指北），另一为南极（S极，指南）。磁北极由若干正的磁荷（+m）构成，南极由负的等量磁荷（-m）构成。这是磁荷观点。正负磁荷构成磁偶极子：设相距l的磁荷构成磁偶极子，其偶极矩（矢量）为，方向为由-m指向+m，单位Wb.m。另外一种观点为环形电流观点。设环形电流i，面积为A。用表示一个矢量，其大小为环的面积，方向垂直于环面方向并与电流的方向组成右手螺旋法则。电流的磁矩为，单位为A.m2。磁偶极矩(magneticdipolemoment)与磁矩(magneticmoment)表示同样的物理意义，但有不同的定义与单位，它们之间的关系为关于电子自旋磁矩的解释：电子绕原子核旋转形成轨道磁矩，然而电子本身的自旋和自旋磁矩，目前还不能由回路电流解释。我们只能认为电子（和基本粒子如质子、中子等）具有固有磁矩。这是量子效应，无经典对应量。二、磁化强度(magnetization)磁化强度是描述宏观磁性体磁性强弱的物理量。在磁性体内取一个宏观体积元，在此体积元内包含大量磁偶极矩或磁矩分别用表示。定义单位体积内具有的磁偶极矩矢量称为磁极化强度，用来表示；单位体积内磁体具有的磁矩矢量和称为磁化强度，用表示。和J和M也有关系另外，还有一个表示磁性强弱的物理量叫比磁化强度，即单位质量磁性体内具有的磁矩矢量和，

式中为磁性体的密度，的单位是A.m-1，的单位是A.m2.kg-1。

三、磁场强度和磁感应强度磁荷(magneticcharge)观点：定义磁场强度H等于单位点磁荷在某处所受磁场力的大小，其方向为正磁荷受力的方向。即两个点磁荷之间的相互作用力，式中的k在真空中（国际单位制），[H/m]真空磁导率。实际应用中,常由电流产生磁场,并用稳恒电流产生的磁场强度来定义磁场强度的单位。在SI单位制中，用I=1A的电流通过直导线，在距直导线米处的磁场强度规定为1A/m。

1.无限长直导线的磁场，

2.环形线圈圆心处的磁场，

3.无限长螺线管(solenoid)内的磁场强度，

磁感应强度B的定义式，

B的单位是T或Wb.m-2=T（高斯制Gs）。真空中，磁化强度为零，当磁场强度为A/m时，相应的磁感应强度为1T。高斯单位制及其换算：

磁场：磁感应强度：

真空中1Oe(磁场强度)=1Gs(磁感应强度)磁矩：磁化强度：四、磁化率（magneticsusceptibility）和磁导率(magneticpermeability)对一定的磁性材料(如顺磁,抗磁性)，其磁化强度M和磁场强度H有如下关系，这里，x为磁体的磁化率，即单位磁场在磁体内产生的磁化强度，表征磁体磁化的难易程度。这里，为相对磁导率，而将称为绝对磁导率。几种不同种类磁导率的定义

初始磁导率(initialpermeability)

最大磁导率(maximumpermeability)振幅磁导率

增量磁导率

可逆磁导率(reversiblepermeability)

1.2磁化状态下磁体中的静磁能量一、磁体中的磁场作用能量磁极化强度为J（磁化强度为M）的物体,在外磁场H的作用下，有一力矩，大小为如果把物体转动，使J与H之间的角度θ增加dθ，对磁体做功，能量增加。设角度由0增加到θ，则物体在外场中的能量为C为常数。通常选择θ=900时为能量零点，即C=0.这样物体在外磁场作用下的能量,即外磁场能为当M与H方向平行时，能量最低(为负值,状态最稳定):当M与H垂直时，能量为零;当M与H方向反平行时，能量最高(为正值,状态最不稳定):磁体在外磁场中所具有的能量密度，二、退磁场(demagnetizationfield)和退磁场能量(demagnetizationfieldenergy)1退磁场的概念对于有限尺寸的磁性体，在外磁场H中被磁化后，磁体的表面将产生磁极。表面磁极使磁体内部存在与磁化强度M相反方向的磁场Hd，它起着减退磁场的作用，故称为退磁场。对于均匀磁化，退磁场与磁化强度成正比，式中，N为退磁因子,它与磁体的几何形状有关。国际单位制N的取值在0—1之间（CGS制取值为0--4π）2．简单几何形状磁体的退磁因子对于旋转椭球体，三个主轴方向的退磁因子之和，（国际单位制）（CGS制）对于长旋转椭球，这里，若k>>1，以下讨论退磁因子均为国际单位制

2．简单几何形状磁体的退磁因子对于扁旋转椭球体，(当k>>1时)这里，几个特例，球形：细长圆棒：无限大薄片：尺寸比c/a长椭圆体a=b<c扁椭圆体b=c<a长圆柱01.00001.00001.000010.33330.33330.270020.17350.23640.140050.05580.12480.0400100.02030.06960.0172200.006750.03690.00617500.001440.014720.001291000.0004300.007760.000362000.0001250.003900.000095000.00002360.0015670.00001410000.00000660.0007840.000003620000.00000190.0003920.0000009沿c轴磁化的旋转椭球和圆柱的退磁因子（SI制）3.退磁场能量（形状各向异性）磁性体在其自身产生的退磁场中所具有的位能即为退磁场能。显然，沿不同方向的退磁能不相同，称其为形状各向异性。退磁场能量是形状各向异性。1.3物质按磁性分类(1)抗磁性(diamagnetism)

某些物质受到外磁场后，感生出与磁场方向相反的磁化强度，其磁化率这种磁性称为抗磁性。其磁化率不仅小于零，而且数值非常小，一般为10-5数量级．磁化率的性质与磁场，温度无关．抗磁性物质有：惰性气体，许多有机化合物，若干金属（如Bi,Zn,Ag,Mg）非金属（如Si,P,S），抗磁性的磁化曲线为二四象限的直线。其磁化率随温度变化为平行于温度轴的直线。抗磁性的产生机理是电磁相互作用。(2)顺磁性(paramagnetism)许多物体在外场下感生出与磁场方向相同的磁化强度，其磁化率大于零，但数值也很小，一般10-3—10-6其为顺磁性。顺磁性的物体有固有的原子磁矩，但各原子的磁矩方向混乱，对外不显示宏观磁性。在外磁场作用下，原子磁矩转向外场方向，感生出与外场方向一致的磁化强度。顺磁磁化率与温度有密切关系，服从居里定律(CurieLaw)，或，居里-外斯定律(Curie-WeissLaw)，关于顺磁性的Langevin理论，将在第三章自发磁化理论中讲述。(3)反铁磁性(anti-feromagnetism）对某种物质，当温度达到某个临界值TN以上时，磁化率与温度的关系与正常顺磁性物质相似，服从居里-外斯定律，但表现出的Tp常常小于零。当T<TN时，磁化率不是继续增大而是降低，并逐渐趋于定值。所以这类物质的磁化率在温度等于TN时存在最大值。显然TN是一个临界温度，称为奈尔温度。反铁磁性的例子：MnO,CrO2,CoO等。反铁磁性的次晶格磁矩反平行排列，且大小相等。其宏观磁性为零，只有在很强的磁场下，才显示微弱的磁性。(4)铁磁性(Ferromagnetism)铁磁性物质在很小的磁场下即可达到饱和，磁化率大于零，且数值很大（106）。磁化强度随磁场变化有磁滞。例如，铁钴镍，钆铽镝钬铒铥。当温度高于居里温度时，磁化率随温度变化符合居里-外斯定律。物质FeCoNiGdTbDyHoErTmTc(K)1043139663129321989202032(5)亚铁磁性(Ferrimagnetism)亚铁磁性的宏观磁性与铁磁性相同，仅仅数量级小一点。它的内部磁结构与反铁磁性相似，次晶格反平行排列，但大小不相等。亚铁磁性是未抵消的反铁磁结构的铁磁性。抗磁性、顺磁性、反铁磁性为弱磁性；铁磁性、亚铁磁性为强磁性。强磁材料也叫磁性材料，它又分为软磁(softmagnetism)、硬磁(Hardmagnetism,orpermanentmagnetism),、旋磁、巨磁和压磁。下图是五种磁性的磁化率随温度变化曲线下图是五种磁性的基本磁结构1.4磁性材料的磁化曲线(magneticCurve和磁滞回线(magneticHysteresisloop)

一、磁化曲线磁化曲线是指磁场强度与所感应出的磁感应强度(B)或磁化强度（M）的关系。磁化曲线的测量方法很多，例如，振动样品磁强计，PPMS和MPMS、SQUID、磁天平、磁化曲线（磁滞回线）测量仪等。B-H曲线与M-H曲线的转化，利用二、磁滞回线(magnetichysteresisloop)首先将样品磁化饱和，然后降低磁场。磁场降低过程得到的曲线与起始磁化曲线不同。当磁场降到零时，磁化强度（磁感应强度）没有降到零，这时的值为剩余磁化强度（剩余磁感应强度）Mr(Br)。为了使M或B进一步减小，需要反向加大磁场。当反向磁场达到某一值时，M(或B)降为零。这时所加的场称为矫顽力(Coercivity或Coercivefield)BHC，或MHC。一般有而MHC为内禀矫顽力。矫顽力的物理意义是表征材料在磁化以后保持磁化状态的能力。根据矫顽力的大小将磁性材料划分为：二、磁滞回线(magnetichysteresisloop)软磁材料A/mOe

半硬磁材料硬磁材料A/mA/mOe