第一章 物质磁性基本概念

第一节基本(jīběn)磁学量第二节磁化(cíhuà)状态下磁体中的静磁能量第三节物质按磁性分类第四节磁性材料的磁化曲线和磁滞回线返回放映结束第一章

物质磁性概述共三十四页一、磁矩μm

(仿照(fǎngzhào)静电学)

永磁体总是同时(tóngshí)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：Wb∙m+m-ml第一节

基本磁学量思考：磁体内、外部H和B的取向有无不同？正磁极正磁荷+m负磁极负磁荷-m共三十四页用环形(huánxínɡ)电流描述磁偶极子：

磁矩：单位：A∙m2

二者的物理意义：表征(biǎozhēnɡ)磁偶极子磁性强弱与方向

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。共三十四页二、磁化强度

M

（描述宏观磁体(cítǐ)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μm的矢量和

，分别为：

磁极(cíjí)化强度：磁化强度：二者物理意义：描述磁体被磁化的方向与强度共三十四页比磁化强度σ（单位(dānwèi)质量磁体内具有的磁矩矢量和）三、磁场强度H与磁感应强度

B

均为描述空间任意一点(yīdiǎn)的磁场参量（矢量）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。共三十四页

实际(shíjì)应用中，往往用电流产生磁场，并规定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。

共三十四页常见的几种电流产生(chǎnshēng)磁场的形式为：1、无限长载流直导线：方向(fāngxiàng)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共三十四页2、磁感应强度(qiángdù)BSI制中，

自由真空中M=0，B与H平行(píngxíng)，磁体内部，B与H不一定平行，单位：B：T或Wb∙m－2；H：A/m；

M：A/m；J：Wb∙m－2共三十四页磁学量的单位制：使用(shǐyòng)Gauss单位制时，此时，B的单位为G，H的单位为Oe，μ0=1G/Oe

式中M为磁极密度(mìdù)，单位为G，4πM为磁通线的密度。SI制与Gauss制间的转换

B：1G=10-4TH：103A∙m-1的H有4πOe的值，

103/4πA∙m-1=79.577A∙m-1=1Oe

和共三十四页磁矩：

在Gauss单位制中μ0=1G/Oe

，则磁偶极矩与磁矩无差别，通称为磁矩，单位为电磁(diàncí)单位（e.m.u）

1e.m.u(磁偶极矩)＝4π×10－10Wb∙m1e.m.u(磁矩)＝10－3A∙m2磁化强度：

Gauss单位制中，磁极化强度（J）与磁化强度（M）相同，单位：G共三十四页四：磁化率与磁导率磁体(cítǐ)置于外磁场中磁化强度M将发生变化（磁化）。

其中χ称为磁体的磁化率，是单位(dānwèi)H在磁体内感生的M，表征磁体磁化难易程度

令：μ＝（1＋χ)＝B/μ0H

(相对磁导率，表征磁体磁性、导磁性及磁化难易程度）单位：T∙m/A或H/mSI制中,绝对磁导率：μ绝对＝B/H∴μ＝μ绝对/μ0共三十四页磁导率的不同定义(dìngyì)：1、起始磁导率2、最大磁导率μmax3、振幅(zhènfú)磁导率

4、增量磁导率μΔ共三十四页5、可逆磁导率μrev6、复数(fùshù)磁导率所有(suǒyǒu)磁导率的值都是H的函数：共三十四页一、外磁场(cíchǎng)能H磁体(cítǐ)由于本身的磁偶极矩Jm与H间的相互作用，产生一力矩：第二节磁化状态下磁体中的静磁能量共三十四页

θ=00

，L最小，处于稳定(wěndìng)状态

θ

≠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：磁体在磁场中位能：（逆时针方向(fāngxiàng)为正）共三十四页∴单位体积中外(zhōngwài)磁场能（即磁场能量密度）FH是各向异性(ɡèxiànɡyìxìnɡ)的能量共三十四页二、退磁场与退磁能量(néngliàng)

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(qízhōng)N为退磁因子，只与磁体几何形状有关。共三十四页2、简单几何形状磁体(cítǐ)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：由此可求出：球体：N=1/3

细长(xìchánɡ)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

中所具有的能量共三十四页共三十四页

适用条件：磁体内部均匀一致，磁化(cíhuà)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。共三十四页从实用的观点，根据磁化率χ（＝M/H）大小与符号，可分为(fēnwéi)五种：TO第三节物质(wùzhì)按磁性分类一、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：

χd<0，且|χd|～10－5，与H、T无关。共三十四页

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）二、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(wēiruò)磁性）。室温下χP：10－3～10－6。如：稀土金属和铁族元素的盐。TO其中：C为居里常数(chángshù)，TP为顺磁性居里温度。TO共三十四页三、反铁磁性即在T＝TN（奈尔温度(wēndù)）时，χaf

最大。T<TN时，其内部(nèibù)磁结构按次晶格自旋成反平行排列，每一次晶格的磁矩大小相等、方向相反，故它的宏观磁性等于零，只有在很强的外磁场作用下才能显示出微弱的磁性。实例：过渡族元素的盐类及化合物，如MnO，CrO,CoO等O共三十四页四、铁磁性内部原子磁矩按磁畴自发平行取向，有宏观磁性,只要在很小的磁场作用下就能磁化到饱和。其χf>0（约为10～106），有磁滞(cízhì)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：3d金属Fe，Co，Ni，4f金属铽、铒、铥、钬、等以及很多合金与化合物。T>TC共三十四页五、亚铁磁性

内部(nèibù)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）。Χm>0，大小为1～103

典型代表为铁氧体。

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(yìngyòng)的性能，磁性材料可分为软磁、永磁、旋磁、矩磁、亚磁五类）O共三十四页一、磁化曲线表示(biǎoshì)磁场强度H与所感生的B或M之间的关系O点：H＝0、B＝0、M＝0，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H<Hm时，二曲线基本重合。H>Hm后，M逐渐趋于一定值MS（饱和磁化强度），而B则仍不断增大(原因?)由B－H（M－H）曲线可求出μ或

χ第四节磁化(cíhuà)曲线与磁滞回线

共三十四页二、磁滞回线

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(fǎnhuí)。当H＝0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(cǐshí)H=Hc称为矫顽力。BHC：使B＝0的Hc。MHC：M＝0时的Hc（内禀矫顽力）一般|BHC|<|MHC|共三十四页Hc是表征(biǎozhēnɡ)材料在磁化后保持磁化状态的能力。通常以Hc划分(huàfēn)软磁、永磁、半永磁材料：:软磁:硬磁:半硬磁H从正的最大到负的最大，再回到正的最大时，B—H或M—H形成一封闭的曲线——磁滞回线。（磁材的重要特性之一)

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。共三十四页将退磁曲线上的对B作用(zuòyòng)，可得对B的关系曲线。

磁化曲线与磁滞回线是磁性材料的重要特征(tèzhēng)，能反映许多磁特性，如：μ、

MS(Bs)、Mr(Br)、BHC(MHC)、(BH)max

等。共三十四页思考题：1.设铁磁体为开有小缺口L1的圆环，其圆环轴线周长为L2，当沿圆环周均匀磁化时，该铁磁体的磁化强度为M，试推导在缺口处产生的退磁场强度Hd。2.按照磁化率的符号及大小，物质磁性可以(kěyǐ)分为几类？各自的基本磁结构如何？其Χ-T关系曲线怎么样？共三十四页共三十四页无限(wúxiàn)长直流螺线管