第一章 物質(zhì)磁性基本概念

第一節(jié)基本(jīběn)磁學量第二節(jié)磁化(cíhuà)狀態(tài)下磁體中的靜磁能量第三節(jié)物質(zhì)按磁性分類第四節(jié)磁性材料的磁化曲線和磁滯回線返回放映結(jié)束第一章

物質(zhì)磁性概述共三十四頁一、磁矩μm

(仿照(fǎngzhào)靜電學)

永磁體總是同時(tóngshí)出現(xiàn)偶數(shù)個磁極。磁體無限小時，體系定義為磁偶極子偶極矩：方向：-m指向+m單位：Wb?m+m-ml第一節(jié)

基本磁學量思考：磁體內(nèi)、外部H和B的取向有無不同？正磁極正磁荷+m負磁極負磁荷-m共三十四頁用環(huán)形(huánxínɡ)電流描述磁偶極子：

磁矩：單位：A?m2

二者的物理意義：表征(biǎozhēnɡ)磁偶極子磁性強弱與方向

電子的軌道運動相當于一個恒定的電流回路，必有一個磁矩（軌道磁矩），但自旋也會產(chǎn)生磁矩（自旋磁矩），自旋磁矩是基本粒子的固有磁矩。共三十四頁二、磁化強度

M

（描述宏觀磁體(cítǐ)磁性強弱程度）

單位體積的磁體內(nèi),所有磁偶極矩的jm或磁矩μm的矢量和

，分別為：

磁極(cíjí)化強度：磁化強度：二者物理意義：描述磁體被磁化的方向與強度共三十四頁比磁化強度σ（單位(dānwèi)質(zhì)量磁體內(nèi)具有的磁矩矢量和）三、磁場強度H與磁感應強度

B

均為描述空間任意一點(yīdiǎn)的磁場參量（矢量）1、H：靜磁學定義H為單位點磁荷在該處所受的磁場力的大小，方向與正磁荷在該處所受磁場力方向一致。共三十四頁

實際(shíjì)應用中，往往用電流產(chǎn)生磁場，并規(guī)定H的單位在SI制中，用1A的電流通過直導線，在距離導線r=米處，磁場強度即為1A/m。

共三十四頁常見的幾種電流產(chǎn)生(chǎnshēng)磁場的形式為：1、無限長載流直導線：方向(fāngxiàng)是切于與導線垂直的且以導線為軸的圓周2、直流環(huán)形線圈圓心：r為環(huán)形圓圈半徑，方向由右手螺旋法則確定。3、無限長直流螺線管：n：單位長度的線圈匝數(shù)，方向沿螺線管的軸線方向共三十四頁2、磁感應強度(qiángdù)BSI制中，

自由真空中M=0，B與H平行(píngxíng)，磁體內(nèi)部，B與H不一定平行，單位：B：T或Wb?m－2；H：A/m；

M：A/m；J：Wb?m－2共三十四頁磁學量的單位制：使用(shǐyòng)Gauss單位制時，此時，B的單位為G，H的單位為Oe，μ0=1G/Oe

式中M為磁極密度(mìdù)，單位為G，4πM為磁通線的密度。SI制與Gauss制間的轉(zhuǎn)換

B：1G=10-4TH：103A?m-1的H有4πOe的值，

103/4πA?m-1=79.577A?m-1=1Oe

和共三十四頁磁矩：

在Gauss單位制中μ0=1G/Oe

，則磁偶極矩與磁矩無差別，通稱為磁矩，單位為電磁(diàncí)單位（e.m.u）

1e.m.u(磁偶極矩)＝4π×10－10Wb?m1e.m.u(磁矩)＝10－3A?m2磁化強度：

Gauss單位制中，磁極化強度（J）與磁化強度（M）相同，單位：G共三十四頁四：磁化率與磁導率磁體(cítǐ)置于外磁場中磁化強度M將發(fā)生變化（磁化）。

其中χ稱為磁體的磁化率，是單位(dānwèi)H在磁體內(nèi)感生的M，表征磁體磁化難易程度

令：μ＝（1＋χ)＝B/μ0H

(相對磁導率，表征磁體磁性、導磁性及磁化難易程度）單位：T?m/A或H/mSI制中,絕對磁導率：μ絕對＝B/H∴μ＝μ絕對/μ0共三十四頁磁導率的不同定義(dìngyì)：1、起始磁導率2、最大磁導率μmax3、振幅(zhènfú)磁導率

4、增量磁導率μΔ共三十四頁5、可逆磁導率μrev6、復數(shù)(fùshù)磁導率所有(suǒyǒu)磁導率的值都是H的函數(shù)：共三十四頁一、外磁場(cíchǎng)能H磁體(cítǐ)由于本身的磁偶極矩Jm與H間的相互作用，產(chǎn)生一力矩：第二節(jié)磁化狀態(tài)下磁體中的靜磁能量共三十四頁

θ=00

，L最小，處于穩(wěn)定(wěndìng)狀態(tài)

θ

≠0，L≠0，不穩(wěn)定，會使磁體轉(zhuǎn)到與H方向一致，這就要做功，相當于使磁體在H中位能降低。即：磁體在磁場中位能：（逆時針方向(fāngxiàng)為正）共三十四頁∴單位體積中外(zhōngwài)磁場能（即磁場能量密度）FH是各向異性(ɡèxiànɡyìxìnɡ)的能量共三十四頁二、退磁場與退磁能量(néngliàng)

1、退磁場

有限幾何尺寸的磁體在外磁場中被磁化后，表面將產(chǎn)生磁極，從而使磁體內(nèi)部存在與磁化強度M方向相反的一種磁場，起減退磁化的作用，稱為退磁場Hd。

Hd

的大小與磁體形狀及磁極強度有關(guān)。若磁化均勻，則Hd

也均勻，且與M成正比：其中(qízhōng)N為退磁因子，只與磁體幾何形狀有關(guān)。共三十四頁2、簡單幾何形狀磁體(cítǐ)的退磁因子N對于旋轉(zhuǎn)橢球體，三個主軸方向退磁因子之和：由此可求出：球體：N=1/3

細長(xìchánɡ)圓柱體：Na=Nb=1/2,Nc=0

薄圓板體：

Na=Nb=0,Nc=1abcXYZ3、退磁場能量指磁體在它自身的Hd

中所具有的能量共三十四頁共三十四頁

適用條件：磁體內(nèi)部均勻一致，磁化(cíhuà)均勻。形狀不同或沿不同的方向磁化時，F(xiàn)d也不同，這種因形狀不同而引起的能量各向異性的特征——形狀各向異性。共三十四頁從實用的觀點，根據(jù)磁化率χ（＝M/H）大小與符號，可分為(fēnwéi)五種：TO第三節(jié)物質(zhì)(wùzhì)按磁性分類一、抗磁性

對于電子殼層被填滿的物質(zhì)，其磁矩為零。在外磁場作用下，電子運動將產(chǎn)生一個附加的運動（由電磁感應定律而定），出現(xiàn)附加角動量，感生出與H反向的磁矩。因此：

χd<0，且|χd|～10－5，與H、T無關(guān)。共三十四頁

實例：惰性氣體、許多有機化合物、某些金屬（Bi、Zn、Ag、Mg）、非金屬（如：Si、P、S）二、順磁性

順磁性物質(zhì)具有一固有磁矩，但各原子磁矩取向混亂，對外不顯示宏觀磁性，在磁場作用下，原子磁矩轉(zhuǎn)向H方向，感生出與H一致的M。所以，χp>0，但數(shù)值很?。@微弱(wēiruò)磁性）。室溫下χP：10－3～10－6。如：稀土金屬和鐵族元素的鹽。TO其中：C為居里常數(shù)(chángshù)，TP為順磁性居里溫度。TO共三十四頁三、反鐵磁性即在T＝TN（奈爾溫度(wēndù)）時，χaf

最大。T<TN時，其內(nèi)部(nèibù)磁結(jié)構(gòu)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，故它的宏觀磁性等于零，只有在很強的外磁場作用下才能顯示出微弱的磁性。實例：過渡族元素的鹽類及化合物，如MnO，CrO,CoO等O共三十四頁四、鐵磁性內(nèi)部原子磁矩按磁疇自發(fā)平行取向，有宏觀磁性,只要在很小的磁場作用下就能磁化到飽和。其χf>0（約為10～106），有磁滯(cízhì)現(xiàn)象。當T>TC

時，鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?，服從居里－外斯定律。實例?d金屬Fe，Co，Ni，4f金屬鋱、鉺、銩、鈥、等以及很多合金與化合物。T>TC共三十四頁五、亞鐵磁性

內(nèi)部(nèibù)磁結(jié)構(gòu)卻與反鐵磁性相同，但相反排列的磁矩大小不等量。故亞鐵磁性具有宏觀磁性（未抵消的反鐵磁性結(jié)構(gòu)的鐵磁性）。Χm>0，大小為1～103

典型代表為鐵氧體。

前三種為弱磁性，后兩種為強磁性，具有此二性的材料叫磁性材料，按其被應用(yìngyòng)的性能，磁性材料可分為軟磁、永磁、旋磁、矩磁、亞磁五類）O共三十四頁一、磁化曲線表示(biǎoshì)磁場強度H與所感生的B或M之間的關(guān)系O點：H＝0、B＝0、M＝0，磁中性或原始退磁狀態(tài)OA段：近似線性，起始磁化階段AB段：較陡峭，表明急劇磁化H<Hm時，二曲線基本重合。H>Hm后，M逐漸趨于一定值MS（飽和磁化強度），而B則仍不斷增大(原因?)由B－H（M－H）曲線可求出μ或

χ第四節(jié)磁化(cíhuà)曲線與磁滯回線

共三十四頁二、磁滯回線

從飽和磁化狀態(tài)開始，再使磁化場減小，B或M不再沿原始曲線返回(fǎnhuí)。當H＝0時，仍有一定的剩磁Br或Mr。為使B（M）趨于零，需反向加一磁場，此時(cǐshí)H=Hc稱為矯頑力。BHC：使B＝0的Hc。MHC：M＝0時的Hc（內(nèi)稟矯頑力）一般|BHC|<|MHC|共三十四頁Hc是表征(biǎozhēnɡ)材料在磁化后保持磁化狀態(tài)的能力。通常以Hc劃分(huàfēn)軟磁、永磁、半永磁材料：:軟磁:硬磁:半硬磁H從正的最大到負的最大，再回到正的最大時，B—H或M—H形成一封閉的曲線——磁滯回線。（磁材的重要特性之一)

磁滯回線的第二象限為退磁曲線（依據(jù)此考察硬磁材料性能）,(BH)為磁能積，表征永磁材料中能量大小。(BH)max

是永磁的重要特性參數(shù)之一。共三十四頁將退磁曲線上的對B作用(zuòyòng)，可得對B的關(guān)系曲線。

磁化曲線與磁滯回線是磁性材料的重要特征(tèzhēng)，能反映許多磁特性，如：μ、

MS(Bs)、Mr(Br)、BHC(MHC)、(BH)max

等。共三十四頁思考題：1.設(shè)鐵磁體為開有小缺口L1的圓環(huán)，其圓環(huán)軸線周長為L2，當沿圓環(huán)周均勻磁化時，該鐵磁體的磁化強度為M，試推導在缺口處產(chǎn)生的退磁場強度Hd。2.按照磁化率的符號及大小，物質(zhì)磁性可以(kěyǐ)分為幾類？各自的基本磁結(jié)構(gòu)如何？其Χ-T關(guān)系曲線怎么樣？共三十四頁共三十四頁無限(wúxiàn)長直流螺線管