铁磁学 第一章 物质磁性基本概念

1、第一节 基本磁学量第二节 磁化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 束第一章第一章 物质磁性概述物质磁性概述一、磁矩 m (仿照静电学) 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？正磁极正磁荷+m负磁极负磁荷-m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

2、（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 M （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（单位质量磁体内具有的磁矩矢量和）三、磁场强度 H 与与磁感应强度 B 均为描述空间任意一点的磁场参量（矢量）1、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(

3、CGS)(SI)kgmA/11-21-2dVdMm 实际应用中，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。 21常见的几种电流产生磁场的形式为：1、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rIH2rIH2nIH 2、磁感应强度BSI制中，JHBHBMJBMHMHB000000,)(ii则：令 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

4、Wbm2；H：A/m； M：A/m；J： Wbm2HB0磁学量的单位制：使用Gauss单位制时，此时，B的单位为G，H的单位为Oe，0=1G / Oe 式中M为磁极密度，单位为G，4M为磁通线的密度。SI制与Gauss制间的转换 B：1G=10-4T H：103A m-1的H有4 Oe的值， 103/4 A 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) 4 1010 Wbm 1e.m.u(磁矩) 103A m2磁化强度： Gauss单位制

5、中，磁极化强度（J）与磁化强度（M）相同，单位：G134A10G1T104G1m：MJ四：磁化率与磁导率 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 HHHBM)HB0001)(令：（1 )B/0H (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：绝对B/H 绝对/ 0磁导率的不同定义：1、起始磁导率iHBHilim0012、最大磁导率maxmax0max1HB3、振幅磁导率aaaHB01 4、增量磁导率HB015、可逆磁导率revlim0Hrev6、复数磁导

6、率 i所有磁导率的值都是H的函数：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 =00 ，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(cos300MHVVHHMHJHjuFmFH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

7、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20000021NMMNMMHMMddddF短半径长半径对椭球体：长轴

8、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 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

9、H反向的磁矩。因此： d0，但数值很小（显微弱磁性）。室温下P：103106。如：稀土金属和铁族元素的盐。Td/ 1O其中：C为居里常数，TP为顺磁性居里温度。Td/ 1O三、反铁磁性定值。不增反降，并逐渐趋于，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。f1TcTPTTTC五、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

10、结构的铁磁性）。 m0 ，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，按其被应用的性能，磁性材料可分为软磁、永磁、旋磁、矩磁、亚磁五类）m1TcTpTO一、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(原因?)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 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。当H0时，

11、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Hc。MHC： M0时的Hc（内禀矫顽力）一般| BHC | | MHC |Hc是表征材料在磁化后保持磁化状态的能力。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:硬磁:半硬磁 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) 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 对B作用，可得 对B的关系曲线。(BH)(BH) 磁化曲线与磁滞回线是磁性材料的重要特征，能反映许多磁特性，如： 、 MS(Bs)、Mr(Br)、 BHC(MHC)、 (BH)max 等。思考题：思考题：1.设铁磁体为开有小缺口设铁磁体为开有小缺口L1的圆环，其圆环轴线周的圆环，其圆环轴线周长为长为L2，当沿圆环周