研究生磁性物理 第一章

1、第一章第一章 物质磁性概述物质磁性概述 1.1 基本磁学量基本磁学量 1.2 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 1.3 物质按磁性分类物质按磁性分类 1.4 磁性材料的磁化曲线和磁滞回线磁性材料的磁化曲线和磁滞回线 1.1 基本磁学量基本磁学量 l一、磁矩一、磁矩(moment) l任何磁体都有两个极（至今未见磁单极），其一任何磁体都有两个极（至今未见磁单极），其一 为北极（为北极（N极，指北），另一为南极（极，指北），另一为南极（S极，指极，指 南）。磁北极由若干正的磁荷（南）。磁北极由若干正的磁荷（+m）构成，南构成，南 极由负的等量磁荷（极由负的等量磁荷（-m）构成。

2、这是磁荷观点。构成。这是磁荷观点。 正负磁荷构成磁偶极子：设相距正负磁荷构成磁偶极子：设相距l的磁荷构成磁的磁荷构成磁 偶极子，其偶极矩（矢量）为，偶极子，其偶极矩（矢量）为， lmjm 方向为由方向为由-m指向指向+m，单位单位Wb.m。 另外一种观点为环形电流观点。设环形电流另外一种观点为环形电流观点。设环形电流i， 面积为面积为A。用用 表示一个矢量，其大小为环的表示一个矢量，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，组成右手螺旋法则。电流的磁矩为， 单位为单位为A.m2。 Ai m A 磁偶极矩磁偶极矩(

3、magnetic dipolemoment)与磁矩与磁矩(magnetic moment)表示同样的物理意义，但有不同的定义与表示同样的物理意义，但有不同的定义与 单位，它们之间的关系为单位，它们之间的关系为 mm j 0 关于电子自旋磁矩的解释：电子绕原子核旋转形成轨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，无如质子、中子等）具有固有磁矩。这是量子效应，无

4、经典对应量。经典对应量。 二、磁化强度二、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积元内包含大量磁偶极矩或磁矩分别用 m j 表示。定义单位体积内具有的磁偶极矩矢量表示。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。体具有的磁矩矢量和称为磁化强度，用表示。 和和 m J M V j J m V M m

5、J和和M也有关系也有关系MJ 0 另外，还有一个表示磁性强弱的物理量叫比磁化强另外，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，度，即单位质量磁性体内具有的磁矩矢量和， M V m 式中为磁性体的密度，的单位是式中为磁性体的密度，的单位是A.m-1，的单位是的单位是 A.m2.kg-1。 M 三、磁场强度和磁感应强度三、磁场强度和磁感应强度 磁荷磁荷(magnetic charge)观点：观点： 定义磁场强度定义磁场强度H等于单位点磁荷在某处所受磁场力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。即的大小，其方向为正磁荷受力的方向。即 m

6、FH/ 两个点磁荷之间的相互作用力，两个点磁荷之间的相互作用力， r r mm kF 2 21 式中的式中的k在真空中（国际单位制），在真空中（国际单位制）， 0 4 1 k 7 0 104 H/m真空磁导率。真空磁导率。 实际应用中实际应用中,常由电流产生磁场常由电流产生磁场,并用稳恒电流产生的并用稳恒电流产生的 磁场强度来定义磁场强度的单位。在磁场强度来定义磁场强度的单位。在SI单位制中，单位制中， 用用I=1A的电流通过直导线，在距直导线的电流通过直导线，在距直导线 2 1 r 米处的磁场强度规定为米处的磁场强度规定为1A/m。 1.无限长直导线的磁场，无限长直导线的磁场， r I H

7、2 2.环形线圈圆心处的磁场，环形线圈圆心处的磁场， r I H 2 3.无限长螺线管无限长螺线管(solenoid)内的磁场强度，内的磁场强度， nIH 磁感应强度磁感应强度B的定义式，的定义式， JHMHB 00 )( B的单位是的单位是T或或Wb.m-2=T（高斯制高斯制Gs）。）。 真空中，磁化强度为零，当磁场强度为真空中，磁化强度为零，当磁场强度为 A/m时，相应的磁感应强度为时，相应的磁感应强度为1T。 高斯单位制及其换算：高斯单位制及其换算： 4/10 7 磁场：磁场： OemAmA1/577.79/ 4 103 磁感应强度：磁感应强度： GsT 4 101 真空中真空中1Oe(

8、磁场强度磁场强度)=1Gs(磁感应强度磁感应强度) 磁矩：磁矩： 23 101Amemu 磁化强度：磁化强度： mAGs/101 3 四、磁化率（四、磁化率（magnetic susceptibility）和磁导率和磁导率 (magnetic permeability) 对一定的磁性材料对一定的磁性材料(如顺磁如顺磁,抗磁性抗磁性)，其磁化强度，其磁化强度M和和 磁场强度磁场强度H有如下关系，有如下关系， HMHM / 这里，这里，x为磁体的磁化率，即单位磁场在磁体内产生为磁体的磁化率，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。的磁化强度，表征磁体磁化的难易程度。 HH HH

9、MHB 00 00 )1 ( )()( 这里，这里， 1 为相对磁导率，而将为相对磁导率，而将 0 )1 ( 称为绝对磁导率。称为绝对磁导率。 几种不同种类磁导率的定义几种不同种类磁导率的定义 初始磁导率初始磁导率(initial permeability) H B H i 0 0 lim 1 最大磁导率最大磁导率(maximum permeability) max 0 max )( 1 H B 振幅磁导率振幅磁导率 a a a H B 0 1 增量磁导率增量磁导率 H B 0 可逆磁导率可逆磁导率(reversiblepermeability) 0 Re lim H v 1.2 磁化状态下磁

10、体中的磁化状态下磁体中的 静磁能量静磁能量 一、磁体中的磁场作用能量一、磁体中的磁场作用能量 磁极化强度为磁极化强度为J（磁化强度为磁化强度为M）的物体的物体,在外磁在外磁 场场H的作用下，有一力矩，的作用下，有一力矩， HJL sinJHL 大小为大小为 如果把物体转动，使如果把物体转动，使J与与H之间的角度之间的角度增加增加d，对对 磁体做功，能量增加。设角度由磁体做功，能量增加。设角度由0增加到增加到，则物体则物体 在外场中的能量为在外场中的能量为 CJHdJHLdF cossin C为常数。通常选择为常数。通常选择=900时为能量零点，即时为能量零点，即C=0.这这 样物体在外磁场作用

11、下的能量样物体在外磁场作用下的能量,即外磁场能为即外磁场能为 HMMHJHF 00 coscos cos 00 MHHMF 当当M与与H方向平行时，能量最低方向平行时，能量最低(为负值为负值,状态最稳定状态最稳定): MHF 0 当当M与与H垂直时，能量为零垂直时，能量为零; 0F 当当M与与H方向反平行时，能量最高方向反平行时，能量最高(为正值为正值,状态最状态最 不稳定不稳定): MHF 0 磁体在外磁场中所具有的能量密度，磁体在外磁场中所具有的能量密度， 二、退磁场二、退磁场(demagnetization field)和退磁场和退磁场 能量能量(demagnetization fiel

12、d energy) 1 退磁场的概念退磁场的概念 对于有限尺寸的磁性体，在外磁场对于有限尺寸的磁性体，在外磁场H中被磁化后，磁中被磁化后，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 磁化强度磁化强度M相反方向的磁场相反方向的磁场Hd，它起着减退磁场的它起着减退磁场的 作用，故称为退磁场。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，对于均匀磁化，退磁场与磁化强度成正比， MNH d 式中，式中，N为退磁因子为退磁因子,它与磁体的几何形状有关。国际它与磁体的几何形状有关。国际 单位制单位制N的取值在的取值在01之间（之间（CGS制取

13、值为制取值为0-4） 2简单几何形状磁体的退磁因子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，对于旋转椭球体，三个主轴方向的退磁因子之和， 1 cba NNN （国际单位制）（国际单位制） 4 cba NNN （CGS制）制） 对于长旋转椭球，对于长旋转椭球， cba 1)1ln( 1 1 1 2 2 2 2 kk k k k Nc)1 ( 2 1 cba NNN 这里，这里， b c a c k 若若k1， 1)2ln( 1 2 k k Nc 以下讨论退磁因子均为国际单位制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简单几何形状磁体的退磁因子 对于

14、扁旋转椭球体，对于扁旋转椭球体， cba 1 11 sin ) 1(2 1 2 2 1 2/32 2 kk k k k Nc kk Nc 2 1 4 (当当k1时时) cb NN ca NN21 这里，这里， ack/ 几个特例，几个特例， 球形：球形： 3/1 cba NNNN 细长圆棒：细长圆棒： 1/ack2/1, 0 bac NNN 无限大薄片：无限大薄片： bc 0 bc NN1 a N 尺寸比尺寸比c/a长椭圆体长椭圆体 a=bc 扁椭圆体扁椭圆体 b=ca 长圆柱长圆柱 01.00001.00001.0000 10.33330.33330.2700 20.17350.23640.

15、1400 50.05580.12480.0400 100.02030.06960.0172 200.006750.03690.00617 500.001440.014720.00129 1000.0004300.007760.00036 2000.0001250.003900.00009 5000.00002360.0015670.000014 10000.00000660.0007840.0000036 20000.00000190.0003920.0000009 沿沿c轴磁化的旋转椭球和圆柱的退磁因子（轴磁化的旋转椭球和圆柱的退磁因子（SI制）制） 3.退磁场能量（形状各向异性）退磁场能量

16、（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。退磁场能。 2 02 1 0 0 0 0 NMNMdMdMHF MM dd 显然，沿不同方向的退磁能不相同，称其为形状各显然，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。向异性。退磁场能量是形状各向异性。 1.3物质按磁性分类物质按磁性分类 (1) 抗磁性抗磁性(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，其磁化率化强度，其磁化率 0 这种磁性称为抗磁性。其磁化率

17、不仅小于零，而且数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，一般为值非常小，一般为 10-5数量级磁化率的性质与磁场，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（如物，若干金属（如Bi, Zn, Ag,Mg）非金属（如非金属（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。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。抗磁性的产生机理是电磁相互作用。 (2) 顺磁性顺磁性(pa

18、ramagnetism) 许多物体在外场下感生出与磁场方向相同的磁化强度，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，一般其磁化率大于零，但数值也很小，一般10-310-6其为其为 顺磁性。顺磁性的物体有固有的原子磁矩，但各原子顺磁性。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，服从致的磁化强度。顺磁磁化率与温度有密切关系，服从 居里定

19、律居里定律(Curie Law)， T C p 或，居里或，居里-外斯定律外斯定律(Curie-Weiss Law)， p p TT C 关于顺磁性的关于顺磁性的Langevin理论，将在第三章自发磁化理论，将在第三章自发磁化 理论中讲述理论中讲述 。 (3)反铁磁性反铁磁性(anti-feromagnetism） 对某种物质，当温度达到某个临界值对某种物质，当温度达到某个临界值TN以上时，磁以上时，磁 化率与温度的关系与正常顺磁性物质相似，服从居化率与温度的关系与正常顺磁性物质相似，服从居 里里-外斯定律，但表现出的外斯定律，但表现出的Tp常常小于零。当常常小于零。当TTN 时，磁化率不是继

20、续增大而是降低，并逐渐趋于定时，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值。所以这类物质的磁化率在温度等于TN时存在最时存在最 大值。显然大值。显然TN是一个临界温度，称为奈尔温度。反是一个临界温度，称为奈尔温度。反 铁磁性的例子：铁磁性的例子：MnO, CrO2, CoO等。反铁磁性的次等。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。零，只有在很强的磁场下，才显示微弱的磁性。 (4) 铁磁性铁磁性(Ferromagnetism) 铁磁性物质在很小的磁场下即

21、可达到饱和，磁化率大于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（零，且数值很大（106）。磁化强度随磁场变化有磁滞。）。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，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磁化率随温度变化符合居里-外斯定律。外斯定律。 p TT C 物质物质FeCoNiGdTbDyHoErTm Tc(K)1043139663129321989202032 (5) 亚铁磁性亚铁磁性(Ferrimagnetism) 亚铁磁性的宏观磁性与铁磁性相同，仅仅数量级亚铁磁性的宏观磁性与铁磁性相同，

22、仅仅数量级 小一点。它的内部磁结构与反铁磁性相似，次晶小一点。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。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、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，它亚铁磁性为强磁性。强磁材料也叫磁性材料，它 又分为软磁又分为软磁(soft magnetism)、硬磁硬磁(Hard magnetism, or permanent magnetism), 、旋磁、巨旋磁、巨 磁和压磁。磁和压磁。 下图是

23、五种磁性的磁下图是五种磁性的磁 化率随温度变化曲线化率随温度变化曲线 T/1 T/1 下图是五种磁性的基本磁结构下图是五种磁性的基本磁结构 1.4 磁性材料的磁化曲线磁性材料的磁化曲线(magnetic Curve和和 磁滞回线磁滞回线(magnetic Hysteresis loop) 一、磁化曲线一、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磁化曲线是指磁场强度与所感应出的磁感应强度(B)或或 磁化强度（磁化强度（M）的关系。的关系。 磁化曲线的测量方法很多，例如，振动样品磁强计，磁化曲线的测量方法很多，例如，振动样品磁强计， PPMS和和MPMS、SQUID、磁天平、磁化曲线（

24、磁滞磁天平、磁化曲线（磁滞 回线）测量仪等。回线）测量仪等。 B-H曲线与曲线与M-H曲线的转化，利用曲线的转化，利用 )( 0 MHB 二、磁滞回线二、磁滞回线(magnetic hysteresis loop) 首先将样品磁化饱和，然后降低磁场。磁场降低过程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，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）余磁化强度（剩余磁感应强度）Mr(Br)。为了使为了使M或或B 进一步减小，需要反向加大磁场。当反向磁场达到某进一步减小，需要反向加大磁场。当反向磁场达到某 一值时，一值时，M(或或B)降为零。这时所加的场称为矫顽力降为零。这时所加的场称为矫顽力 (Coercivity或或Coercive field)BHC，或或MHC。一般有一般有 CBCM HH 而而MHC为内