第一章 物质磁性概述(New)

1、第一节第一节 基本磁学量基本磁学量第二节第二节 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第三节第三节 物质按磁性分类物质按磁性分类第四节第四节 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第三章第三章 物质磁性概述物质磁性概述一、一、磁矩磁矩 m (仿照静电学仿照静电学) 永磁体总是同时出现偶数个磁极。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磁体无限小时，体系定义为磁偶极子偶极矩：偶极矩： 方向：方向：-m指向指向+m单位：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、外部思考：磁体内、外部H和和B的取的取向有无不同

2、？向有无不同？用环形电流描述磁偶极子用环形电流描述磁偶极子： 磁矩：磁矩： 单位：单位：A m2 二者的物理意义二者的物理意义： 表征磁偶极子磁性强弱与方表征磁偶极子磁性强弱与方向向Aim170mH104ommj 电子的轨道运动相当于一个恒定的电流回路，必有一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（个磁矩（轨道磁矩轨道磁矩），但自旋也会产生磁矩（），但自旋也会产生磁矩（自旋磁自旋磁矩矩），自旋磁矩是基本粒子的固有磁矩。，自旋磁矩是基本粒子的固有磁矩。二、二、磁化强度磁化强度 M （描述宏观磁体磁性强弱程度）（描述宏观磁体磁性强弱程度） 单位体积单位体积的的磁体内磁体内,所有磁偶极

3、矩的所有磁偶极矩的 jm或磁矩或磁矩m的的矢量和矢量和 ，分别为，分别为： 磁极化强度：磁极化强度：)(2mWbVmjJ磁磁 化化 强强 度：度：)m(A1VmMMJj0m0m二者物理意义二者物理意义：描述磁体被磁化的方向与强度：描述磁体被磁化的方向与强度比磁化强度比磁化强度（单位质量磁体内具有的磁矩矢量和）（单位质量磁体内具有的磁矩矢量和）emu/g1kgmA1emu/g(CGS)(SI)kgmA/11-21-2dVdMm三、三、磁场强度磁场强度 H 与磁感应强度与磁感应强度 B均为描述空间任意一点的磁场参量（矢量）均为描述空间任意一点的磁场参量（矢量）1 1、H ：静磁学定义静磁学定义H为

4、单位点磁荷在该处所受的磁场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。力的大小，方向与正磁荷在该处所受磁场力方向一致。032141,krrmmkFmFH其中计算磁偶极子产生的磁场强度：计算磁偶极子产生的磁场强度：如图有：cos221cos222cos221cos121cos22212lrlrlrrlrrlrlrlrrrmrkmdrrmkdrmFHdrrrr0224HHrH1H2H1r2rr-m+ml磁位势：3020202222000201021414coscos4cos41cos42cos112cos1142cos12cos14.44rrjrmlrlrmlrlr

5、lrmlrlrmrmrmmmrj5304303303034134111414rrrjrrjrrrHmmmmmmmrjrjrjrjrjH沿r 方向及使 角增加方向的分量计算： 在球坐标系中：sin11rererer303030302020sin41cos241sin41cos2414cos14cosrjrjrjerjerjrerjremmrmmrmmrHHH 由于矢量H沿任何方向的分量等于磁位势 在该方向上单位长度的减少率，故H沿r方向和沿 方向的分量分别是：30o30o3030sin41,90cos241,0sin41,cos241rjHrjHrjHrjHmmrmmrHH：在从m到m的位 移矢

6、量延长线上：在l的中垂面上 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常见的几种电流产生磁场的形式为：1、无限长载流直导线无限长载流直导线：方向是切于与导线垂直的且以方向是切于与导线垂直的且以导线为轴的圆周导线为轴的圆周2、直流环形线圈圆心直流环形线圈圆心：r为环形圆圈半径，方向由右为环形圆圈半径，方向由右手螺旋法则确定。手螺旋法则确定。3、无限长直流螺线管无限长直流螺线管：n：单位长度的线圈匝数，：单位长度的线圈匝数，方向沿螺线管的轴线方向方向沿螺线管的轴线方向rIH2r

7、IH2nIH 2、磁感应强度磁感应强度BSISI制中制中，JHBHBMJBMHMHB000000,)(ii则：令 自由真空中自由真空中M=0M=0，B B与与H H平行，平行， 磁体内部，磁体内部，B B与与H H不一定平行不一定平行，JHB0单位：B：T或Wbm2；H：A/m； M：A/m；J： Wbm2HB0磁学量的单位制：磁学量的单位制：使用使用GaussGauss单位制时，单位制时，此时，此时，B的单位为的单位为G，H的单位为的单位为Oe，0=1G / Oe 式中式中M为磁极密度，单位为为磁极密度，单位为G G，4M为磁通线的密度。为磁通线的密度。SI制与制与Gauss制间的转换制间的

8、转换 B：1G=10-4T H：103A m-1的的H有有4Oe的值，的值， 103/4 A m-1=79.577A m-1=1 Oe MHB4iBHB0和和磁矩：磁矩：在在Gauss单位制中单位制中0=1G / Oe ，则磁偶极矩与磁矩无则磁偶极矩与磁矩无差别，通称为磁矩，单位为电磁单位（差别，通称为磁矩，单位为电磁单位（e.m.u） 1e.m.u(磁偶极矩磁偶极矩) 4 1010 Wbm 1e.m.u(磁矩磁矩) 103A m2 2磁化强度：磁化强度：Gauss单位制中，磁极化强度（单位制中，磁极化强度（J）与磁化强度（）与磁化强度（M）相同，单位相同，单位：G134A10G1T104G1

9、m：MJ四：磁化率与磁导率四：磁化率与磁导率磁体置于外磁场中磁化强度磁体置于外磁场中磁化强度M将发生变化（磁化）。将发生变化（磁化）。HMHM，其中其中称为磁体的磁化率，是单位称为磁体的磁化率，是单位H在磁体内感生的在磁体内感生的M，表征磁体磁化难易程度表征磁体磁化难易程度 HHHBM)HB0001)(令令：（1 )B/0H ( (相对磁导率，表征磁体相对磁导率，表征磁体 磁性、导磁性及磁化难易程度）磁性、导磁性及磁化难易程度） 单位：单位：T m/A或或H/mSISI制中制中, ,绝对磁导率：绝对磁导率：绝对绝对B/H 绝对绝对/ 0磁导率的不同定义磁导率的不同定义：1 1、起始磁导率、起始

10、磁导率iHBHilim0012 2、最大磁导率、最大磁导率maxmax0max1HB3 3、振幅磁导率、振幅磁导率aaaHB01 4 4、增量磁导率、增量磁导率HB015 5、可逆磁导率、可逆磁导率revlim0Hrev6 6、复数磁导率、复数磁导率 i所有磁导率的值都是所有磁导率的值都是H的函数：的函数：一、外磁场能一、外磁场能HmJ磁体由于本身的磁偶极矩磁体由于本身的磁偶极矩Jm与与H间的相互作用，产间的相互作用，产生一力矩：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sinsinsin2sin2mlHlFlFlFLsinsinsin2sin2mlHlFlF

11、lFL =00 ，L最小，处于稳定状态最小，处于稳定状态 （逆时针方向为正）（逆时针方向为正） 0，L 0，不稳定，会使磁体转到与，不稳定，会使磁体转到与H方向一致，方向一致，这就要做功，相当于使磁体在这就要做功，相当于使磁体在H中位能降低。中位能降低。即：磁体在磁场中位能：即：磁体在磁场中位能：HjmccmlHdmlHLdWu)0( ,cossin取单位体积中外磁场能（即单位体积中外磁场能（即磁场能量密度磁场能量密度）)J/m(cos300MHVVHMHJHjuFmFH是各向异性的能量是各向异性的能量二、退磁场与退磁能量退磁场与退磁能量 1、退磁场、退磁场 有限几何尺寸的磁体在外磁场中被磁化

12、后，表面将产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生磁极，从而使磁体内部存在与磁化强度M方向相反方向相反的一种磁场，起减退磁化的作用，称为的一种磁场，起减退磁化的作用，称为退磁场退磁场Hd Hd 的的大小与磁体形状及磁极强度有关。若磁化均匀，大小与磁体形状及磁极强度有关。若磁化均匀，则则Hd 也均匀，且与也均匀，且与M成正比成正比： Hd = -NM其中其中N为退磁因子，只与磁体几何形状有关。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、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：对于旋转椭球体，三个主轴

13、方向退磁因子之和：1cbaNNN由此可求出：由此可求出： 球球 体：体： N = 1/3 细长圆柱体：细长圆柱体：Na = Nb = 1/2, Nc = 0 薄圆板体：薄圆板体： Na = Nb = 0, Nc = 1abcXYZ3、退磁场能量、退磁场能量 指磁体在它自身的指磁体在它自身的Hd 中所具有的能量中所具有的能量20000021NMMNMMHMMddddF短半径长半径对椭球体：长轴kkkNNNMNMNMNFkMNjMNiMNHkkkNzyxzzyyxxdzzyyxxd1)1ln(111121222222020220202/14/16/1zdyxddMFMMFMF薄圆板片：细长圆柱体：

14、球体： 适用条件：磁体内部均匀一致，磁化均匀。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，形状不同或沿不同的方向磁化时，Fd也不同，这种也不同，这种因形状不同而引起的能量各向异性的特征因形状不同而引起的能量各向异性的特征形状各形状各向异性向异性。第三节第三节 物质按磁性分类物质按磁性分类从实用的观点，根据磁化率从实用的观点，根据磁化率（M/H）大小与符号，大小与符号，可分为五种：可分为五种：1. 抗磁性：抗磁性： 没有固有原子磁矩没有固有原子磁矩2. 顺磁性：顺磁性： 有固有磁矩，没有相互作用有固有磁矩，没有相互作用3. 铁磁性：铁磁性： 有固有磁矩，直接交换相互作用

15、有固有磁矩，直接交换相互作用4. 反铁磁性：反铁磁性： 有磁矩，直接交换相互作用有磁矩，直接交换相互作用5. 亜亜铁磁性：铁磁性： 有磁矩，间接交换相互作用有磁矩，间接交换相互作用 d1TO一、抗磁性一、抗磁性 对于电子壳层被填满的物质，对于电子壳层被填满的物质，其磁矩为零。在外磁场作用下，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（由电磁感应定律而定），出现附加角动量，附加角动量，感感生出与生出与H反向的反向的磁矩。磁矩。因此：因此： d0，但数值很小但数值很小（显微弱磁性（显微弱磁性）。室温下室温下P：10-310-6。

16、如：稀土金属和铁族元素的盐。如：稀土金属和铁族元素的盐。，居里外斯定律，居里定律PPPTTCTCTd/ 1O其中：其中：C为居里常数，为居里常数，TP为顺磁性居里温度。为顺磁性居里温度。Td/ 1O三、反铁磁性三、反铁磁性定值。不增反降，并逐渐趋于，但，服从afNppafNTTTTTCTT,0即在即在TTN（奈尔温度）时，（奈尔温度）时， af 最大。最大。1NTTO三、反铁磁性三、反铁磁性T0（约为（约为10106），），有磁滞有磁滞现象。现象。 当当 TTC 时，铁磁性转变为顺磁时，铁磁性转变为顺磁性，服从居里外斯定律。性，服从居里外斯定律。 实例：实例：3d金属金属Fe，Co，Ni，4f

17、金金属铽、铒、铥、钬、等以及很多属铽、铒、铥、钬、等以及很多合金与化合物。合金与化合物。f1TcTPTTTC五、亚铁磁性五、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）。反铁磁性结构的铁磁性）。 m0 ，大小为大小为1 103 典型代表为典型代表为 铁氧体铁氧体。m1TcTpTO前三种为弱磁性，后两种为强磁性，具有此二前三种为弱磁性，后两种为强磁性，具有此二性的材料叫性的材料叫磁性材料磁性材料.按其被应用的性能，磁性材料可分为按其被应

18、用的性能，磁性材料可分为软磁、永软磁、永磁、旋磁、矩磁、亚磁五类磁、旋磁、矩磁、亚磁五类一、磁化曲线一、磁化曲线表示磁场强度表示磁场强度H与所感生的与所感生的B或或M之间的关系之间的关系O点：点：H0、B0、M0，磁中性或原始退磁状态磁中性或原始退磁状态OA段：段：近似线性，起始磁化近似线性，起始磁化阶段阶段AB段：段：较陡峭，表明急剧磁较陡峭，表明急剧磁化化第四节第四节 磁化曲线与磁滞回线磁化曲线与磁滞回线HHm后，后，M逐渐趋于一定逐渐趋于一定值值MS（饱和磁化强度），（饱和磁化强度），而而B则仍不断增大则仍不断增大(原因原因? ?) )由由BH（MH）曲线可求）曲线可求出出或或 二、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，从饱和磁化状态开始，再使磁化场减小，B或或M不再沿不再沿原始曲线返回。当原始曲线返回。当H0时，仍有一定的剩磁时，仍有一定的剩磁Br或或Mr。 为使为使B（M）趋于零，需反）趋于零，需反向加一磁场，此时向加一磁场，此时H=Hc称称为矫顽力。为矫顽力。BHC：使：使B0的的