第一章物质磁性概述教材课件

第一章物质磁性概述第一节基本磁学量第三节磁化状态下磁体中的静磁能量第四节磁性材料的磁化曲线和磁滞回线第二节物质按磁性分类第一节基本磁学量BasicPhysicalQuantityofMagnetism一、磁矩

m

(MagneticMoment)永磁体总是同时出现偶数个磁极

当磁体无限小时，体系定义为元磁偶极子：指强度相等，极性相反并且其距离无限接近的一对“磁荷”磁偶极矩：方向：-m指向+m单位：Wb∙m+m-ml

安培提出了磁偶极子与电流回路元在磁性上的相当性原理，并根据它认为宏观物质的磁性起源于“分子电流”假说，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

单位体积的磁体内,所有磁偶极子的jm或磁矩μm的矢量和

，分别为：

磁极化强度：磁化强度：二、磁化强度M（Magnetization）说明：描述宏观磁体磁性强弱程度的物理量比磁化强度σ（单位质量磁体内具有的磁矩矢量和）1、磁场强度H(magneticintensity)：(静磁学定义)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。三、磁场强度H与磁感应强度B物理意义：均为描述空间任意一点的磁场参量（矢量）计算磁偶极子产生的磁场强度：r-m+ml磁位势

：H沿r

方向及使θ

角增加方向的分量计算：：在从－m到＋m的位移矢量延长线上：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=1/2π米处，磁场强度即为1A/m。

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2、磁感应强度B(magneticfluxdensity):预备知识：SI(MKSA)单位制和Gauss(CGS)单位制A、SI单位制：主要磁学量都用电流的磁效应来定义，其中磁感应强度B为主导量（凡涉及到与其他物理量的相互作用，都必须使用B）

磁感应强度B的定义可由安培公式得出：

根据安培环路定理可定义磁场强度H：H为导出量，仅用于计算传导电流所产生的磁场，不能代表磁场强度与外界发生作用B、Guass单位制（绝对电磁单位制）：早年使用的单位制，所有的磁学量都是通过磁偶极子的概念建立起来的其中磁化强度M被定义为：单位：Guass磁场强度H被定义为：单位：Oe

引入磁感应强度B，使之满足如下关系：在Guass单位制中，M和H都有明确的物理意义，是基本物理量，而B只是一个导出量附一：两种观点的比较（即两种单位制的比较）1、两种单位制对磁学量的定义来源于两种不同的观点；2、在SI单位制中（依据于分子电流观点），磁场用磁感应强度B来描述，而磁场强度H只是一个导出量，它存在的惟一含义就是满足3、在Guass单位制中（依据于磁偶极子观点），磁场用磁场强度H描述，它是电流和磁性体所产生的磁场强度的矢量和，而磁感应强度B只是一个引入的辅助量，仅在于满足方程divB=0。从物理的角度来看到底哪一种观点更加合理、更加接近于物质磁性起源的真实情况呢？从目前来看，视乎分子电流的观点更接近于真实情况a、电子的轨道磁矩来自电子的轨道电流，支持分子电流的观点；b、狄拉克(Dirac)虽然从理论上预言了“磁单极”的存在，但至今没有发现“磁单极”，使磁偶极子的概念失去了存在的基础。附二：SI单位制和Gauss单位制的转换（1）、B：1G=10-4TH：103A/m的H有4πOe的值，

103/4πA/m=79.577A/m=1Oe

（2）、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)＝4π×10-10Wb

m1e.m.u(磁矩)＝10-3A

m2（3）、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

磁体置于外磁场中磁化强度M将发生变化（磁化）

其中

称为磁体的磁化率(susceptibility)，是单位磁场强度H在磁体内感生的M，表征磁体磁化难易程度的物理量

令：磁导率(permeability)

=（1＋

)=B/

0H

（相对磁导率，表征磁体磁性、导磁性及磁化难易程度）四、磁化率

与磁导率

磁导率的不同表达形式（不同磁化条件）：（1）起始磁导率

i：磁中性状态下磁导率的极限值弱磁场下使用的磁体（2）最大磁导率

max：材料磁化过程中的最大值（3）复数磁导率

：磁体在交变磁场中磁化动态磁化中经常遇到（4）增量磁导率

Δ：在稳恒磁场H0作用下，叠加一个较小的交变磁场交变磁感应强度的峰值交变磁场强度的峰值（5）可逆磁导率

rev：交变磁场趋于0时，

Δ的极限值（6）微分磁导率

diff：起始磁化曲线上任意一点的斜率NOTE：所有磁导率都是磁场强度H的函数第二节物质按磁性分类ClassificationofMagneticMaterials

为了方便研究物质磁性的起因，我们可以按其在磁场中的表现把物质进行分类，例如依据磁化率的正负、大小及其与温度的关系来进行分类，分类是否科学取决于是否反映了内在磁性机理上的不同。随着研究的深入，分类也在不断完善和细化，到上个世纪70年代为止，在晶状固体里，共发现了五种主要类型的磁结构物质，它们的形成机理和宏观特征各不相同，对它们的成功解释形成了今天的磁性物理学核心内容。上世纪70年代以后，随着非晶材料和纳米材料的兴起，又发现了一些新的磁性类型，对它们的研究尚在深化之中。一.物质磁性的分类（1）当受到外磁场H作用后，感生出与H方向相反的磁化强度，故其

d

<0

（2）绝对数值很小，一般为10-5

（3）与磁场、温度均无关HM

<0T二、抗磁性（Diamagnetism）深入研究发现，典型抗磁性是轨道电子在外磁场中受到电磁作用而产生的，因而所有物质都具有的一定的抗磁性，但只是在构成原子（离子）或分子的磁距为零，不存在其它磁性的物质中，才会在外磁场中显示出这种抗磁性。在外场中显示抗磁性的物质称作抗磁性物质。除了轨道电子的抗磁性外，传导电子也具有一定的抗磁性，并造成反常。

自然界中很多物质都是抗磁性物质：周期表中三分之一的元素、绝大多数的有机材料和生物材料都是抗磁性物质。包括：稀有气体：He,Ne.Ar,Kr,Xe

多数非金属和少数金属：Si,Ge,S,P,Cu,Ag,Au,

不含过渡族元素的离子晶体：NaCl,KBr,

不含过渡族元素的共价键化合物：H2,CO2,CH4

等几乎所有的有机化合物和生物组织：水；反常抗磁性物质：Bi,Ga,Zn,Pb,磁化率与磁场、温度有关。-1.9-7.2-19.4-28.0-43见姜书p25CGS单位制克分子磁化率它们的电子壳层都是满壳层，所以原子磁矩为零。在CGS单位制下，抗磁磁化率的典型值是10-6cm3·mol-1。统一换成体积磁化率的数值，量级是10-6。换成SI单位制下应乘以4π，量级在10-5。Kittel书数据（2002）

ρn0.20540.0971.5120.180.431.7739.950.853.0983.801.033.78131.31.24

密度原子量体积磁化率

×10-6见冯索夫斯基《现代磁学》(1953)p74一些抗磁性金属在20℃时的克分子磁化率（CGS单位）：（1）当受到外磁场H作用后，感生出与H方向相同的磁化强度，其

p>0

（2）数值很小，一般为10-6～10-3

（3）磁化率与温度的关系遵从居里－外斯定律M

>0TTp

p＝10-6～10-3H三、顺磁性（Paramagnetism）C

称作居里常数，Tp

称作居里顺磁温度NOTE：服从居里-外斯定律的物质都是在某一个温度之上才显示顺磁性，这个温度之下，表现为其它性质。典型顺磁性物质的基本特点是含有具有未满壳层的原子（或离子），具有一定的磁矩，是无规分布的原子磁矩在外磁场中的取向产生了顺磁性。此外，传导电子也具有一定的顺磁性。

顺磁性物质也很多，常见的顺磁性物质：

过渡族元素、稀土元素和锕系元素金属：Mn,Cr,W,La,Nd,Pt,Pa,

含有以上元素的化合物：MnSO4,FeCl3,FeSO4,Gd2O3,

碱金属和碱土金属：Li,Na,K,Ru,Cs,Mg,Ca,Sr,Ba

包含有奇数个电子的原子或分子：

HCl,NO,有机化合物中的自由基少数含有偶数个电子的化合物：

O2,有机物中的双自由基等（1）很容易被磁化到饱和（只需要很小的磁场）（2）

f>0，且为101～105

（3）也存在一个临界温度TC

（4）M－H呈非线性关系四、铁磁性（Ferromagnetism）

构成这类物质的原子也有一定的磁矩，但宏观表现却完全不同于顺磁性，解释铁磁性的成因已成为对人类智力的最大挑战，虽然经过近100年的努力已经有了比较成功的理论，但仍有很多问题有待后人去解决。表现为铁磁性的元素物质只有以下几种：一些过渡族元素和稀土元素金属：

但以上面元素为主构成的铁磁性合金和化合物是很多的，它们构成了磁性材料的主体，在技术上有着重要作用，例如：Fe-Ni,Fe-Si,Fe-Co,AlNiCo,CrO2,EuO,GdCl3,室温以上，只有4种元素是铁磁性的。

N在某一温度TN处存在最大值，当温度T>TN时，磁化率与普通的顺磁性物质相似，服从居里－外斯定律，但通常顺次居里温度都是小于零的；当温度T<TN时，磁化率不是继续增加，而是降低并趋于一定值代表性物质：过渡族金属的氧化物、卤化物等M

>0O五、反铁磁性（Antiferromagnetism)

反铁磁性是1936年首先由法国科学家Neel从理论上预言、1938年发现，1949年被中子实验证实的，它的基本特征是存在一个磁性转变温度，在此点磁化率温度关系出现峰值。弱磁！五、反铁磁性（Antiferromagnetism)文献中也常绘成磁化率倒数和温度关系：铁磁性

低温下表现为反铁磁性的物质，超过磁性转变温度（一般称作Neel温度）后变为顺磁性的，其磁化率温度关系服从居里-外斯定律：注意与铁磁性的区别！磁化率表现复杂TpTp

TC

反铁磁物质主要是一些过渡族元素的氧化物、卤化物、硫化物，如：FeO,MnO,NiO,CoO,Cr2O3,FeCl2,FeF2,MnF2,

FeS,MnS右图是1938年测到的MnO磁化率温度曲线，它是被发现的第一个反铁磁物质，转变温度122K。该表取自Kittel书2005中文版p236，从中看出反铁磁物质的转变温度一般较低，只能在低温下才观察到反铁磁性。Tp人类最早发现和利用的强磁性物质天然磁石Fe3O4就是亚铁磁性物质，上世纪30～40年代开始在此基础上人工合成了一些具有亚铁磁性的氧化物，但其宏观磁性质和铁磁物质相似，很长时间以来，人们并未意识到它的特殊性，1948年Neel在反铁磁理论的基础上创建了亚铁磁性理论后，人们才认识到这类物质的特殊性，在磁结构的本质上它和反铁磁物质相似，但宏观表现上却更接近于铁磁物质。对这类材料的研究和利用克服了金属铁磁材料电阻率低的缺点，极大地推动了磁性材料在高频和微波领域中的应用，成为今日磁性材料用于信息技术的主体。强磁！六、亚铁磁性（Ferrimagnetism）磁化率倒数和温度关系饱和磁化强度温度关系

亚铁磁物质的磁化率和磁化强度一般比铁磁物质低，但其电阻率一般要高的多。

亚铁磁物质主要是一些人工合成的含过渡族元素和稀土元素的某些特定结构的氧化物，例如：尖晶石结构：Fe3O4,MnFe2O4,CoFe2O4石榴石结构：A3Fe5O12,(A=Y,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Yb)磁铅石结构：BaFe12O19,PbFe12O19,SrFe12O19,钙钛矿结构：LaFeO3,五种主要磁性的原子磁距分布特点

1.把晶体中的磁性归为五类并分析出它们的起因是人类对物质磁性认识的一次飞跃，1950年前后出版了第一批以解释五种磁性起因为主的现代磁学理论专著，标志着磁学成为一个独立完整的学科。它极大地推动了20世纪后半叶磁性材料的基础研究和开发利用。50年后的今天，我们不但对上述五种磁性有了更深入的认识，而且发现了一些新的磁结构。七、小结2.严格说来上面的分类是针对物质磁性质进行的，同一物质在不同的温度区域可以呈现出不同的磁类型，而且与其晶体结构有密切关系：例如室温附近的金属铁为铁磁性，超过居里温度（1040K）后变为顺磁性，它受到高于1.5×1010Pa的高压时，其结构从bcc变为hcp,磁性变为非铁磁性。我们只可以说常温常压下铁是铁磁性物质。3.上面几种磁有序结构，都是共线的，或平行，或反平行。20世纪70年代后，主要在稀土金属和合金里发现了一些非共线结构，在微粉和纳米磁性材料里，在非晶材料里，也都发现了一些新的结构类型，它们极大地丰富了我们对物质磁性的认识。20世纪70年代后，随着稀土元素的研究和观测技术的提高，人们又在晶状材料中发现了很多非共线的磁结构，即在这些材料的不同原子层中的原子磁矩或在原子层平面内、或在与原子平面成一定角度的锥面内，以一定的旋转角度做螺旋式排列（见下页图）产生平面螺旋磁性或锥面螺旋磁性，通称螺旋型磁结构。虽然在磁性结构上，它和铁磁性、反铁磁性有所不同，但其宏观表现上是相似的。例如：Gd：T<221K,是平面型简单铁磁性。

221K<T<228K，是平面型螺旋反铁磁性。八、螺旋型磁结构(Helimagnetism)

这是在某些非晶材料中发现的一种磁结构，由于非晶材料中原子磁矩间的间距有一定分布，从而使得原子磁矩不再有一致的排列，而是有了一定的分散排列，这种虽然分散但仍有序的磁矩排列称作散磁性，按其基本趋向又可以细分为散铁磁性、散反铁磁性和散亚铁磁性。九、

散磁性（Sperrogmagnetism）

在抗磁性基体中掺入磁性原子，随浓度的逐渐增加,会出现各种磁性現象：近藤效应自旋玻璃态混磁性不均匀铁磁性物质磁性分类是一个复杂问题，存在着不同观点

（见应用磁学一书p11)

这是一种弱磁场中显示顺磁性，超过某一磁场值后，显示铁磁性的材料。亚铁磁性各种磁性的磁化曲线特征第三节磁化状态下磁体中的静磁能StaticMagneticEnergyofMagnetunder

theMagnetizationState一、静磁能（magnetostaticenergy)

任何磁体被置于外磁场（稳恒磁场or交变磁场）中将处于磁化状态，此时磁体具有静磁能量Why??????

F=mH-mHHl

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：（逆时针方向为正）

θ=0

，L最小，处于稳定状态

θ≠0，L≠0，不稳定，会使磁偶极子转到与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：单位体积中静磁能（即磁场能量密度）说明：（1）当

＝0°，jm与H方向一致，FHmin＝－

0MH，处于能量最低状态（2）当

逐渐增大时，需要外力来克服磁场做功，磁体在磁场中的能量增加（3）当

＝180°，能量密度达到最大值＋

0MH上式在磁畴和技术磁化理论中经常用到

1、退磁场(demagnetizationfield)

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N为退磁因子(demagnetizationfactor)，只与磁体几何形状有关二、退磁场与退磁能量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：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：Fd是形状各向异性的能量第四节磁性材料的磁化曲线和磁滞回线MagnetizationCurveandHysteresisLoopofMagneticMaterials它表示磁场强度H与所感生的B或M之间的关系（非线性）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（