第二章 磁性概述.ppt

1、第二章 磁性概述,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 磁性材料的磁化曲线和磁滞回线,第四节 物质按磁性分类,第一节 基本磁学量 Basic Physical Quantity of Magnetism,一、磁矩m (Magnetic Moment),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：Wbm,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

2、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m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（单位质量磁体内具有的磁矩矢量和）,1、磁场强度H (magnetic intensity)：(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：,磁位势 ：,H沿r 方向及使 角增加方向的分量计算：,：在从m到m的位移矢量

3、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=1/2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 (magnetic flux density):,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

4、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

5、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“

6、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：1 G = 10-4 T H：103A/m的H有4 Oe的值， 103/4 A/m=79.577A/m=1 Oe （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) 4 10-10 Wbm 1e.m.u (磁矩) 10-3 Am2,（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(suscep

7、tibility)，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：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，的极限值,（

8、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 磁化状态下磁体中的静磁能 Static Magnetic Energy of Magnet under the Magnetization State,一、静磁能 （magnetostatic energy),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?,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）,= 0 ，L最小，处于稳定状态 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

9、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，FHmin0MH，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 (demagnetization field) 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(

10、demagnetization factor)，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 = 1,3、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,第三节 磁性材料的磁化曲线和磁滞回线 Magnetization Curve and Hysteresis Loop of Magnetic Materials,它表示磁场强度H与所感生的B或M之间的关系

11、（非线性） 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,一、磁化曲线 (magnetization curve),二、磁滞回线 (hystersis loop),从饱和磁化状态开始，再使磁场H减小，B或M不再沿原始曲线返回。当H0时，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 (磁感矫顽力）。 MHC： M0时的Hc（内禀矫顽力） 一般| BHC | |

12、MHC |,NOTE: 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：,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（依据此考察永磁材料性能），退磁曲线上每一点所对应的B和H的乘积BH为磁能积，表征永磁材料中能量大小。 最大磁能积(BH)max 是永磁的重要特性参数之一。,第四节 物质按磁性分类 Classification of Magnetic Materials,分类依据：磁化率 的大小和符号,一、抗磁性 （1）当受到外磁场H作用后，感生出与H方向

13、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 代表性物质：惰性气体，许多有机化合物，Bi、Zn、Ag和Mg、Si、P、S等）,H,二、顺磁性 （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 p0 （2）数值很小，一般为10-610-3 （3）磁化率与温度的关系遵从居里外斯定律 代表性物质：稀土金属，第一、二主族的金属以及O2等,T,Tp, p10-610-3,H,三、反铁磁性 N在某一温度TN处存在最大值， 当温度TTN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TTN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,O,四、铁磁性 （1）很容易被磁化到饱和（只需要很小的磁场） （2） f 0，且为101106 （3）也存在一个临界温度TC （4）MH呈非线性关系 代表性物质：11种金属元素和众多的化合物和合金,五、亚铁磁性 内部磁结构却与反铁磁性相同，