第6章 材料的磁學(xué)性能

1、基本磁學(xué)性能抗磁性與順磁性鐵磁性與反鐵磁性磁化和磁滯回線 (1) 磁鐵具有磁性，磁極間存在著相互作用力，磁鐵具有磁性，磁極間存在著相互作用力，稱為磁力；稱為磁力； (2) 磁鐵的磁鐵的N極和極和S極相互依存而不可分離。而極相互依存而不可分離。而正電荷或負(fù)電荷卻可以獨(dú)立存在，這是磁現(xiàn)象正電荷或負(fù)電荷卻可以獨(dú)立存在，這是磁現(xiàn)象和電現(xiàn)在的基本區(qū)別。和電現(xiàn)在的基本區(qū)別。復(fù)習(xí)：磁性復(fù)習(xí)：磁性視頻視頻用什么物理量表示磁場的強(qiáng)弱？用什么物理量表示磁場的強(qiáng)弱？磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度B這兩個物理量是如何定義的，二者之間這兩個物理量是如何定義的，二者之間有何關(guān)系？有何關(guān)系？ 通電導(dǎo)線周圍存在磁

2、場，磁場的強(qiáng)弱與電流通電導(dǎo)線周圍存在磁場，磁場的強(qiáng)弱與電流I I成正比，和距導(dǎo)線軸線的距離成正比，和距導(dǎo)線軸線的距離r r成反比，磁成反比，磁場強(qiáng)度場強(qiáng)度H H定義為定義為: :磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度H的定義的定義2IHr帶電粒子垂直于磁場運(yùn)動受到磁場力帶電粒子垂直于磁場運(yùn)動受到磁場力F F，其大小，其大小與磁場的強(qiáng)弱和與磁場的強(qiáng)弱和qvqv成正比，磁場的強(qiáng)弱定義為成正比，磁場的強(qiáng)弱定義為B B = F/qv= F/qvB B表示的是磁場的強(qiáng)弱，按照常規(guī)思維，應(yīng)該定表示的是磁場的強(qiáng)弱，按照常規(guī)思維，應(yīng)該定義為磁場強(qiáng)度，但是磁場強(qiáng)度已經(jīng)定義成和電流義為磁場強(qiáng)度，但是磁場強(qiáng)度已經(jīng)定義成和電流相關(guān)的物理量

3、，所以將相關(guān)的物理量，所以將B B定義為磁感應(yīng)強(qiáng)度。定義為磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的定義 磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度均為表征磁場性質(zhì)磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度均為表征磁場性質(zhì)（即磁場強(qiáng)弱和方向）的兩個物理量。（即磁場強(qiáng)弱和方向）的兩個物理量。 磁場強(qiáng)度則完全只是反映磁場來源的屬性；磁場強(qiáng)度則完全只是反映磁場來源的屬性； 磁感應(yīng)強(qiáng)度完全只是考慮磁場對于帶電粒子磁感應(yīng)強(qiáng)度完全只是考慮磁場對于帶電粒子的作用。的作用。 真空中，磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度真空中，磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度H H的關(guān)系，的關(guān)系，式中式中0 0為真空磁導(dǎo)率，它是一個普適常數(shù)為真空磁導(dǎo)率，它是一個普適常數(shù)其值其值: 4: 41010-7-7單位單位

4、: H: H（亨利）（亨利）/m/m。HB00 磁化磁化在外磁場在外磁場H H的作用下，介質(zhì)表現(xiàn)出一定的的作用下，介質(zhì)表現(xiàn)出一定的磁性，產(chǎn)生一定的磁場，這個過程叫磁化。磁性，產(chǎn)生一定的磁場，這個過程叫磁化。 磁化的程度用磁化強(qiáng)度磁化的程度用磁化強(qiáng)度M M表示。表示。 磁介質(zhì)磁化產(chǎn)生的磁場和原磁場共同作用，形成磁介質(zhì)磁化產(chǎn)生的磁場和原磁場共同作用，形成總磁場。總磁場。磁介質(zhì)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度磁介質(zhì)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度H H的的關(guān)系和磁介質(zhì)有關(guān)，為何？關(guān)系和磁介質(zhì)有關(guān)，為何？磁介質(zhì)磁化磁介質(zhì)磁化tHHM磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度M M與磁場強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度H H的關(guān)系如下：的關(guān)系如下： 比例系數(shù)比例

5、系數(shù)c c為介質(zhì)的磁化率，反映材料磁化的能力；為介質(zhì)的磁化率，反映材料磁化的能力； c c沒有單位，為一純數(shù)。沒有單位，為一純數(shù)。 c c可正、可負(fù)，決定于材料的不同磁性類別?？烧?、可負(fù)，決定于材料的不同磁性類別。MHc此時磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度此時磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度H有何關(guān)系？有何關(guān)系？000()(1)tBHHMHc0(1)c令BH則，磁介質(zhì)中，則，磁介質(zhì)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度H的關(guān)系：的關(guān)系：為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，單位為為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，單位為H/m，是磁性材料最重，是磁性材料最重要的物理量之一，也反映了介質(zhì)磁化的能力。要的物理量之一，也反映了介質(zhì)磁化的能力。 0/r 實(shí)際應(yīng)

6、用中，常使用相對磁導(dǎo)率。實(shí)際應(yīng)用中，常使用相對磁導(dǎo)率。7.3.37.3.3 磁性的分類磁性的分類每一種材料至少表現(xiàn)出每一種材料至少表現(xiàn)出其中一種磁性，這取決其中一種磁性，這取決于材料的成分和結(jié)構(gòu)。于材料的成分和結(jié)構(gòu)。根據(jù)磁化率的大小進(jìn)行根據(jù)磁化率的大小進(jìn)行分類分類抗磁性特征：抗磁性特征：磁化率磁化率 0, 很小，約為很小，約為-10-5數(shù)量級數(shù)量級,。抗磁磁化是可逆的，當(dāng)外磁場去除后，抗磁磁抗磁磁化是可逆的，當(dāng)外磁場去除后，抗磁磁矩即行消失。矩即行消失。所有材料都有抗磁性。所有材料都有抗磁性。 磁化率磁化率0 0，很小，很小，為為10-610-3。 磁化率隨著溫度的增加而減小。磁化率隨著溫度的

7、增加而減小。 抗磁體和順磁體對于磁性材料應(yīng)用來說都視抗磁體和順磁體對于磁性材料應(yīng)用來說都視為無磁性。為無磁性。順磁性特征順磁性特征鐵磁性特征鐵磁性特征 磁化率磁化率0 0，很大，高達(dá)，很大，高達(dá)10103 3，MHMH在外磁在外磁場作用下產(chǎn)生很強(qiáng)的磁化強(qiáng)度。場作用下產(chǎn)生很強(qiáng)的磁化強(qiáng)度。 外磁場除去后仍保持相當(dāng)大的永久磁性，外磁場除去后仍保持相當(dāng)大的永久磁性，即磁滯現(xiàn)象。即磁滯現(xiàn)象。 存在居里溫度，溫度高于居里溫度鐵磁性存在居里溫度，溫度高于居里溫度鐵磁性消失，變成順磁性。消失，變成順磁性。亞鐵磁性特征亞鐵磁性特征 磁化率磁化率0 0，較大，較大，1-101-103 3。 外磁場除去后仍保持相當(dāng)

8、大的永久磁性，外磁場除去后仍保持相當(dāng)大的永久磁性，即磁滯現(xiàn)象。即磁滯現(xiàn)象。 存在居里溫度，溫度高于居里溫度亞鐵磁存在居里溫度，溫度高于居里溫度亞鐵磁性消失，變成順磁性。性消失，變成順磁性。反鐵磁性特征反鐵磁性特征 磁化率磁化率0 0，很小，約，很小，約為為10-510-3 。 磁化率隨著溫度的增加而增加。磁化率隨著溫度的增加而增加。 存在奈爾溫度，溫度低于奈爾溫度為反鐵存在奈爾溫度，溫度低于奈爾溫度為反鐵磁性，溫度高于奈爾溫度為順磁性。因此，磁性，溫度高于奈爾溫度為順磁性。因此，磁化率有極大值。磁化率有極大值。磁源于電，任何一個封閉的電流都具有磁矩m。磁矩：環(huán)形電流周圍的磁場，符合右手螺旋法則

9、，其磁矩定義為m 載流線圈的磁矩載流線圈的磁矩I - 載流線圈通過的電流載流線圈通過的電流S - 載流線圈的面積載流線圈的面積n - 載流線圈平面的法線方向上的單位矢量載流線圈平面的法線方向上的單位矢量SnIm磁矩7.27.2 磁性的微觀解釋磁性的微觀解釋物質(zhì)中的微觀粒子產(chǎn)生環(huán)形電流嗎？物質(zhì)中的微觀粒子產(chǎn)生環(huán)形電流嗎？ 物質(zhì)由分子組成，分子由原子組成，原子由物質(zhì)由分子組成，分子由原子組成，原子由原子核和電子組成，原子核運(yùn)動和電子的軌道原子核和電子組成，原子核運(yùn)動和電子的軌道運(yùn)動和自旋運(yùn)動均會形成環(huán)形電流，因此產(chǎn)生運(yùn)動和自旋運(yùn)動均會形成環(huán)形電流，因此產(chǎn)生磁矩。磁矩。 原子磁矩包括電子軌道磁矩、電

10、子自旋磁矩原子磁矩包括電子軌道磁矩、電子自旋磁矩和原子核磁矩。和原子核磁矩。 原子核磁矩很小，與電子磁矩相比忽略不計(jì)。原子核磁矩很小，與電子磁矩相比忽略不計(jì)。原子中電子的軌道磁矩和電子的自旋磁矩構(gòu)成原子中電子的軌道磁矩和電子的自旋磁矩構(gòu)成了原子固有磁矩，也稱本征磁矩。了原子固有磁矩，也稱本征磁矩。 Orbital Spin軌道磁矩軌道磁矩自旋磁矩自旋磁矩軌道磁矩軌道磁矩電子圍繞原子核的電子圍繞原子核的軌道運(yùn)動，產(chǎn)生一軌道運(yùn)動，產(chǎn)生一個非常小的磁場，個非常小的磁場，形成一個沿旋轉(zhuǎn)軸形成一個沿旋轉(zhuǎn)軸方向的磁矩，即軌方向的磁矩，即軌道磁矩。道磁矩。自旋磁矩自旋磁矩每個電子本身有自每個電子本身有自旋運(yùn)

11、動產(chǎn)生一個沿旋運(yùn)動產(chǎn)生一個沿自旋軸方向的磁矩，自旋軸方向的磁矩，即自旋磁矩。即自旋磁矩。 原子是否具有磁矩，取決于其具體的電子殼層結(jié)構(gòu)。原子是否具有磁矩，取決于其具體的電子殼層結(jié)構(gòu)。 如果原子中所有電子殼層都是填滿的，由于形成一個如果原子中所有電子殼層都是填滿的，由于形成一個球形對稱的集體，則電子軌道磁矩和自旅磁矩各自相球形對稱的集體，則電子軌道磁矩和自旅磁矩各自相抵消，此時原子本征磁矩抵消，此時原子本征磁矩P P=0=0。 如：如：Ar 3Ar 3s s2 23 3p p6 6 若有末被填滿的電子殼層，其電子的自旋磁矩未被完若有末被填滿的電子殼層，其電子的自旋磁矩未被完全抵消，則原子就具有永

12、久磁矩。全抵消，則原子就具有永久磁矩。 如：如： Fe3Fe3s s2 23 3p p6 63 3d d6 64 4s s2 2磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度M的微觀解釋的微觀解釋 磁性材料未被磁化時，原子磁矩方向各異，磁性材料未被磁化時，原子磁矩方向各異，磁矩互相抵消，凈磁矩為零，無宏觀磁性；磁矩互相抵消，凈磁矩為零，無宏觀磁性； 磁性材料被磁化后，磁矩順著外磁場方向排磁性材料被磁化后，磁矩順著外磁場方向排列，凈磁矩不為零，有宏觀磁性；列，凈磁矩不為零，有宏觀磁性； 單位體積內(nèi)具有的磁矩矢量和即為磁化強(qiáng)度。單位體積內(nèi)具有的磁矩矢量和即為磁化強(qiáng)度。 mMV 有外磁場作用時，即使對于那種總磁矩為零有外磁場作用

13、時，即使對于那種總磁矩為零的原子也會顯示出磁矩來。這是由于電子的循的原子也會顯示出磁矩來。這是由于電子的循軌運(yùn)動在外磁場的作用下產(chǎn)生了抗磁磁矩軌運(yùn)動在外磁場的作用下產(chǎn)生了抗磁磁矩P P的緣故。的緣故。7.4.1 抗磁性抗磁性圖圖 產(chǎn)生抗磁矩的示意圖產(chǎn)生抗磁矩的示意圖（沿圓周箭頭指電流方向（沿圓周箭頭指電流方向）mmmm 順磁體的原子或離子是有磁矩的，其源于原子內(nèi)未填順磁體的原子或離子是有磁矩的，其源于原子內(nèi)未填滿的電子殼層，或源于具有奇數(shù)個電子的原子。滿的電子殼層，或源于具有奇數(shù)個電子的原子。 無外磁場時，由于熱振動的影響，其原子磁矩的取向無外磁場時，由于熱振動的影響，其原子磁矩的取向是無序的

14、，故總磁矩為零。是無序的，故總磁矩為零。 當(dāng)有外磁場作用，則原子磁矩便排向外磁場的方向，當(dāng)有外磁場作用，則原子磁矩便排向外磁場的方向，總磁矩便大于零而表現(xiàn)為正向磁化?？偞啪乇愦笥诹愣憩F(xiàn)為正向磁化。7.4.2 7.4.2 物質(zhì)的順磁性物質(zhì)的順磁性圖圖 順磁物質(zhì)磁順磁物質(zhì)磁化過程示意圖化過程示意圖 1 鐵磁質(zhì)的自發(fā)磁化鐵磁質(zhì)的自發(fā)磁化 1907年法國科學(xué)家外斯系統(tǒng)地提出了鐵磁性假說，鐵年法國科學(xué)家外斯系統(tǒng)地提出了鐵磁性假說，鐵磁物質(zhì)內(nèi)部存在很強(qiáng)的磁物質(zhì)內(nèi)部存在很強(qiáng)的“分子場分子場”，使原子磁矩趨于，使原子磁矩趨于同向平行排列，即自發(fā)磁化至飽和，稱為自發(fā)磁化；同向平行排列，即自發(fā)磁化至飽和，稱為自

15、發(fā)磁化；產(chǎn)生鐵磁性的條件：產(chǎn)生鐵磁性的條件： 1 1）有原子固有磁矩，即有未填滿的電子殼層）有原子固有磁矩，即有未填滿的電子殼層 2 2）形成自發(fā)磁化。）形成自發(fā)磁化。 1.1.如果原子磁矩取同向平行排列能量最低，則體現(xiàn)如果原子磁矩取同向平行排列能量最低，則體現(xiàn)為鐵磁性。為鐵磁性。 2.2.如果原子磁矩取反向平行排列能量最低，分為兩如果原子磁矩取反向平行排列能量最低，分為兩種情況。種情況。 1 1）如果相鄰原子磁矩相等，自發(fā)磁化強(qiáng)度等于）如果相鄰原子磁矩相等，自發(fā)磁化強(qiáng)度等于零。這樣一種特性稱為反鐵磁性。零。這樣一種特性稱為反鐵磁性。 2 2）如果相鄰原子的磁矩不相等，反向平行的磁）如果相鄰原

16、子的磁矩不相等，反向平行的磁矩就不能恰好抵消，二者之差表現(xiàn)為宏觀磁矩，這矩就不能恰好抵消，二者之差表現(xiàn)為宏觀磁矩，這就是亞鐵磁性。就是亞鐵磁性。 7.2 7.2 鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性三種磁化狀態(tài)示意圖三種磁化狀態(tài)示意圖尼爾點(diǎn)尼爾點(diǎn)尼爾點(diǎn)是反鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘臏囟饶釥桙c(diǎn)是反鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘臏囟?有時有時也稱為反鐵磁物質(zhì)的居里點(diǎn)也稱為反鐵磁物質(zhì)的居里點(diǎn)Tc) 。 對于所有的磁性材料來說，并不是在任何溫對于所有的磁性材料來說，并不是在任何溫度下都具有磁性。度下都具有磁性。 一般地，磁性材料具有一個一般地，磁性材料具有一個，居居里溫度。在這個溫度以上，順磁性。里溫

17、度。在這個溫度以上，順磁性。 在此溫度以下，原子磁矩排列整齊，產(chǎn)生自在此溫度以下，原子磁矩排列整齊，產(chǎn)生自發(fā)磁化，物體變成鐵磁性或亞鐵磁性。發(fā)磁化，物體變成鐵磁性或亞鐵磁性。 鐵磁態(tài)或亞鐵磁態(tài)鐵磁態(tài)或亞鐵磁態(tài) 順磁態(tài)順磁態(tài)Tc鐵磁性材料的居里溫度鐵磁性材料的居里溫度 磁疇磁疇物質(zhì)內(nèi)部存在著自發(fā)磁化的小區(qū)域。物質(zhì)內(nèi)部存在著自發(fā)磁化的小區(qū)域。7.6.4 磁疇磁疇由于各個磁疇的磁化方向各不相同，其磁性彼此由于各個磁疇的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以大塊鐵磁體對外不顯示磁性。相互抵消，所以大塊鐵磁體對外不顯示磁性。當(dāng)磁性材料被磁化后，磁疇的磁化方向趨于一當(dāng)磁性材料被磁化后，磁疇的磁化方向趨

18、于一致，對外顯示出磁性。致，對外顯示出磁性。 在磁疇與磁疇的交界（磁疇壁）處原子磁矩又是怎在磁疇與磁疇的交界（磁疇壁）處原子磁矩又是怎樣排列的呢？樣排列的呢？ 在疇壁的一側(cè)，原子磁矩指向某個方向，假設(shè)在疇在疇壁的一側(cè)，原子磁矩指向某個方向，假設(shè)在疇壁的另一側(cè)原子磁矩方向相反。那么，在疇壁內(nèi)部，壁的另一側(cè)原子磁矩方向相反。那么，在疇壁內(nèi)部，原子磁矩必須成某種形式的過渡狀態(tài)。原子磁矩必須成某種形式的過渡狀態(tài)。 實(shí)際上，疇壁由很多層原子組成。為了實(shí)現(xiàn)磁矩的實(shí)際上，疇壁由很多層原子組成。為了實(shí)現(xiàn)磁矩的轉(zhuǎn)向，從一側(cè)開始，每一層原子的磁矩都相對于磁轉(zhuǎn)向，從一側(cè)開始，每一層原子的磁矩都相對于磁疇中的磁矩方向

19、偏轉(zhuǎn)了一個角度，并且每一層的原疇中的磁矩方向偏轉(zhuǎn)了一個角度，并且每一層的原子磁矩偏轉(zhuǎn)角度逐漸增大，到另一側(cè)時，磁矩已經(jīng)子磁矩偏轉(zhuǎn)角度逐漸增大，到另一側(cè)時，磁矩已經(jīng)完全轉(zhuǎn)到和這一側(cè)磁疇的磁矩相同的方向。完全轉(zhuǎn)到和這一側(cè)磁疇的磁矩相同的方向。軌軌道道磁磁矩矩自自旋旋磁磁矩矩抗磁性（很?。┛勾判裕ê苄。╇婋娮幼哟糯啪鼐卦幼雍撕舜糯啪鼐兀ê苄?，忽略）（很小，忽略）原原子子本本征征磁磁矩矩PP0抗磁體抗磁體P0（電子殼（電子殼層填滿）層填滿）（電子殼（電子殼層未填滿）層未填滿）無分無分子場子場作用作用順磁性順磁性（很?。ê苄。╉槾判皂槾判钥勾判钥勾判皂槾朋w順磁體順磁性順磁性抗磁性抗磁性抗磁體抗磁體

20、有分子有分子場作用場作用鐵磁性鐵磁性（很大）（很大）原子磁矩原子磁矩同向排列同向排列原子磁矩原子磁矩反向排列反向排列相鄰原子相鄰原子磁矩相等磁矩相等反鐵磁性反鐵磁性相鄰原子相鄰原子磁矩不等磁矩不等(磁矩抵銷磁矩抵銷)(磁矩不抵銷磁矩不抵銷)亞鐵磁性亞鐵磁性（很大）（很大）各種磁性產(chǎn)生的原因的總結(jié)各種磁性產(chǎn)生的原因的總結(jié)7.4 磁化曲線和磁滯回線磁化曲線和磁滯回線磁性材料的磁化曲線和磁滯回線是材料在外加磁場時磁性材料的磁化曲線和磁滯回線是材料在外加磁場時表現(xiàn)出來的宏觀磁特性。表現(xiàn)出來的宏觀磁特性。（2） 磁化曲線磁化曲線對磁化過程的宏觀描述。對磁化過程的宏觀描述?？梢允强梢允荕-H曲線，也可曲線，也可以是以是B-H曲線。曲線。（1） 磁化過程磁化過程處于磁中性狀態(tài)的強(qiáng)磁體處于磁中性狀態(tài)的強(qiáng)磁體在外磁場的作用下，其在外磁場的作用下，其磁化狀態(tài)隨外磁場發(fā)生變磁化狀態(tài)隨外磁場發(fā)生變化的過程?；倪^程。/B