第二章磁性概述

第二章磁性概述第一頁，共四十三頁，2022年，8月28日第一節(jié)基本磁學(xué)量BasicPhysicalQuantityofMagnetism第二頁，共四十三頁，2022年，8月28日一、磁矩m

(MagneticMoment)永磁體總是同時(shí)出現(xiàn)偶數(shù)個磁極當(dāng)磁體無限小時(shí)，體系定義為元磁偶極子：指強(qiáng)度相等，極性相反并且其距離無限接近的一對“磁荷”磁偶極矩：方向：-m指向+m單位：Wb?m+m-ml第三頁，共四十三頁，2022年，8月28日安培提出了磁偶極子與電流回路元在磁性上的相當(dāng)性原理，并根據(jù)它認(rèn)為宏觀物質(zhì)的磁性起源于“分子電流”假說，磁矩：單位：A?m2二者的物理意義：表征磁偶極子磁性強(qiáng)弱與方向第四頁，共四十三頁，2022年，8月28日

單位體積的磁體內(nèi),所有磁偶極子的jm或磁矩μm的矢量和

，分別為：磁極化強(qiáng)度：磁化強(qiáng)度：二、磁化強(qiáng)度M（Magnetization）說明：描述宏觀磁體磁性強(qiáng)弱程度的物理量第五頁，共四十三頁，2022年，8月28日比磁化強(qiáng)度σ（單位質(zhì)量磁體內(nèi)具有的磁矩矢量和）第六頁，共四十三頁，2022年，8月28日1、磁場強(qiáng)度H(magneticintensity)：(靜磁學(xué)定義)為單位點(diǎn)磁荷在該處所受的磁場力的大小，方向與正磁荷在該處所受磁場力方向一致。三、磁場強(qiáng)度H與磁感應(yīng)強(qiáng)度B物理意義：均為描述空間任意一點(diǎn)的磁場參量（矢量）第七頁，共四十三頁，2022年，8月28日計(jì)算磁偶極子產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度：r-m+ml第八頁，共四十三頁，2022年，8月28日磁位勢：第九頁，共四十三頁，2022年，8月28日H沿r方向及使θ角增加方向的分量計(jì)算：第十頁，共四十三頁，2022年，8月28日：在從－m到＋m的位移矢量延長線上：在l的中垂面上第十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日

實(shí)際應(yīng)用中，往往用電流產(chǎn)生磁場，并規(guī)定H的單位在SI制中：用1A的電流通過直導(dǎo)線，在距離導(dǎo)線r=1/2π米處，磁場強(qiáng)度即為1A/m。

常見的幾種電流產(chǎn)生磁場的形式為：（1）、無限長載流直導(dǎo)線：方向是切于與導(dǎo)線垂直的且以導(dǎo)線為軸的圓周第十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日第十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日（2）、直流環(huán)形線圈圓心：r為環(huán)形圓圈半徑，方向由右手螺旋法則確定。第十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日（3）、無限長直流螺線管：n：單位長度的線圈匝數(shù)，方向沿螺線管的軸線方向第十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日2、磁感應(yīng)強(qiáng)度B(magneticfluxdensity):預(yù)備知識：SI(MKSA)單位制和Gauss(CGS)單位制A、SI單位制：主要磁學(xué)量都用電流的磁效應(yīng)來定義，其中磁感應(yīng)強(qiáng)度B為主導(dǎo)量（凡涉及到與其他物理量的相互作用，都必須使用B）磁感應(yīng)強(qiáng)度B的定義可由安培公式得出：根據(jù)安培環(huán)路定理可定義磁場強(qiáng)度H：H為導(dǎo)出量，僅用于計(jì)算傳導(dǎo)電流所產(chǎn)生的磁場，不能代表磁場強(qiáng)度與外界發(fā)生作用第十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日B、Guass單位制（絕對電磁單位制）：早年使用的單位制，所有的磁學(xué)量都是通過磁偶極子的概念建立起來的其中磁化強(qiáng)度M被定義為：單位：Guass磁場強(qiáng)度H被定義為：單位：Oe引入磁感應(yīng)強(qiáng)度B，使之滿足如下關(guān)系：在Guass單位制中，M和H都有明確的物理意義，是基本物理量，而B只是一個導(dǎo)出量第十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日附一：兩種觀點(diǎn)的比較（即兩種單位制的比較）1、兩種單位制對磁學(xué)量的定義來源于兩種不同的觀點(diǎn)；2、在SI單位制中（依據(jù)于分子電流觀點(diǎn)），磁場用磁感應(yīng)強(qiáng)度B來描述，而磁場強(qiáng)度H只是一個導(dǎo)出量，它存在的惟一含義就是滿足3、在Guass單位制中（依據(jù)于磁偶極子觀點(diǎn)），磁場用磁場強(qiáng)度H描述，它是電流和磁性體所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度的矢量和，而磁感應(yīng)強(qiáng)度B只是一個引入的輔助量，僅在于滿足方程divB=0。第十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日從物理的角度來看到底哪一種觀點(diǎn)更加合理、更加接近于物質(zhì)磁性起源的真實(shí)情況呢？從目前來看，視乎分子電流的觀點(diǎn)更接近于真實(shí)情況a、電子的軌道磁矩來自電子的軌道電流，支持分子電流的觀點(diǎn)；b、狄拉克(Dirac)雖然從理論上預(yù)言了“磁單極”的存在，但至今沒有發(fā)現(xiàn)“磁單極”，使磁偶極子的概念失去了存在的基礎(chǔ)。第十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日附二：SI單位制和Gauss單位制的轉(zhuǎn)換（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單位制中0=1G/Oe，則磁偶極矩與磁矩?zé)o差別，通稱為磁矩，單位為電磁單位（e.m.u）1e.m.u(磁偶極矩)＝4π×10-10Wbm1e.m.u(磁矩)＝10-3Am2第二十頁，共四十三頁，2022年，8月28日（3）、磁化強(qiáng)度：Gauss單位制中，磁極化強(qiáng)度（J）與磁化強(qiáng)度（M）相同，單位：G第二十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日

磁體置于外磁場中磁化強(qiáng)度M將發(fā)生變化（磁化）

其中稱為磁體的磁化率(susceptibility)，是單位磁場強(qiáng)度H在磁體內(nèi)感生的M，表征磁體磁化難易程度的物理量

令：磁導(dǎo)率(permeability)

=（1＋)=B/

0H（相對磁導(dǎo)率，表征磁體磁性、導(dǎo)磁性及磁化難易程度）四、磁化率與磁導(dǎo)率第二十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日磁導(dǎo)率的不同表達(dá)形式（不同磁化條件）：（1）起始磁導(dǎo)率i：磁中性狀態(tài)下磁導(dǎo)率的極限值弱磁場下使用的磁體（2）最大磁導(dǎo)率max：材料磁化過程中的最大值（3）復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率：磁體在交變磁場中磁化動態(tài)磁化中經(jīng)常遇到第二十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日（4）增量磁導(dǎo)率Δ：在穩(wěn)恒磁場H0作用下，疊加一個較小的交變磁場交變磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰值交變磁場強(qiáng)度的峰值（5）可逆磁導(dǎo)率rev：交變磁場趨于0時(shí)，Δ的極限值（6）微分磁導(dǎo)率diff：起始磁化曲線上任意一點(diǎn)的斜率NOTE：所有磁導(dǎo)率都是磁場強(qiáng)度H的函數(shù)第二十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日第二節(jié)磁化狀態(tài)下磁體中的靜磁能StaticMagneticEnergyofMagnetunder

theMagnetizationState第二十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日一、靜磁能（magnetostaticenergy)

任何磁體被置于外磁場（穩(wěn)恒磁場or交變磁場）中將處于磁化狀態(tài)，此時(shí)磁體具有靜磁能量Why??????F=mH-mHHl磁體由于本身的磁偶極矩Jm與H間的相互作用，產(chǎn)生一力矩：（逆時(shí)針方向?yàn)檎┑诙摚菜氖摚?022年，8月28日

θ=0，L最小，處于穩(wěn)定狀態(tài)θ≠0，L≠0，不穩(wěn)定，會使磁偶極子轉(zhuǎn)到與H方向一致，這就要做功，相當(dāng)于使磁體在H中位能降低。即：磁體在磁場中位能：第二十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日單位體積中靜磁能（即磁場能量密度）說明：（1）當(dāng)＝0°，jm與H方向一致，F(xiàn)Hmin＝－0MH，處于能量最低狀態(tài)（2）當(dāng)逐漸增大時(shí)，需要外力來克服磁場做功，磁體在磁場中的能量增加（3）當(dāng)＝180°，能量密度達(dá)到最大值＋0MH上式在磁疇和技術(shù)磁化理論中經(jīng)常用到第二十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日

1、退磁場(demagnetizationfield)有限幾何尺寸的磁體在外磁場中被磁化后，表面將產(chǎn)生磁極，從而使磁體內(nèi)部存在與磁化強(qiáng)度M方向相反的一種磁場，起減退磁化的作用，稱為退磁場Hd。Hd的大小與磁體形狀及磁極強(qiáng)度有關(guān)。若磁化均勻，則Hd也均勻，且與M成正比：其中N為退磁因子(demagnetizationfactor)，只與磁體幾何形狀有關(guān)二、退磁場與退磁能量第二十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日2、簡單幾何形狀磁體的退磁因子N對于旋轉(zhuǎn)橢球體，三個主軸方向退磁因子之和：由此可求出：球體：N=1/3細(xì)長圓柱體：Na=Nb=1/2,Nc=0薄圓板體：Na=Nb=0,Nc=1abcXYZ第三十頁，共四十三頁，2022年，8月28日3、退磁場能量指磁體在它自身的Hd中所具有的能量：Fd是形狀各向異性的能量第三十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日第三節(jié)磁性材料的磁化曲線和磁滯回線MagnetizationCurveandHysteresisLoopofMagneticMaterials第三十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日它表示磁場強(qiáng)度H與所感生的B或M之間的關(guān)系（非線性）O點(diǎn)：H＝0、B＝0、M＝0，磁中性或原始退磁狀態(tài)OA段：近似線性，起始磁化階段AB段：較陡峭，表明急劇磁化H<Hm時(shí)，二曲線基本重合。H>Hm后，M逐漸趨于一定值MS（飽和磁化強(qiáng)度），而B則仍不斷增大(原因?)由B－H（M－H）曲線可求出或一、磁化曲線(magnetizationcurve)第三十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日二、磁滯回線(hystersisloop)

從飽和磁化狀態(tài)開始，再使磁場H減小，B或M不再沿原始曲線返回。當(dāng)H＝0時(shí)，仍有一定的剩磁Br或Mr。為使B（M）趨于零，需反向加一磁場，此時(shí)H=Hc稱為矯頑力。BHC：使B＝0的Hc(磁感矯頑力）。MHC：M＝0時(shí)的Hc（內(nèi)稟矯頑力）一般|BHC|<|MHC|第三十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日NOTE:Hc是表征材料在磁化后保持磁化狀態(tài)的能力。通常以Hc劃分軟磁、永磁、半永磁材料：軟磁硬磁半硬磁第三十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日

H從正的最大到負(fù)的最大，再回到正的最大時(shí)，B—H或M—H形成一封閉的曲線——磁滯回線。（磁材的重要特性之一)

磁滯回線的第二象限為退磁曲線（依據(jù)此考察永磁材料性能），退磁曲線上每一點(diǎn)所對應(yīng)的B和H的乘積BH為磁能積，表征永磁材料中能量大小。最大磁能積(BH)max是永磁的重要特性參數(shù)之一。第三十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日第四節(jié)物質(zhì)按磁性分類ClassificationofMagneticMaterials第三十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日分類依據(jù)：磁化率的大小和符號一、抗磁性（1）當(dāng)受到外磁場H作用后，感生出與H方向相反的磁化強(qiáng)度，故其d

<0（2）絕對數(shù)值很小，一般為10-5（3）與磁場、溫度均無關(guān)代表性物質(zhì)：惰性氣體，許多有機(jī)化合物，Bi、Zn、Ag和Mg、Si、P、S等）HM<0T第三十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日二、順磁性（1）當(dāng)受到外磁場H作用后，感生出與H方向相同的磁化強(qiáng)度，其p>0（2）數(shù)值很小，一般為10-6～10-3（3）磁化率與溫度的關(guān)系遵從居里－外斯定律代表性物質(zhì)：稀土金屬，第一、二主族的金屬以及O2等M>0TTpp＝10-6～10-3H第三十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日三、反鐵磁性

N在某一溫度TN處存在最大