第二章磁性概述

第二章磁性概述第1頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)基本磁學(xué)量BasicPhysicalQuantityofMagnetism第2頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、磁矩

m

(MagneticMoment)永磁體總是同時(shí)出現(xiàn)偶數(shù)個(gè)磁極當(dāng)磁體無(wú)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(wú)限接近的一對(duì)“磁荷”磁偶極矩：方向：-m指向+m單位：Wb?m+m-ml第3頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(shuō)，磁矩：?jiǎn)挝唬篈?m2二者的物理意義：表征磁偶極子磁性強(qiáng)弱與方向第4頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(shuō)明：描述宏觀磁體磁性強(qiáng)弱程度的物理量第5頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月比磁化強(qiáng)度σ（單位質(zhì)量磁體內(nèi)具有的磁矩矢量和）第6頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、磁場(chǎng)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(chǎng)力的大小，方向與正磁荷在該處所受磁場(chǎng)力方向一致。三、磁場(chǎng)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(chǎng)參量（矢量）第7頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月計(jì)算磁偶極子產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度：r-m+ml第8頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月磁位勢(shì)

：第9頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月H沿r方向及使θ角增加方向的分量計(jì)算：第10頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月：在從－m到＋m的位移矢量延長(zhǎng)線上：在l的中垂面上第11頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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

常見(jiàn)的幾種電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的形式為：（1）、無(wú)限長(zhǎng)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12頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第13頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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14頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）、無(wú)限長(zhǎng)直流螺線管：n：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的線圈匝數(shù)，方向沿螺線管的軸線方向第15頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、磁感應(yīng)強(qiáng)度B(magneticfluxdensity):預(yù)備知識(shí)：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(lái)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(chǎng)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(chǎng)，不能代表磁場(chǎng)強(qiáng)度與外界發(fā)生作用第16頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月B、Guass單位制（絕對(duì)電磁單位制）：早年使用的單位制，所有的磁學(xué)量都是通過(guò)磁偶極子的概念建立起來(lái)的其中磁化強(qiáng)度M被定義為：?jiǎn)挝唬篏uass磁場(chǎng)強(qiáng)度H被定義為：?jiǎn)挝唬篛e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(niǎo)只是一個(gè)導(dǎo)出量第17頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月附一：兩種觀點(diǎn)的比較（即兩種單位制的比較）1、兩種單位制對(duì)磁學(xué)量的定義來(lái)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(chǎng)用磁感應(yīng)強(qiáng)度B來(lái)描述，而磁場(chǎng)強(qiáng)度H只是一個(gè)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(chǎng)用磁場(chǎng)強(qiáng)度H描述，它是電流和磁性體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度的矢量和，而磁感應(yīng)強(qiáng)度B只是一個(gè)引入的輔助量，僅在于滿足方程divB=0。第18頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月從物理的角度來(lái)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(lái)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(lái)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(méi)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19頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月附二：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×10-10Wb

m1e.m.u(磁矩)＝10-3A

m2第20頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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21頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

磁體置于外磁場(chǎng)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(chǎng)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(duì)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22頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月磁導(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(chǎng)下使用的磁體（2）最大磁導(dǎo)率

max：材料磁化過(guò)程中的最大值（3）復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率

：磁體在交變磁場(chǎng)中磁化動(dòng)態(tài)磁化中經(jīng)常遇到第23頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（4）增量磁導(dǎo)率

Δ：在穩(wěn)恒磁場(chǎng)H0作用下，疊加一個(gè)較小的交變磁場(chǎng)交變磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰值交變磁場(chǎng)強(qiáng)度的峰值（5）可逆磁導(dǎo)率

rev：交變磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度H的函數(shù)第24頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)磁化狀態(tài)下磁體中的靜磁能StaticMagneticEnergyofMagnetunder

theMagnetizationState第25頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、靜磁能（magnetostaticenergy)

任何磁體被置于外磁場(chǎng)（穩(wěn)恒磁場(chǎng)or交變磁場(chǎng)）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?lè)较驗(yàn)檎┑?6頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

θ=0，L最小，處于穩(wěn)定狀態(tài)θ≠0，L≠0，不穩(wěn)定，會(huì)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(chǎng)中位能：第27頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月單位體積中靜磁能（即磁場(chǎng)能量密度）說(shuō)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(lái)克服磁場(chǎng)做功，磁體在磁場(chǎng)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28頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

1、退磁場(chǎng)(demagnetizationfield)有限幾何尺寸的磁體在外磁場(chǎng)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(chǎng)，起減退磁化的作用，稱為退磁場(chǎng)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(chǎng)與退磁能量第29頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、簡(jiǎn)單幾何形狀磁體的退磁因子N對(duì)于旋轉(zhuǎn)橢球體，三個(gè)主軸方向退磁因子之和：由此可求出：球體：N=1/3細(xì)長(zhǎng)圓柱體：Na=Nb=1/2,Nc=0薄圓板體：Na=Nb=0,Nc=1abcXYZ第30頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、退磁場(chǎng)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31頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)磁性材料的磁化曲線和磁滯回線MagnetizationCurveandHysteresisLoopofMagneticMaterials第32頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月它表示磁場(chǎng)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(niǎo)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33頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、磁滯回線(hystersisloop)

從飽和磁化狀態(tài)開(kāi)始，再使磁場(chǎng)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(chǎng)，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34頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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35頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(duì)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36頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)物質(zhì)按磁性分類ClassificationofMagneticMaterials第37頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分類依據(jù)：磁化率

的大小和符號(hào)一、抗磁性（1）當(dāng)受到外磁場(chǎng)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(duì)數(shù)值很小，一般為10-5（3）與磁場(chǎng)、溫度均無(wú)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38頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、順磁性（1）當(dāng)受到外磁場(chǎng)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

>0TTp

p＝10-6～10-3H第39頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、反鐵磁性

N在某一溫度TN處存在最