1、磁性材料及器件磁性材料及器件国家工科物理教学基地国家工科物理教学基地物理学与电子科学系物理学与电子科学系任课教师：王维任课教师：王维（行政楼（行政楼313） 1 姜寿亭姜寿亭 李李 卫卫 编著编著 凝聚态磁性物理凝聚态磁性物理 科学出版社科学出版社 20032 奥汉德利奥汉德利 著著 现代磁性材料原理和应用现代磁性材料原理和应用 英文版英文版2000；化学工业出版社；化学工业出版社 20023 戴道生等编著戴道生等编著 铁磁学（上，中，下）科学出版社铁磁学（上，中，下）科学出版社 19874 宛德福宛德福 马兴隆马兴隆 编著编著 磁性物理学磁性物理学 电子工业出版社电子工业出版社 19995
2、李国栋李国栋 编著编著 当代磁学当代磁学 中国科学技术大学出版社中国科学技术大学出版社 19996 章章 综、李国栋综、李国栋 编著编著 我们生活在磁的世界里我们生活在磁的世界里 清华大学出版社清华大学出版社 2000主要参考书主要参考书磁性材料及器件磁性材料及器件4Part 1 绪论绪论(4)4Part 2 软磁材料及应用软磁材料及应用 (4)4Part 3 永磁材料及应用永磁材料及应用(4)4Part 4 磁电子学材料及应用磁电子学材料及应用(4)4Part 5 铁氧体材料及其应用铁氧体材料及其应用(4) 4Part 6 特种磁性材料特种磁性材料(4)4Part 7 纳米磁性材料纳米磁性材
3、料(2)1.2.1 静磁现象静磁现象1.2.2 材料的磁化材料的磁化1.2.3 磁性和磁性材料分类磁性和磁性材料分类Part 1 绪论绪论1.1 1.1 磁性功能材料及应用概述磁性功能材料及应用概述1.2 1.2 磁学基础知识磁学基础知识1.1 磁性功能材料及应用概述磁性功能材料及应用概述战国时期，我国已有磁性指南战国时期，我国已有磁性指南-司南司南的记载，其开创了人类对磁学和磁性的记载，其开创了人类对磁学和磁性材料研究的先河材料研究的先河; 指南针指南针中国古代四中国古代四大发明，对西方航海业的大发展起了大发明，对西方航海业的大发展起了重要作用。重要作用。一一. 磁学、磁性材料历史回顾磁学、
4、磁性材料历史回顾以磁科学进行研究的创始者当数以磁科学进行研究的创始者当数吉尔伯特吉尔伯特，后经安培、奥斯特、法拉第等人开创性的发后经安培、奥斯特、法拉第等人开创性的发现和发明，初步奠定了磁学科学的基础。现和发明，初步奠定了磁学科学的基础。15441603 论磁1600年在伦敦出版 吉尔伯特吉尔伯特首次给出了指南针工作原理的解释首次给出了指南针工作原理的解释。从从1900年到年到1930年，先后确立了年，先后确立了等等相关的理论。从而形成了完整的磁学科学体系。在此后相关的理论。从而形成了完整的磁学科学体系。在此后的的2030年间，出现了种类繁多的磁性材料。年间，出现了种类繁多的磁性材料。从从19
5、02年塞曼、洛伦兹获得诺贝尔奖，到年塞曼、洛伦兹获得诺贝尔奖，到1985年年冯冯克利克利青青量子霍尔效应、量子霍尔效应、1998年年崔琦崔琦分数量子霍尔效应获诺贝分数量子霍尔效应获诺贝尔物理学奖，再到尔物理学奖，再到2007年费尔、格林贝格尔年费尔、格林贝格尔巨磁电阻巨磁电阻获获得诺贝尔奖，至少有得诺贝尔奖，至少有25次诺贝尔奖得主在磁学相关领域次诺贝尔奖得主在磁学相关领域作出了杰出的贡献。作出了杰出的贡献。磁学相关磁学相关-诺贝尔奖诺贝尔奖 名人堂名人堂施汝为施汝为 （1901 11.19 - 1983 01.18） ，物理学家，物理学家， 1934年耶鲁博士，年耶鲁博士，1955年学部委员
6、，中国近代磁学的奠基年学部委员，中国近代磁学的奠基者和开拓者之一。在铁磁合金和磁铁矿的磁晶各向异者和开拓者之一。在铁磁合金和磁铁矿的磁晶各向异性、磁畴观察研究和铝镍钴系永磁合金磁性改进等方性、磁畴观察研究和铝镍钴系永磁合金磁性改进等方面做出了重要贡献，并在中央研究院建立了我国第一面做出了重要贡献，并在中央研究院建立了我国第一个磁学研究实验室，培养了大量磁学专门人才。长期个磁学研究实验室，培养了大量磁学专门人才。长期担任中国科学院物理研究所所长，为我国磁学研究和担任中国科学院物理研究所所长，为我国磁学研究和物理学研究事业的发展做出了贡献。物理学研究事业的发展做出了贡献。 1931年在国内年在国内
7、发表了第一篇磁学研究论文。发表了第一篇磁学研究论文。 叶企孙在物理学上重要研究成果有两个一是用叶企孙在物理学上重要研究成果有两个一是用X射线精确地测射线精确地测定普朗克常数定普朗克常数h，得出当时用，得出当时用X射线测定射线测定h值的最高的精确度；二值的最高的精确度；二是开创性地研究了流体静压力对铁磁性金属的磁导率的影响，这是开创性地研究了流体静压力对铁磁性金属的磁导率的影响，这是本世纪是本世纪20年代在物质铁磁性方面的一项重要研究工作，受到了年代在物质铁磁性方面的一项重要研究工作，受到了世界各地科学界的重视。世界各地科学界的重视。叶企孙叶企孙(1898.7.161977.1.13) 1923
8、年获哈佛大学博士年获哈佛大学博士学位学位1924年回国后，历任清华大学教授、物理系年回国后，历任清华大学教授、物理系系主任和理学院院长他还是中国物理学会的创建系主任和理学院院长他还是中国物理学会的创建人之一人之一 ，1948年中央研究院院士，年中央研究院院士，1955年学部委员年学部委员国内主要的磁学与磁性材料的重点、专业研究单位国内主要的磁学与磁性材料的重点、专业研究单位 中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室 兰州大学磁学与磁性材料教育部重点实验室兰州大学磁学与磁性材料教育部重点实验室 中科院宁波材料所正在筹建中科院宁波材料所正在筹建“磁性材料与器件中
9、科院重点实验室磁性材料与器件中科院重点实验室” 西南应用磁学研究所西南应用磁学研究所国内一些磁性材料及器件知名厂家国内一些磁性材料及器件知名厂家 北矿磁材、横店东磁北矿磁材、横店东磁 中科三环、浙江天通中科三环、浙江天通 银河磁体银河磁体 世界粘结钕铁硼行业前三强世界粘结钕铁硼行业前三强 二二. 磁学、磁性材料研究领域磁学、磁性材料研究领域三三. 磁性功能材料应用领域磁性功能材料应用领域现代汽车需要使用几十现代汽车需要使用几十个小型永磁电动机和其个小型永磁电动机和其它磁控机械元件。它磁控机械元件。The number of magnets in the family car has incre
10、ased from one in the 1950s to over thirty today. http:/www.tcd.ie/Physics/Magnetism/Guide/modmags.php根据语料库和脑成像数据，科学家重建了被试心中所想的概念植物人根据回答问题是“yes”还是“no”，显示了不同的大脑激活。 宇航员头盔的密封是宇航员头盔的密封是纳米磁性材料纳米磁性材料的的最早重要应用之一最早重要应用之一-磁性液体磁性液体 磁冰箱很可能在某一天取代您厨房中的传统电冰箱磁冰箱很可能在某一天取代您厨房中的传统电冰箱 June 23, 2004June 23, 2004 没有磁的应用，现
11、代文明是不可想像的。没有磁的应用，现代文明是不可想像的。 了解物质磁性，已经成为我们从事现代生产，了解物质磁性，已经成为我们从事现代生产，熟悉现代生活的必要准备，更是我们可以选择的熟悉现代生活的必要准备，更是我们可以选择的研究方向。研究方向。 Modern Magnetic Materials: Principles and Applications OHandley 2000 OHandley 2000年在他的书中写道：美国年在他的书中写道：美国来自硅谷的磁性元件产值，已经大于在那里制造来自硅谷的磁性元件产值，已经大于在那里制造的半导体元件产值，这是磁性元件在信息工业中的半导体元件产值，这是
12、磁性元件在信息工业中地位迅速提高的最好说明。地位迅速提高的最好说明。Global market for magnetic materials the total in 1999 was about 30b$.全球市场：全球市场：300亿美元亿美元20世纪世纪8090年代是磁性材料发年代是磁性材料发展史上辉煌的一页：展史上辉煌的一页：(3d-4f)稀土稀土磁性材料；非晶，纳米晶磁性磁性材料；非晶，纳米晶磁性材料；磁电子材料等横空出世，材料；磁电子材料等横空出世，开创了磁性材料新纪元。开创了磁性材料新纪元。19841984年年 NdFeBNdFeB稀土永磁材料的发现稀土永磁材料的发现 Sagawa
13、(Sagawa(佐川佐川) ) 1984 1984年德国的年德国的H.GleiterH.Gleiter教授等合成了纳米晶体教授等合成了纳米晶体Pd, FePd, Fe等。等。19881988年由非晶态年由非晶态FeSiBFeSiB退火通过掺杂退火通过掺杂CuCu和和NbNb控制晶粒成为新型控制晶粒成为新型的纳米晶软磁材料的纳米晶软磁材料 19861986年年 GrunbergGrunberg 发现发现Fe/Fe/CrCr/Fe /Fe 三明治结构中三明治结构中CrCr适当厚度产适当厚度产生反铁磁耦合。生反铁磁耦合。 19881988年年 BaibichBaibich、FertFert等发现等发
14、现(Fe/Cr)(Fe/Cr)多层膜的巨磁电阻效应。多层膜的巨磁电阻效应。 19941994年年 JinJin等在等在LaCaMnO3LaCaMnO3中发现了庞磁电阻（中发现了庞磁电阻（CMRCMR）效应。）效应。 19951995年年 T.MiyazakiT.Miyazaki发现隧道磁电阻（发现隧道磁电阻（TMRTMR）效应）效应19931993年年 理论表明纳米级的软磁和硬磁颗粒复合将综合软磁理论表明纳米级的软磁和硬磁颗粒复合将综合软磁 M Ms s 高，硬磁高，硬磁 H Hc c 高的优点获得磁能级比现有最好高的优点获得磁能级比现有最好NdFeBNdFeB高一倍的新型高一倍的新型纳米硬磁
15、材料。纳米硬磁材料。20 世纪世纪8090年代磁学的重大发展年代磁学的重大发展 纳米软磁以最小的损耗实现高磁通量的转换，大大节约纳米软磁以最小的损耗实现高磁通量的转换，大大节约了能源。了能源。 NdFeB永磁材料比传统的永磁材料比传统的AlNiCo永磁材料存储能量提高永磁材料存储能量提高20倍以上，使用该材料制成的器件重量只有用传统材料同样倍以上，使用该材料制成的器件重量只有用传统材料同样功率器件的二十分之一。功率器件的二十分之一。 磁记录密度的提高，磁头灵敏度的提高，大大减小了磁磁记录密度的提高，磁头灵敏度的提高，大大减小了磁硬盘的体积，直接推动了计算机体积的减小，计算速度的提硬盘的体积，直
16、接推动了计算机体积的减小，计算速度的提高以及容量的加大。高以及容量的加大。磁性材料的进步对社会生产的巨大推动磁性材料的进步对社会生产的巨大推动第一，二代稀第一，二代稀土永磁土永磁 (19671975)第三代稀土第三代稀土永磁永磁 (1984)第一代第一代SmCo5 (60年代）；第二代年代）；第二代Sm2Co17 (70年代）；第年代）；第三代三代 Nd2Fe14B(80年代）；年代）；第四代稀土永磁？第四代稀土永磁？ IBM91年研发，年研发，94年推出年推出AMR读出头。在读出头。在1998年推出采用年推出采用自旋阀结构的自旋阀结构的GMR读出头，轻易突破读出头，轻易突破10 Gbits/
17、in2。 日立宣布将采用日立宣布将采用CPP-GMR技术在技术在2010年实现年实现1 Tbits/in2。硬盘读出头的发展硬盘读出头的发展 电子时代的瓶颈电子时代的瓶颈 尺度限制：原子极限？量子涨落：测不准原理。尺度限制：原子极限？量子涨落：测不准原理。 解决途径：利用电子的自旋属性解决途径：利用电子的自旋属性 自旋电子学，其目标是利用电子的自旋属性，而不仅是电自旋电子学，其目标是利用电子的自旋属性，而不仅是电荷属性，带来电子技术领域的革命。荷属性，带来电子技术领域的革命。 先决条件先决条件 自旋极化：自旋极化： 自旋相关散射：自旋相关散射： 自旋驰豫：达到微米级。作为对比，动量驰豫是纳米级
18、。自旋驰豫：达到微米级。作为对比，动量驰豫是纳米级。CoNi80Fe20Fe(nm)5.54.61.5(nm)0.60.62.10NNNNP自旋电子学时代自旋电子学时代19751980198519901995200020050246810%年 份 B（19752005）年）年“Magnetic materials”SCI论文百分数论文百分数据据Web of Science检索（检索（19752005）年间，共发表）年间，共发表”Magnetic materials”论文论文3874篇，篇，分布如图，分布如图，“Magnetism” 论文论文12813篇。篇。370篇篇四四. 磁性功能材料的全球
19、产量、市场、机遇与挑战磁性功能材料的全球产量、市场、机遇与挑战我国磁性材料的生产在国际上占有重要的地位我国磁性材料的生产在国际上占有重要的地位. .其中其中, ,永磁铁永磁铁氧体的产量达氧体的产量达111110104 4, ,居世界首位居世界首位; ;软磁铁氧体产量软磁铁氧体产量4 410104 4, ,居世界前列居世界前列; ;稀土永磁产量稀土永磁产量43004300, ,居世界第二居世界第二. .但是但是, ,目前我国生产的磁性材料基本上是目前我国生产的磁性材料基本上是低性能、低附加值低性能、低附加值材料材料, ,与与发达国家存在较大的差距发达国家存在较大的差距，产值与产量不相称产值与产量
20、不相称根据中国工程院的专项调查和预测根据中国工程院的专项调查和预测, ,我国我国20082008年磁性材料的年磁性材料的需求量需求量: : 永磁铁氧体永磁铁氧体151510104 4, ,软磁铁氧体软磁铁氧体6 610104 4, ,稀土永稀土永磁磁800080001000010000，产能不够。，产能不够。我国磁性材料的产量与需求我国磁性材料的产量与需求(1)(1)加强磁性材料的加强磁性材料的基础和应用基础研究基础和应用基础研究； (2)(2)改善现有的磁性材料改善现有的磁性材料：优化制备工艺、降低生产成：优化制备工艺、降低生产成 本、本、提高其磁性能；提高其磁性能；(3)(3)发展具有发展
21、具有自主知识产权自主知识产权的新型磁性材料的新型磁性材料, ,特别是纳米磁特别是纳米磁性材料。性材料。纳米磁性材料纳米磁性材料是纳米材料中最早进入工业化是纳米材料中最早进入工业化生产的功能材料生产的功能材料, ,应用广泛应用广泛, ,性能优异性能优异, ,特别是在特别是在信息存信息存储储、处理与传输处理与传输中占据重要地位中占据重要地位, ,其基础研究和应用开其基础研究和应用开发正方兴未艾发正方兴未艾. .(4)(4)加强研究、生产、应用三方面的结合加强研究、生产、应用三方面的结合, ,不断开拓磁性材不断开拓磁性材料新的应用领域并促使其发展料新的应用领域并促使其发展. .我国磁性材料的我国磁性
22、材料的研究和发展研究和发展将主要集中在以下几个方面将主要集中在以下几个方面: :中国加入中国加入WTO后，国外公司的进入增加了中国磁性材料的产量。后，国外公司的进入增加了中国磁性材料的产量。 中国家电、汽车中国家电、汽车的的发展，成为磁性材料最大的应用市场，促使发展，成为磁性材料最大的应用市场，促使磁性材料进一步发展；磁性材料进一步发展； 中国的劳动成本低，有利于国际竞争，国外的一些磁性材料生中国的劳动成本低，有利于国际竞争，国外的一些磁性材料生产大公司都转移到中国，促进了中国磁性材料产量和产值的总产大公司都转移到中国，促进了中国磁性材料产量和产值的总体增加，到体增加，到2005年中国的磁性材
23、料销售额达到年中国的磁性材料销售额达到250亿人民币。亿人民币。 “十二五十二五”期间，重点开发期间，重点开发高性能、高附加值高性能、高附加值的磁体，以的磁体，以汽汽车配套磁瓦车配套磁瓦、计算机硬盘驱动器计算机硬盘驱动器、DVD驱动器驱动器、通信用磁体通信用磁体为为主体，主体，重点提高技术水平和档次重点提高技术水平和档次。行业内企业要具有。行业内企业要具有国际市场国际市场竞争的品牌竞争的品牌，要联合发展壮大，形成世界一流的大公司，要以，要联合发展壮大，形成世界一流的大公司，要以国际市场销售为主体，磁体大国迈入国际市场销售为主体，磁体大国迈入磁体强国磁体强国。美国一份报告统计显示，美国一份报告统
24、计显示， 2009年，中国稀土储量占全球的年，中国稀土储量占全球的36%,产量则占世产量则占世界产量的界产量的97%。与之形成鲜明对比的是，美国与之形成鲜明对比的是，美国2009年的稀土储量占世界年的稀土储量占世界13%，而产量为而产量为零零；俄罗斯储量占世界；俄罗斯储量占世界19%，产量为产量为零零；澳大利亚储量为；澳大利亚储量为540万吨，万吨，产量为产量为零零 1）中国稀土）中国稀土生产规模和生产量世界第一、出口量第一，但中国却没有稀生产规模和生产量世界第一、出口量第一，但中国却没有稀土定价权土定价权。销售粗加工、低附加值、恶性竞争，销售粗加工、低附加值、恶性竞争，“黄金黄金”卖卖“萝卜
25、萝卜”价价2）在全球产业链上，中国长期以来沦为发达国家廉价的）在全球产业链上，中国长期以来沦为发达国家廉价的初级产品供应商，初级产品供应商，特别是在稀土新材料领域特别是在稀土新材料领域，中国几乎没有自主知识产权，不少稀土企业，中国几乎没有自主知识产权，不少稀土企业维持在微利和亏损的边缘。维持在微利和亏损的边缘。 NbFeB烧结永磁体、粘结永磁体烧结永磁体、粘结永磁体3）中国稀土开发浪费和环境污染现象严重，稀土生产现状难以持续下去，）中国稀土开发浪费和环境污染现象严重，稀土生产现状难以持续下去，占世界稀土资源比例已下降占世界稀土资源比例已下降 4）中国稀土被西方广泛应用于军工等行业，是）中国稀土
26、被西方广泛应用于军工等行业，是高科技产品和武器的关键原高科技产品和武器的关键原材料材料，稀土再廉价也不会被西方国家打入贸易倾销黑名单；可是，西方国，稀土再廉价也不会被西方国家打入贸易倾销黑名单；可是，西方国家却在高科技产品对华限制出口，尤其在高科技军售方面长期实施禁运家却在高科技产品对华限制出口，尤其在高科技军售方面长期实施禁运 我国政府开始规划稀土产业，出台了一系列相应的稀土政策，如限制出口等我国政府开始规划稀土产业，出台了一系列相应的稀土政策，如限制出口等我国稀土资源、产业的一些亟待解决的问题我国稀土资源、产业的一些亟待解决的问题 a.磁铁（永磁体）：方向性：方向性：N、S极极不可分离性：
27、不可分离性：磁力线：磁力线切线方向为磁场方向磁力线：磁力线切线方向为磁场方向b.定义：定义：1.2.1 静磁现象静磁现象1. 磁偶极子磁偶极子 1.2 1.2 磁学基础知识磁学基础知识+m-mlN S正磁极正磁极 负磁极负磁极正磁荷正磁荷 +m 负磁荷负磁荷 -m磁体无限小时，体系定义为磁偶极子磁体无限小时，体系定义为磁偶极子磁偶极矩：磁偶极矩： 方向：方向：-m指向指向+m单位：单位：Wbmljmm2.2.磁矩磁矩 用环形电流描述磁偶极子： 单位单位：A m2 结论结论：a 二者的物理意义相同： 表征磁偶极子磁性强弱与方向表征磁偶极子磁性强弱与方向；但单位不同，公式有差异170mH104om
28、mjc.电子的轨道运动相当于一个恒定的电流回路，必有一个磁矩，但自旋不能用电流回路解释，因此，最好将自旋磁矩视为基本粒子的固有磁矩。b.方向：右手螺旋法则决定面积面积Ami（电流）（电流）AAim 其磁矩：其磁矩：0mmj 3 磁化强度磁化强度 M 磁极化强度磁极化强度)(2mWbVmjJ磁化强度磁化强度)m(A1VmMMJj0m0m磁化强度定义为材料微小体元磁化强度定义为材料微小体元V内的内的全部分子磁矩全部分子磁矩矢量矢量和和与与V 之比之比 对于顺磁与抗磁介质，无外加磁场时，M恒为零;存在外加磁场时，则有 emu/g(CGS)(SI)kgmA/11-2dVdMm比饱和磁化强度比饱和磁化强
29、度A/m /(kg/m3) = Am2/kgemu/g1kgmA11-2MH曲线测试曲线测试，一般单位为，一般单位为 emu，除以质量即得到除以质量即得到 emu/g，除以体积即可得到除以体积即可得到emu/cm3两者可通过密度进行换算两者可通过密度进行换算 均为描述空间任意一点的磁场参量（矢量）均为描述空间任意一点的磁场参量（矢量）1)1)、H ：静磁学定义静磁学定义 H H为为单位单位点磁荷点磁荷在在该处所受的磁场力的大小该处所受的磁场力的大小，方向，方向 与正磁荷在该处所受磁场力方向一致。与正磁荷在该处所受磁场力方向一致。032141,krrmmkFmFH其中4 磁场强度磁场强度 H 与
30、与磁感应强度与与磁感应强度 B 实际应用中，往往用电流产生磁场，并规定实际应用中，往往用电流产生磁场，并规定H的单位在的单位在SI制中，制中，用用1A的电流通过直导线，在距离导线的电流通过直导线，在距离导线r=（1/2） 米处，磁场强度即米处，磁场强度即为为1A m1。 无限长载流直导线：无限长载流直导线：方向方向是切于与导线垂直是切于与导线垂直的且以导线为轴的圆周的且以导线为轴的圆周rIH2常见几种电流产生磁场的形式常见几种电流产生磁场的形式磁磁场场强强度度r1820年年OerstedH直流环形线圈圆心：直流环形线圈圆心：方向由右手螺旋法则确定。方向由右手螺旋法则确定。无限长直流螺线管：无限
31、长直流螺线管：n：单位长度的线圈匝数单位长度的线圈匝数rIH2HnIrH方向沿螺线管的轴线方向方向沿螺线管的轴线方向2) 磁感应强度磁感应强度B 往往确定磁场效应采用磁感应强度B，而非HSI制中，JHBHBMJBMHMHB000000,)(ii则：令自由真空中，B与H平行，磁体内部，B与H不一定平行，JHB0单位：B：T或Wbm2；H：A/m； M：A/m；J： Wbm2真空中，M0 当H 107/4A m1时，B1THB0磁学量的单位制：磁学量的单位制：使用使用GaussGauss单位制时，单位制时，此时，此时，B的单位为的单位为Gs，H的单位为的单位为Oe，0=1G / Oe 式中式中M为
32、磁极密度单位为为磁极密度单位为Gs，4M为磁通线的密度。为磁通线的密度。SI制与制与Gauss制间的转换制间的转换 B：1G=10-4T H：1 Oe = 79.577 A.m-1 103A m-1-14 Oe， 10103 3/ /4 A m-1-1= =79.577A m-1-1= =1 Oe MHB4iBHB0和磁矩磁矩： 在在Gauss单位制中单位制中0=1G / Oe ，则磁偶极矩与磁则磁偶极矩与磁矩无差别，通称为磁矩，单位为电磁单位（矩无差别，通称为磁矩，单位为电磁单位（e.m.u） 1e.m.u(磁偶极矩磁偶极矩) 4 1010 Wbm 1e.m.u (磁矩磁矩) 103A m2
33、 2磁化强度磁化强度： Gauss单位制中，磁极化强度（单位制中，磁极化强度（J）与磁化强度）与磁化强度（M）相同，单位）相同，单位：G134A10G1T104G1m：MJ 电磁学的单位由于历史的原因曾有过多种，有静电制电磁学的单位由于历史的原因曾有过多种，有静电制(CGSE)，静磁制，静磁制(CGSM) ，高斯制，以及目前规定通用的，高斯制，以及目前规定通用的国际单位制（国际单位制（MKSA)，加之历史上对磁性起源有过不同的，加之历史上对磁性起源有过不同的认识，至目前为止，磁学量单位的使用上仍存在着一些混认识，至目前为止，磁学量单位的使用上仍存在着一些混乱，较早的文献多使用高斯制，目前虽多数
34、文献采用了国乱，较早的文献多使用高斯制，目前虽多数文献采用了国际单位制，但仍不时有使用高斯单位制出现的情况。因此际单位制，但仍不时有使用高斯单位制出现的情况。因此必须熟悉两种单位制之间的换算：必须熟悉两种单位制之间的换算：国际单位制（国际单位制（SI） 高斯单位制（高斯单位制（EMU）0()1BHMMH 414BHMMH 单位制问题单位制问题：没有没有 0！ 磁学量符号 SI单位制高斯单位emuSI磁场强度 H Am-1 Oe103/4磁感应强度磁感应强度 B T Gs10-4磁化强度 M Am-1 Gs103磁通量 Wb Mx10-8 磁矩 Am2 emu10-3磁偶极矩 jm Wbm em
35、u410-10 磁化率4 磁导率1m磁极化强度磁极化强度 J T Gs 4 10-4 摘自姜书摘自姜书p47141104应为：应为：磁极化强度磁极化强度提示：提示：1. 高斯单位制中，因为高斯单位制中，因为 ，磁偶极矩和磁矩是没有区别，磁偶极矩和磁矩是没有区别的，磁化强度和磁极化强度也是没有区别的，都称作磁化的，磁化强度和磁极化强度也是没有区别的，都称作磁化强度，单位是：高斯（强度，单位是：高斯（Gs），但在国际单位制里，两者是），但在国际单位制里，两者是不同的，所以换算关系不同：不同的，所以换算关系不同： 01431: 1Gs410 T:1Gs10 A mJM而磁感应强度而磁感应强度 B 在
36、两个单位制中的变换是：在两个单位制中的变换是：4:1Gs10 TB这是由于两个物理量在两种单位制中的关系不同造成的。这是由于两个物理量在两种单位制中的关系不同造成的。2. 从实用观点看，单位制问题，主要就是两种单位制之间的从实用观点看，单位制问题，主要就是两种单位制之间的 换算问题，换算问题，解决办法就是建立一个换算表解决办法就是建立一个换算表。5.5.磁化率与磁导率磁化率与磁导率 HMHM，称为磁体的称为磁体的磁化率磁化率磁导率磁导率，代表该，代表该磁性材料的导磁能力磁性材料的导磁能力，是表征磁性材料性，是表征磁性材料性能的重要参数。能的重要参数。 例如：例如：B-H曲线上某点曲线上某点(B
37、1，H1)的磁导率的磁导率1B1/H1， 即即B-H曲线在某点曲线在某点(B1，H1)的斜率。的斜率。HB通常为了比较介质的导磁性能，以真空磁导率通常为了比较介质的导磁性能，以真空磁导率0为基准，定为基准，定义介质的磁导率与真空磁导率的比值为相对磁导率义介质的磁导率与真空磁导率的比值为相对磁导率r磁体置于外磁场中磁化强度磁体置于外磁场中磁化强度M将发生磁化。将发生磁化。磁化率磁化率是是单位磁场单位磁场在磁体内感生的在磁体内感生的磁化强度磁化强度，表征，表征磁体磁化难易程度磁体磁化难易程度 相对磁导率相对磁导率真空对磁导率真空对磁导率磁导率的不同定义磁导率的不同定义：1)、初始磁导率初始磁导率i
38、HBHilim001 是磁中性状态（是磁中性状态（H H0 0，M M0 0）下磁导率的极限值，）下磁导率的极限值，在弱场下使用时，在弱场下使用时， i是一重要参数是一重要参数2)、最大磁导率最大磁导率maxmax0max1HB表征单位表征单位H H在磁体中感生出最大在磁体中感生出最大B B的能力。一般而言的能力。一般而言磁性体的磁导率就是指这个参数。磁性体的磁导率就是指这个参数。3)3)、振幅磁导率、振幅磁导率 磁体在交变磁场（无直流磁场）中被磁化时，在一磁体在交变磁场（无直流磁场）中被磁化时，在一定振幅的磁场下，其磁感应强度也有一定振幅定振幅的磁场下，其磁感应强度也有一定振幅 ：aaaHB
39、01 它它是是(H(H或或B)B)的振幅的函数，其最大值称为最大振幅磁导的振幅的函数，其最大值称为最大振幅磁导率。率。4)4)、增量磁导率、增量磁导率 指磁体受直流电磁场指磁体受直流电磁场H0作用，在作用，在H0上再叠加一个较小的上再叠加一个较小的交变磁场，此时磁体对于交变磁场的磁导率即为交变磁场，此时磁体对于交变磁场的磁导率即为 。HB01aBa5)5)、可逆磁导率、可逆磁导率revlim0Hrev6)6)、复数磁导率、复数磁导率 /0iHB复数磁导率是物质在交变磁场 的作用下，交变磁感应强度与磁场强度的比值。他们常常具有不同的相位，因此为复数，即uB/0H1-i1， 表示的是在交流磁场磁化
40、下磁性特征的一个物理量，它同时反映B和H之间振幅及相位关系振幅及相位关系 1)、退磁场、退磁场 有限几何尺寸的磁体在外磁场中被磁化后，有限几何尺寸的磁体在外磁场中被磁化后，表面将产生磁表面将产生磁极，从而使磁体内部存在与磁化强度极，从而使磁体内部存在与磁化强度M方向相反的一种磁场方向相反的一种磁场，起，起减退磁化的作用，称为减退磁化的作用，称为退磁场退磁场Hd。 Hd 的的大小与磁体形状及磁极强度有关。若磁化均匀，则大小与磁体形状及磁极强度有关。若磁化均匀，则Hd 也也均匀，且与均匀，且与M成正比成正比：其中其中N为退磁因子，只与磁体几何形状和尺寸有关。为退磁因子，只与磁体几何形状和尺寸有关。
41、非均匀磁化时还与磁性体磁导率有关。非均匀磁化时还与磁性体磁导率有关。6 6 退磁能退磁能 Hd=-NM2)、简单几何形状磁体的退磁因子、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：对于旋转椭球体，三个主轴方向退磁因子之和：1cbaNNNabcXYZ如何理解如何理解?表面表面1/31/213)、退磁场能量、退磁场能量 指磁体在它自身的指磁体在它自身的Hd 中所具有的能量中所具有的能量20000021NMMNMMHFMMdddd12/12220zyxzzyyxxdzzyyxxdNNNMNMNMNFkMNjMNiMNH对椭球体： 适用条件：磁体内部均匀一致，磁化均匀。适用条
42、件：磁体内部均匀一致，磁化均匀。 形状不同或沿不同的方向磁化时，形状不同或沿不同的方向磁化时，Fd也不同，也不同，这种因形状不同而引起的能量各向异性的特征这种因形状不同而引起的能量各向异性的特征形状各向异性形状各向异性。即：。即：Fd是形状各向异性能量。是形状各向异性能量。20220202/14/16/1zdyxddMFMMFMF薄圆板片：细长圆柱体：球体：外磁场能HmJ磁体由于本身的磁偶极矩磁体由于本身的磁偶极矩Jm与与H间的相互作用，产生一间的相互作用，产生一力矩：力矩：+mF=-mHFmH-mlH7. 7. 静磁能静磁能 sinsinsin2sin2mlHlFlFlFL 负号表示力矩沿顺
43、时针方向（逆时针方向为正）负号表示力矩沿顺时针方向（逆时针方向为正） =00 ，L最小，处于稳定状态最小，处于稳定状态 0，L 0，不稳定，会使磁体转到与，不稳定，会使磁体转到与H方向一致，这就要做方向一致，这就要做功，相当于使磁体在功，相当于使磁体在H中位能降低。中位能降低。即：磁体在磁场中位能：即：磁体在磁场中位能：HjmccmlHdmlHLdWu)0( ,cossin取单位体积中磁位能（即磁场能量密度单位体积中磁位能（即磁场能量密度）)J/m(cos300MHVVHMHJHjuFm0，FH最小180o，FH最大一、典型测试系统一、典型测试系统1、美国、美国Quantum Design公司
44、公司 磁性测量系统磁性测量系统MPMS Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) 02T or 07T, 1.9 or 4.2400K，LHe or Cryogen Free Sensitivity: 1E-7 emu 低低温温强强场场磁化强度与磁滞回线；直流、交流磁化率；单晶磁各项异性；磁化强度与磁滞回线；直流、交流磁化率；单晶磁各项异性；光诱导磁光诱导磁性；压力诱导磁性；性；压力诱导磁性； 电导测量。电导测量。变温度、变磁场进行、连续低温操作2、美国、美国Quantum Design公司公司 物性测量系统物性测量系统PPMS P
45、hysical Property Measurement System (PPMS) 420万 09T or 014T, 1.9400K，LHe or Cryogen Free Sensitivity: 2E-5 emu 主要测试功能：1、直流电阻，2、交流电阻，3、HALL效应， 4、I-V特性，5、临界电流，6、DC磁化强度，7、AC磁化率，8、扭矩磁化测量，9、比热，10、热导率 ，11、热电势，12、FIGURE OF MERIT ，13、超低场较正。以上测量可以变温度、变磁场进行、连续低温操作。低低温温强强场场超超强强功功能能3、美国、美国Lakeshore VSM Vibratio
46、n Sample System (VSM) Lake Shore的7410 VSM 0 3T510-7emu液氦、液氮恒温器， 8K或80K下工作 高温炉 可实1000下工作 967500元 4、磁滞回线仪、磁滞回线仪 磁性材料对磁性材料对外加磁场有明显的响应外加磁场有明显的响应特征，状态随外加磁场强特征，状态随外加磁场强度而变化，可用磁化曲线与磁滞回线表征。度而变化，可用磁化曲线与磁滞回线表征。1. 磁化曲线磁化曲线表示磁场强度表示磁场强度H与所感生的与所感生的B或或M之间的关系之间的关系 B H关系：工程技术中应用关系：工程技术中应用 MH关系：磁性物理学中常用关系：磁性物理学中常用 可通
47、过环形磁材样品测出：初级线圈可通过环形磁材样品测出：初级线圈N1接接DC电路，次级线圈电路，次级线圈N2接电子磁通计。当接电子磁通计。当N1通通DC时，磁环内部产生磁场，此环形样品被磁时，磁环内部产生磁场，此环形样品被磁化，由磁通计反映出化，由磁通计反映出B的变化，由此可作出的变化，由此可作出BH曲线，也可由曲线，也可由B 0(H+M)画出画出0MH曲线。（如图）曲线。（如图）二、二、 材料的磁化材料的磁化HCHBCHMBM0OFB(0M)1mAH铝钴镍的两种磁化曲线MBOABsMmHO点：点：H0, B0, M0, 磁中性和原始退磁状态磁中性和原始退磁状态OA段：近似线性，段：近似线性，起始
48、磁化阶段起始磁化阶段AB段：较陡峭，表明急剧磁化段：较陡峭，表明急剧磁化结论：结论：1.两曲线机理一样；两曲线机理一样；2.HHm后，后，M逐渐趋于一定值逐渐趋于一定值MS（饱和磁化强度），而（饱和磁化强度），而B则仍不断增大；则仍不断增大；4.由由BH（MH）曲线可求）曲线可求出出或或 ；5.饱和后再磁化无意义。饱和后再磁化无意义。 从饱和磁化状态开始，再使磁化场减小，从饱和磁化状态开始，再使磁化场减小，B或或M不再沿原始不再沿原始曲线曲线返回。返回。H从正的最大到负的最大，再回到正的最大时，从正的最大到负的最大，再回到正的最大时，B-H或或M-H形成一封闭的曲线形成一封闭的曲线磁滞回线磁滞
49、回线，磁材的重要特性之一，磁材的重要特性之一 当当H0时，仍有一定的时，仍有一定的剩磁剩磁Br或或Mr。 HCHBCHMBM0OF1) 矫顽力矫顽力 Hc 为使为使B(M)趋于零，需反向加一磁场，趋于零，需反向加一磁场，此时此时H=Hc称为矫顽力。称为矫顽力。 BHC：使：使B=0的的Hc。 （工程技术上指）（工程技术上指） MHC： M=0时的时的Hc （内禀矫顽力）（内禀矫顽力） 一般一般| BHC | | MHC |2. 磁滞回线磁滞回线通常以通常以Hc划分划分软磁、永磁、半永磁材料软磁、永磁、半永磁材料：: :软磁软磁: :硬磁硬磁: :半硬磁半硬磁磁滞回线的磁滞回线的第二象限为退磁曲
50、线第二象限为退磁曲线（依据此考察硬磁材（依据此考察硬磁材料性能）料性能）,(BH)为磁能积为磁能积，表征永磁材料中能量大小表征永磁材料中能量大小。 (BH)max 是永磁的重要特性参数之一。是永磁的重要特性参数之一。为使为使B(M)趋于零，需反向加一磁场，此时趋于零，需反向加一磁场，此时H=Hc称称为矫顽力为矫顽力BH-H-BHardSoft之间介于mAmAmA/1000100/1000/100CCHH( 12.5Oe)周寿增周寿增稀土永磁材料及应用稀土永磁材料及应用BCC 铁铁FCC 镍镍Co HCP磁晶各向异性磁晶各向异性从实用的观点，根据磁化率从实用的观点，根据磁化率（M/H）大小与符号
