1、磁性物理第一章 物质磁性概述第一节第一节 基本磁学量基本磁学量第三节第三节 磁化状态下磁体中的静磁能量磁化状态下磁体中的静磁能量第四节第四节 磁性材料的磁化曲线和磁滞回线磁性材料的磁化曲线和磁滞回线第二节第二节 物质按磁性分类物质按磁性分类磁性物理第一章 物质磁性概述第一节第一节 基本磁学量基本磁学量Basic Physical Quantity of Magnetism磁性物理第一章 物质磁性概述永磁体总是同时出现偶数个磁极永磁体总是同时出现偶数个磁极 当磁体无限小时，体系定义为当磁体无限小时，体系定义为元磁偶极子元磁偶极子：指强度相等，：指强度相等，极性相反并且其距离无限接近的一对极性相反
2、并且其距离无限接近的一对“磁荷磁荷”磁偶极矩：磁偶极矩：方向：方向：-m指向指向+m单位：单位：Wbm+m-ml mjml磁性物理第一章 物质磁性概述 安培提出了磁偶极子与安培提出了磁偶极子与电流回路元电流回路元在磁性上的相当性原在磁性上的相当性原理理，并根据它认为，并根据它认为宏观物质的磁性起源于宏观物质的磁性起源于“分子电流分子电流”假说，假说，磁矩：磁矩：单位：单位：A m2071410mmojH m mi A 二者的物理意义二者的物理意义：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磁性物理第一章 物质磁性概述 单位体积单位体积的磁体内的磁体内,所有磁偶极子的所有磁偶极子的 j
3、m或磁矩或磁矩m的的矢矢量和量和，分别为，分别为：磁极化强度：磁极化强度：21()nmiimjJWb mV 磁磁 化化 强强 度：度：1)nmii=1M=(A mV 0mJM 说明：描述宏观磁体磁性强弱程度的物理量说明：描述宏观磁体磁性强弱程度的物理量磁性物理第一章 物质磁性概述比磁化强度比磁化强度（单位质量磁体内具有的磁矩矢量和）（单位质量磁体内具有的磁矩矢量和）-11()n21miiMA mkgV 磁性物理第一章 物质磁性概述 1、磁场强度、磁场强度H(magnetic intensity)：(静磁学定义)为为单单位点磁荷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在该处所受的磁场
4、力的大小，方向与正磁荷在该处所受磁场力方向一致。所受磁场力方向一致。123014,mmFHFkrkmr 其其中中 物理意义：均为描述空间任意一点的磁场参量（矢量）物理意义：均为描述空间任意一点的磁场参量（矢量）磁性物理第一章 物质磁性概述计算磁偶极子产生的磁场强度：计算磁偶极子产生的磁场强度：2204rrrHdrFmdrkdrmrkmmrr HHrH1H2H1r2rr-m+ml12coslrr 22coslrr 磁性物理第一章 物质磁性概述磁位势磁位势 ：120 10 222220022300444414144.coscoscoscosmmmmrrmlmllrrrjjrrr 磁性物理第一章 物
5、质磁性概述22003300coscos1442cossin1144mmrmmrHjjeerrrrjjeerr 30302cos14sin14mrmjHrjHr H沿沿r 方向及使方向及使 角增加方角增加方向的分量计算：向的分量计算：磁性物理第一章 物质磁性概述303021041904,H,HomromjHrjHr ：在从在从m到到m的位移的位移矢量延长线上矢量延长线上：在：在l的中垂面上的中垂面上磁性物理第一章 物质磁性概述 实际应用中，往往用实际应用中，往往用电流产生磁场电流产生磁场，并规定，并规定H的单位的单位在在SI制中：用制中：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
6、导线r=1/2米米处，磁场强度即为处，磁场强度即为1A/m。常见的几种电流产生磁场的形式常见的几种电流产生磁场的形式为：为：（1）、）、无限长载流直导线：无限长载流直导线：方向是切于与导线垂直的且以方向是切于与导线垂直的且以导线为轴的圆周导线为轴的圆周rIH2磁性物理第一章 物质磁性概述磁性物理第一章 物质磁性概述（2）、直流环形线圈圆心：）、直流环形线圈圆心：r为环形圆圈半径，为环形圆圈半径，方向由右方向由右手螺旋法则确定手螺旋法则确定。rIH2磁性物理第一章 物质磁性概述（3）、无限长直流螺线管：）、无限长直流螺线管：n：单位长度的线：单位长度的线圈匝数，圈匝数，方向沿螺线管的方向沿螺线管
7、的轴线方向轴线方向nIH 磁性物理第一章 物质磁性概述2、磁感应强度、磁感应强度B(magnetic flux density):预备知识：预备知识：SI(MKSA)单位制和单位制和Gauss(CGS)单位制单位制 A、SI单位制：主要磁单位制：主要磁学量都用学量都用电流的磁效应电流的磁效应来定来定义，其中义，其中磁感应强度磁感应强度B为主为主导量导量（凡涉及到与其他物理（凡涉及到与其他物理量的相互作用，都必须使用量的相互作用，都必须使用B）dFIdlB 磁感应强度磁感应强度B的定义可由的定义可由安培公式得出：安培公式得出：根据安培环路定理可定根据安培环路定理可定义磁场强度义磁场强度H：0 B
8、HMH为导出量，仅为导出量，仅用于计算用于计算传导电传导电流所产生的磁场流所产生的磁场，不能代表不能代表磁场强磁场强度与外界发生作度与外界发生作用用磁性物理第一章 物质磁性概述 B、Guass单位制（绝单位制（绝对电磁单位制）：早年使对电磁单位制）：早年使用的单位制，所有的磁学用的单位制，所有的磁学量都是通过量都是通过磁偶极子磁偶极子的概的概念建立起来的念建立起来的其中磁化强度其中磁化强度M被定义为：被定义为：()iiMml单位：单位：Guass磁场强度磁场强度H被定义为：被定义为：FHm 单位：单位：Oe 引入磁感应强度引入磁感应强度B，使之，使之满足如下关系：满足如下关系：4BHM 在在G
9、uass单位制中，单位制中，M 和和H 都有都有明确的物理意义，是基本物理明确的物理意义，是基本物理量，而量，而B只是一个导出量只是一个导出量磁性物理第一章 物质磁性概述附一：两种观点的比较（即两种单位制的比较）附一：两种观点的比较（即两种单位制的比较）1、两种单位制对磁学量的定义来源于、两种单位制对磁学量的定义来源于两种不同的观点两种不同的观点；2、在、在SI单位制中（依据于分子电流观点），单位制中（依据于分子电流观点），磁场用磁感应磁场用磁感应强度强度B来描述，而磁场强度来描述，而磁场强度H只是一个导出量只是一个导出量，它存在的惟，它存在的惟一含义就是满足一含义就是满足3、在、在Guass
10、单位制中（依据于磁偶极子观点），单位制中（依据于磁偶极子观点），磁场用磁磁场用磁场强度场强度H描述描述，它是电流和磁性体所产生的磁场强度的矢量，它是电流和磁性体所产生的磁场强度的矢量和，而和，而磁感应强度磁感应强度B只是一个引入的辅助量只是一个引入的辅助量，仅在于满足方，仅在于满足方程程divB=0。0()）insideLLH dlI磁性物理第一章 物质磁性概述从物理的角度来看到底哪一种观点更加合理、更加接近于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？物质磁性起源的真实情况呢？从目前来看，视乎分从目前来看，视乎分子电流的观点更接近子电流的观点更接近于真实情况于
11、真实情况a、电子的轨道磁矩来自电子的、电子的轨道磁矩来自电子的轨道电流，支持分子电流的观轨道电流，支持分子电流的观点；点；b、狄拉克、狄拉克(Dirac)虽然从理论上虽然从理论上预言了预言了“磁单极磁单极”的存在，但的存在，但至今没有发现至今没有发现“磁单极磁单极”，使，使磁偶极子的概念失去了存在的磁偶极子的概念失去了存在的基础。基础。磁性物理第一章 物质磁性概述附二：附二：SI单位制和单位制和Gauss单位制的转换单位制的转换（1）、）、B：1 G=10-4 T H：103A/m的的H有有4 Oe的值，的值，103/4 A/m=79.577A/m=1 Oe（2）、）、磁矩：磁矩：在在Gaus
12、s单位制中单位制中 0=1G/Oe，则磁偶极矩与磁矩无差，则磁偶极矩与磁矩无差别，通称为磁矩，单位为电磁单位（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 10-10 Wb m 1e.m.u(磁矩磁矩)10-3 A m2磁性物理第一章 物质磁性概述（3）、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）相同，单位：同，单位：G4311410110JM ：GTGA m磁性物理第一章 物质磁性概述 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将发生变化（磁化）将发生变化（磁化）HMHM，其中
13、其中 称为磁体的磁化率称为磁体的磁化率(susceptibility)，是单位磁场强，是单位磁场强度度H在磁体内感生的在磁体内感生的M，表征磁体磁化难易程度的物理量表征磁体磁化难易程度的物理量 HHHBM)HB0001)(令：磁导率令：磁导率(permeability)=（1 )=B/0H（相对磁（相对磁导率，表征磁体磁性、导磁性及磁化难易程度）导率，表征磁体磁性、导磁性及磁化难易程度）磁性物理第一章 物质磁性概述磁导率的不同表达形式（不同磁化条件）：磁导率的不同表达形式（不同磁化条件）：（1）起始磁导率）起始磁导率 i：磁中性状态下磁导率的极限值磁中性状态下磁导率的极限值001iHBlimH
14、 弱磁场下使用的磁体弱磁场下使用的磁体（2）最大磁导率）最大磁导率 max：材料磁化过程中的最大值材料磁化过程中的最大值01maxmaxBH （3）复数磁导率）复数磁导率：磁体在交变磁场中磁化磁体在交变磁场中磁化i 动态磁化中经常遇到动态磁化中经常遇到磁性物理第一章 物质磁性概述（4）增量磁导率）增量磁导率：在稳恒磁场在稳恒磁场H0作用下，叠加一个较小的交变磁场作用下，叠加一个较小的交变磁场01BH 交变磁感应强度的峰值交变磁感应强度的峰值交变磁场强度的峰值交变磁场强度的峰值（5）可逆磁导率）可逆磁导率 rev：交变磁场趋于交变磁场趋于0时，时，的极限值的极限值lim0Hrev（6）微分磁导率
15、）微分磁导率 diff：起始磁化曲线上任意一点的斜率起始磁化曲线上任意一点的斜率01diffdBdH NOTE：所有磁导率都是磁场强度：所有磁导率都是磁场强度H的函数的函数磁性物理第一章 物质磁性概述第二节第二节 物质按磁性分类物质按磁性分类Classification of Magnetic Materials磁性物理第一章 物质磁性概述 为了方便研究物质磁性的起因，我们可以按其为了方便研究物质磁性的起因，我们可以按其在磁场中的在磁场中的表现表现把物质进行分类，把物质进行分类，例如例如依据磁化率的正负、大小及其与依据磁化率的正负、大小及其与温度的关系来进行分类温度的关系来进行分类，分类是否科
16、学取决于是否反映了内在，分类是否科学取决于是否反映了内在磁性机理上的不同。随着研究的深入，分类也在不断完善和细磁性机理上的不同。随着研究的深入，分类也在不断完善和细化，到上个世纪化，到上个世纪 70 年代为止，年代为止，在晶状固体里，共发现了五种在晶状固体里，共发现了五种主要类型的磁结构物质主要类型的磁结构物质，它们的形成机理和宏观特征各不相同，它们的形成机理和宏观特征各不相同，对它们的成功解释形成了今天的磁性物理学核心内容。对它们的成功解释形成了今天的磁性物理学核心内容。上世纪上世纪 70 年代以后，随着非晶材料和纳米材料的兴起，年代以后，随着非晶材料和纳米材料的兴起，又发现了一些新的磁性类
17、型，对它们的研究尚在深化之中。又发现了一些新的磁性类型，对它们的研究尚在深化之中。磁性物理第一章 物质磁性概述（1）当受到外磁场）当受到外磁场H作用后，感作用后，感生出与生出与H方向相反的磁化强度，故方向相反的磁化强度，故其其 d 0 （2）绝对数值很小，一般为）绝对数值很小，一般为10-5 （3）与磁场、温度均无关）与磁场、温度均无关HM 0 （2）数值很小，一般为）数值很小，一般为10-610-3 （3）磁化率与温度的关系遵）磁化率与温度的关系遵从居里外斯定律从居里外斯定律ppCTT M 01p TTp p10-610-3HC 称作居里常数，称作居里常数，Tp 称作居里顺磁温度称作居里顺磁
18、温度磁性物理第一章 物质磁性概述NOTE：服从居里：服从居里-外斯定律的物质都是在某一个温度之上才外斯定律的物质都是在某一个温度之上才显示顺磁性，这个温度之下，表现为其它性质。显示顺磁性，这个温度之下，表现为其它性质。典型顺磁性物质的基本特点是典型顺磁性物质的基本特点是。此外，。此外，传导电子传导电子也具有一定的也具有一定的顺磁性。顺磁性。磁性物理第一章 物质磁性概述 顺磁性物质也很多，常见的顺磁性物质：顺磁性物质也很多，常见的顺磁性物质：过渡族过渡族元素、元素、稀土稀土元素和锕系元素金属：元素和锕系元素金属：Mn,Cr,W,La,Nd,Pt,Pa,含有以上元素的化合物：含有以上元素的化合物：
19、MnSO4,FeCl3,FeSO4,Gd2O3,碱金属和碱土金属：碱金属和碱土金属：Li,Na,K,Ru,Cs,Mg,Ca,Sr,Ba 包含有奇数个电子的原子或分子：包含有奇数个电子的原子或分子：HCl,NO,有机化合物中的自由基有机化合物中的自由基 少数含有偶数个电子的化合物：少数含有偶数个电子的化合物：O2,有机物中的双自由基等有机物中的双自由基等 磁性物理第一章 物质磁性概述（1）很容易被磁化到饱和（只需要很小的磁场）很容易被磁化到饱和（只需要很小的磁场）（2）f 0，且为，且为101105 （3）也存在一个临界温度）也存在一个临界温度TC （4）MH呈非线性关系呈非线性关系 构成这类物
20、质的原子也构成这类物质的原子也有一定的磁矩有一定的磁矩，但宏观表现却完，但宏观表现却完全不同于顺磁性，解释铁磁性的成因已成为对人类智力的最全不同于顺磁性，解释铁磁性的成因已成为对人类智力的最大挑战，虽然经过近大挑战，虽然经过近100年的努力已经有了比较成功的理论，年的努力已经有了比较成功的理论，但仍有很多问题有待后人去解决。但仍有很多问题有待后人去解决。磁性物理第一章 物质磁性概述表现为铁磁性的元素物质只有以下几种表现为铁磁性的元素物质只有以下几种：一：一些些过渡族过渡族元素和元素和稀稀土土元素金属元素金属：但以上面元素为主构成的铁磁性合金和化合物是很多的，它但以上面元素为主构成的铁磁性合金和
21、化合物是很多的，它们构成了磁性材料的主体，在技术上有着重要作用们构成了磁性材料的主体，在技术上有着重要作用，例如例如：Fe-Ni,Fe-Si,Fe-Co,AlNiCo,CrO2,EuO,GdCl3,室温以上，只有室温以上，只有4种元素是铁磁性的。种元素是铁磁性的。磁性物理第一章 物质磁性概述 N在某一温度在某一温度TN处存在最大处存在最大值，值，当温度当温度TTN时，磁化率与普时，磁化率与普通的顺磁性物质相似，服从居里通的顺磁性物质相似，服从居里外斯定律，但通常外斯定律，但通常顺次居里温顺次居里温度都是小于零的度都是小于零的；当温度当温度T 01NTTO磁性物理第一章 物质磁性概述 反铁磁性是
22、反铁磁性是1936年首先由法国科学家年首先由法国科学家Neel从理论上预言、从理论上预言、1938年发现，年发现，1949年被中子实验证实的，它的基本特征是存在年被中子实验证实的，它的基本特征是存在一个磁性一个磁性转变温度转变温度，在此点磁化率温度关系出现，在此点磁化率温度关系出现峰值峰值。弱磁！弱磁！磁性物理第一章 物质磁性概述文献中也常绘成磁化率倒数和温度关系：文献中也常绘成磁化率倒数和温度关系：()T K1铁磁性铁磁性CT 低温下表现为反铁磁性的物质，超过磁性转变温度低温下表现为反铁磁性的物质，超过磁性转变温度（一般称作（一般称作Neel温度）后变为顺磁性的，其磁化率温度关温度）后变为顺
23、磁性的，其磁化率温度关系服从居里系服从居里-外斯定律：外斯定律：注意与铁磁性的区别！注意与铁磁性的区别！=pCTT磁化率表现复杂磁化率表现复杂TpTp TC磁性物理第一章 物质磁性概述 反铁磁物质主要是一些反铁磁物质主要是一些过渡族元素过渡族元素的氧化物、卤化物、的氧化物、卤化物、硫化物，硫化物，如：如：FeO,MnO,NiO,CoO,Cr2O3,FeCl2,FeF2,MnF2,FeS,MnS右图是右图是1938 年测到的年测到的MnO磁化磁化率温度曲线，它是被发现的第一率温度曲线，它是被发现的第一个反铁磁物质，转变温度个反铁磁物质，转变温度 122K。磁性物理第一章 物质磁性概述该表取自该表
24、取自Kittel 书书2005中文版中文版p236，从中看出反铁磁物质的，从中看出反铁磁物质的转变温度一般较低转变温度一般较低，只能在低温下才观察到反铁磁性。，只能在低温下才观察到反铁磁性。Tp磁性物理第一章 物质磁性概述 人类最早发现和利用的强磁性物质天然磁石人类最早发现和利用的强磁性物质天然磁石Fe3O4就是亚就是亚铁磁性物质，上世纪铁磁性物质，上世纪3040年代开始在此基础上人工合成了一年代开始在此基础上人工合成了一些具有亚铁磁性的氧化物，但其宏观磁性质和铁磁物质相似，些具有亚铁磁性的氧化物，但其宏观磁性质和铁磁物质相似，很长时间以来，人们并未意识到它的特殊性，很长时间以来，人们并未意识
25、到它的特殊性，1948 年年 Neel在在反铁磁理论的基础上创建了亚铁磁性理论后，人们才认识到这反铁磁理论的基础上创建了亚铁磁性理论后，人们才认识到这类物质的特殊性，在类物质的特殊性，在磁结构磁结构的本质上它和的本质上它和反铁磁反铁磁物质相似，但物质相似，但宏观表现宏观表现上却更接近于上却更接近于铁磁铁磁物质。对这类材料的研究和利用克物质。对这类材料的研究和利用克服了金属铁磁材料电阻率低的缺点，极大地推动了磁性材料在服了金属铁磁材料电阻率低的缺点，极大地推动了磁性材料在高频和微波领域中的应用，成为今日磁性材料用于信息技术的高频和微波领域中的应用，成为今日磁性材料用于信息技术的主体。主体。强磁！
26、强磁！磁性物理第一章 物质磁性概述磁化率倒数和温度关系磁化率倒数和温度关系饱和磁化强度温度关系饱和磁化强度温度关系 亚铁磁物质的磁化率和磁化强度一般比铁磁物质低，但亚铁磁物质的磁化率和磁化强度一般比铁磁物质低，但其电阻率一般要高的多。其电阻率一般要高的多。磁性物理第一章 物质磁性概述 亚铁磁物质主要是一些人工合成的含亚铁磁物质主要是一些人工合成的含过渡族过渡族元素和元素和稀土稀土元元素的某些特定结构的氧化物素的某些特定结构的氧化物，例如：例如：尖晶石结构：尖晶石结构：Fe3O4,MnFe2O4,CoFe2O4石榴石结构：石榴石结构：A3Fe5O12,(A=Y,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Yb
27、 )磁铅石结构：磁铅石结构：BaFe12O19,PbFe12O19,SrFe12O19,钙钛矿结构：钙钛矿结构：LaFeO3,磁性物理第一章 物质磁性概述五种主要磁性的原子磁距分布特点五种主要磁性的原子磁距分布特点磁性物理第一章 物质磁性概述 1.把晶体中的磁性归为五类并分析出它们的起因是人类把晶体中的磁性归为五类并分析出它们的起因是人类对物质磁性认识的一次飞跃，对物质磁性认识的一次飞跃，1950年前后出版了第一批以解年前后出版了第一批以解释五种磁性起因为主的现代磁学理论专著，标志着磁学成为释五种磁性起因为主的现代磁学理论专著，标志着磁学成为一个独立完整的学科。它极大地推动了一个独立完整的学科
28、。它极大地推动了20世纪后半叶磁性材世纪后半叶磁性材料的基础研究和开发利用。料的基础研究和开发利用。50年后的今天，我们不但对上述年后的今天，我们不但对上述五种磁性有了更深入的认识，而且发现了一些新的磁结构。五种磁性有了更深入的认识，而且发现了一些新的磁结构。磁性物理第一章 物质磁性概述 2.严格说来上面的分类是针对严格说来上面的分类是针对物质磁性质物质磁性质进行的，同进行的，同一物质在不同的温度区域可以呈现出不同的磁类型，而且一物质在不同的温度区域可以呈现出不同的磁类型，而且与其晶体结构有密切关系：例如室温附近的金属铁为铁磁与其晶体结构有密切关系：例如室温附近的金属铁为铁磁性，超过居里温度（
29、性，超过居里温度（1040 K）后变为顺磁性，它受到高于）后变为顺磁性，它受到高于1.51010 Pa的高压时，其结构从的高压时，其结构从bcc变为变为hcp,磁性变为非磁性变为非铁磁性。我们只可以说常温常压下铁是铁磁性物质。铁磁性。我们只可以说常温常压下铁是铁磁性物质。磁性物理第一章 物质磁性概述 3.上面几种磁有序结构，都是共线的，或平行，或反上面几种磁有序结构，都是共线的，或平行，或反平行。平行。20世纪世纪70年代后，主要在稀土金属和合金里发现了年代后，主要在稀土金属和合金里发现了一些一些，在微粉和纳米磁性材料里，在非晶材料，在微粉和纳米磁性材料里，在非晶材料里，也都发现了一些新的结构
30、类型，它们极大地丰富了我里，也都发现了一些新的结构类型，它们极大地丰富了我们对物质磁性的认识。们对物质磁性的认识。磁性物理第一章 物质磁性概述 20世纪世纪70年代后，随着稀土元素的研究和观测技术的提年代后，随着稀土元素的研究和观测技术的提高，人们又在晶状材料中发现了很多高，人们又在晶状材料中发现了很多非共线的磁结构非共线的磁结构，即在，即在这些材料的不同原子层中的原子磁矩或在原子层平面内、或这些材料的不同原子层中的原子磁矩或在原子层平面内、或在与原子平面成一定角度的锥面内，在与原子平面成一定角度的锥面内，以一定的旋转角度做螺以一定的旋转角度做螺旋式排列旋式排列（见下页图）产生平面螺旋磁性或锥
31、面螺旋磁性，（见下页图）产生平面螺旋磁性或锥面螺旋磁性，通称螺旋型磁结构。虽然在磁性结构上，它和铁磁性、反铁通称螺旋型磁结构。虽然在磁性结构上，它和铁磁性、反铁磁性有所不同，但其宏观表现上是相似的。磁性有所不同，但其宏观表现上是相似的。例如：例如：Gd：T 221K,是平面型简单铁磁性。是平面型简单铁磁性。221K T 228K，是平面型螺旋反铁磁性。，是平面型螺旋反铁磁性。磁性物理第一章 物质磁性概述磁性物理第一章 物质磁性概述 这是在某些这是在某些非晶材料非晶材料中发现的一种磁结构，由于非晶材中发现的一种磁结构，由于非晶材料中原子磁矩间的间距有一定分布，从而使得原子磁矩不再料中原子磁矩间的
32、间距有一定分布，从而使得原子磁矩不再有一致的排列，而是有了一定的分散排列，这种虽然分散但有一致的排列，而是有了一定的分散排列，这种虽然分散但仍有序的磁矩排列称作散磁性，按其基本趋向又可以细分为仍有序的磁矩排列称作散磁性，按其基本趋向又可以细分为散铁磁性散铁磁性、散反铁磁性散反铁磁性和和散亚铁磁性散亚铁磁性。磁性物理第一章 物质磁性概述 在抗磁性基体中掺入磁性原子，随浓度的逐渐增加在抗磁性基体中掺入磁性原子，随浓度的逐渐增加,会出现会出现各种磁性現象：各种磁性現象：近藤效应近藤效应 自旋玻璃态自旋玻璃态 混磁性混磁性 不均匀铁磁性不均匀铁磁性磁性物理第一章 物质磁性概述物质磁性分类是一个复杂问题
33、，存在着不同观点物质磁性分类是一个复杂问题，存在着不同观点 （见应用磁学一书（见应用磁学一书p11)这是一种弱磁场中显这是一种弱磁场中显示顺磁性，超过某一示顺磁性，超过某一磁场值后，显示铁磁磁场值后，显示铁磁性的材料。性的材料。磁性物理第一章 物质磁性概述亚铁磁性亚铁磁性各种磁性的磁化曲线特征各种磁性的磁化曲线特征磁性物理第一章 物质磁性概述第三节第三节 磁化状态下磁磁化状态下磁体中的静磁能体中的静磁能Static Magnetic Energy of Magnet under the Magnetization State磁性物理第一章 物质磁性概述 任何磁体被置于外磁场（稳恒磁场任何磁体被
34、置于外磁场（稳恒磁场or交变磁场）中将处交变磁场）中将处于磁化状态，此时磁体具有静磁能量于磁化状态，此时磁体具有静磁能量 Why?F=mH-mHHl 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，产生一力矩：间的相互作用，产生一力矩：22sinsinsinsin llLFFF lmlH（逆时针方向为正逆时针方向为正）磁性物理第一章 物质磁性概述 =0，L最小，处于稳定状态最小，处于稳定状态 0，L 0，不稳定，会使磁偶极子转到与，不稳定，会使磁偶极子转到与H方向一致，这方向一致，这就要做功，相当于使磁体在就要做功，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
35、能：即：磁体在磁场中位能：0sincos,()取mUWLdmlHdmlHccjH 磁性物理第一章 物质磁性概述单位体积中静磁能（即单位体积中静磁能（即磁场能量密度磁场能量密度）00cos mHUjHFVVJ HMMHH 说明：说明：（1）当当 0，jm与与H方向一致，方向一致，FHmin 0MH，处于处于能量最低状能量最低状态态（2）当）当 逐渐增大时，需要外力逐渐增大时，需要外力来克服磁场做功，磁体在磁场中来克服磁场做功，磁体在磁场中的能量增加的能量增加（3）当）当 180，能量密度达，能量密度达到最大值到最大值 0MH上式在磁畴和技术磁化理论上式在磁畴和技术磁化理论中经常用到中经常用到磁性
36、物理第一章 物质磁性概述 1、退磁场、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，起减退磁化的作用，称为起减退磁化的作用，称为退磁场退磁场Hd。Hd 的大小与磁体形状及磁极强度有关。若的大小与磁体形状及磁极强度有关。若磁化均匀磁化均匀，则，则Hd 也均匀，且与也均匀，且与M成正比：成正比：其中其中N为为退磁因子退磁因子(demagnetization factor)，只与磁，只与磁体
37、几何形状有关体几何形状有关dHNM 磁性物理第一章 物质磁性概述2、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：1abcNNN由此可求出：由此可求出：球球 体：体：N=1/3 细长圆柱体：细长圆柱体：Na=Nb=1/2,Nc=0 薄圆板体：薄圆板体：Na=Nb=0,Nc=1abcXYZ磁性物理第一章 物质磁性概述3、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：20000021NMMNMMHMMddddFFd 是形状各向异性的能量是形状各向异性的能量
38、20220202/14/16/1zdyxddMFMMFMF薄圆板片：细长圆柱体：球体：磁性物理第一章 物质磁性概述第四节第四节 磁性材料的磁化曲磁性材料的磁化曲线和磁滞回线线和磁滞回线Magnetization Curve and Hysteresis Loop of Magnetic Materials磁性物理第一章 物质磁性概述它表示它表示磁场强度磁场强度H与所感生的与所感生的B或或M之间的关系（非线性）之间的关系（非线性）O点：点：H0、B0、M0，磁中性或原始退磁状态磁中性或原始退磁状态OA段：近似线性，起始磁化阶段段：近似线性，起始磁化阶段AB段：较陡峭，表明急剧磁化段：较陡峭，表明
39、急剧磁化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(原因原因?)由由BH（MH）曲线可求）曲线可求出出 或或 磁性物理第一章 物质磁性概述 从饱和磁化状态开始，再使磁场从饱和磁化状态开始，再使磁场H减小，减小，B或或M不再沿不再沿原始曲线返回。当原始曲线返回。当H0时，仍有一定的时，仍有一定的剩磁剩磁Br或或Mr。为使为使B（M）趋于零，需反向加一趋于零，需反向加一磁场，此时磁场，此时H=Hc称为称为矫顽力矫顽力。BHC：使：使B0的的Hc(磁感矫顽力）。磁感矫顽力）。MHC：M0时的时的Hc（内禀矫顽力）（内禀矫顽力）一
40、般一般|BHC|MHC|磁性物理第一章 物质磁性概述NOTE:Hc是表征材料在是表征材料在磁化后保持磁化状态的能力磁化后保持磁化状态的能力。通常以通常以Hc划分软磁、永磁、半永磁材料：划分软磁、永磁、半永磁材料：之间介于mAmAmABB/1010/108108/10810853532CCHH软磁软磁硬磁硬磁半硬磁半硬磁磁性物理第一章 物质磁性概述 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，BH或或MH形成一封闭的曲线形成一封闭的曲线磁滞回线磁滞回线。（磁。（磁材的重要特性之一材的重要特性之一)磁滞回线的第二象限为磁滞回线的第二象限为退磁曲线退磁曲线（依据
41、此考察永（依据此考察永磁材料性能），退磁曲线上每一点所对应的磁材料性能），退磁曲线上每一点所对应的B和和H的乘的乘积积BH为磁能积，表征永磁材料中能量大小。为磁能积，表征永磁材料中能量大小。最大磁能最大磁能积积(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。磁性物理第一章 物质磁性概述本章提要：本章提要：1、基本磁学量：磁矩、磁化强度、磁场强度、磁感应强度、基本磁学量：磁矩、磁化强度、磁场强度、磁感应强度、磁化率、磁导率及磁化率、磁导率及2、磁体中的静磁能量、退磁场概念、退磁因子、退磁场能、磁体中的静磁能量、退磁场概念、退磁因子、退磁场能量量3、磁性材料的磁化曲线磁性材料的
42、磁化曲线BH，MH以及磁滞回线上的以及磁滞回线上的各个参量的意义各个参量的意义4、磁性体分类（五种物质的磁化率各自的特点以及磁性体分类（五种物质的磁化率各自的特点以及MH，1/T特性）特性）磁性物理第一章 物质磁性概述一一,名词解释名词解释 磁矩和磁化强度，磁矩和磁化强度，磁场强度和磁感应强度，磁化曲线和磁场强度和磁感应强度，磁化曲线和磁滞回线，磁化率和磁导率磁滞回线，磁化率和磁导率二，回答问题二，回答问题 1，什么是退磁场，如何克服？，什么是退磁场，如何克服？2，内禀矫顽力和磁感矫顽力有什么区别和联系？，内禀矫顽力和磁感矫顽力有什么区别和联系？3，物质按磁性可分为几类？各类磁性的物质按磁性可分为几类？各类磁性的-T关系曲线怎样？关系曲线怎样？三，计算题三，计算题 某一铁的旋转椭球长轴为某一铁的旋转椭球长轴为1毫米，短轴直径为毫米，短轴直径为0.1 毫米，饱毫米，饱和磁化强度和磁化强度0Ms=2.1 T，求长轴和短轴方向的退磁场。，求长轴和短轴方向的退磁场。
