第二章 磁性概述.ppt

1、第二章 磁性概述,第一節(jié) 基本磁學(xué)量,第二節(jié) 磁化狀態(tài)下磁體中的靜磁能量,第三節(jié) 磁性材料的磁化曲線和磁滯回線,第四節(jié) 物質(zhì)按磁性分類,第一節(jié) 基本磁學(xué)量 Basic Physical Quantity of Magnetism,一、磁矩m (Magnetic Moment),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：Wbm,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： 單位：A m2,二者的物理意義： 表征磁偶

2、極子磁性強(qiáng)弱與方向,單位體積的磁體內(nèi),所有磁偶極子的 jm或磁矩m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,比磁化強(qiáng)度（單位質(zhì)量磁體內(nèi)具有的磁矩矢量和）,1、磁場(chǎng)強(qiáng)度H (magnetic intensity)：(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）,計(jì)算磁偶極子產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度：,磁位勢(shì) ：,H沿r 方向及使 角增加方向的分量計(jì)算：,：在從m到m的位移矢量

3、延長(zhǎng)線上 ：在l的中垂面上,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=1/2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,（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。,（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,2、磁感應(yīng)強(qiáng)度B (magnetic flux density):,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)

4、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,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：,單位：Guass,磁場(chǎng)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(niǎo)只是一個(gè)導(dǎo)出量,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

5、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。,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)“

6、磁單極”，使磁偶極子的概念失去了存在的基礎(chǔ)。,附二：SI單位制和Gauss單位制的轉(zhuǎn)換,（1）、B：1 G = 10-4 T H：103A/m的H有4 Oe的值， 103/4 A/m=79.577A/m=1 Oe （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) 4 10-10 Wbm 1e.m.u (磁矩) 10-3 Am2,（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,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(suscep

7、tibility)，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,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,（4）增量磁導(dǎo)率：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)，的極限值,（

8、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),第二節(jié) 磁化狀態(tài)下磁體中的靜磁能 Static Magnetic Energy of Magnet under the Magnetization State,一、靜磁能 （magnetostatic energy),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?,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?= 0 ，L最小，處于穩(wěn)定狀態(tài) 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

9、能降低。 即：磁體在磁場(chǎng)中位能：,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)Hmin0MH，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,1、退磁場(chǎng) (demagnetization field) 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(

10、demagnetization factor)，只與磁體幾何形狀有關(guān),二、退磁場(chǎng)與退磁能量,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 = 1,3、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,第三節(jié) 磁性材料的磁化曲線和磁滯回線 Magnetization Curve and Hysteresis Loop of Magnetic Materials,它表示磁場(chǎng)強(qiáng)度H與所感生的B或M之間的關(guān)系

11、（非線性） O點(diǎn)：H0、B0、M0，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 HHm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BH（MH）曲線可求 出或,一、磁化曲線 (magnetization curve),二、磁滯回線 (hystersis loop),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)H0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B0的Hc (磁感矯頑力）。 MHC： M0時(shí)的Hc（內(nèi)稟矯頑力） 一般| BHC | |

12、MHC |,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,H從正的最大到負(fù)的最大，再回到正的最大時(shí)，BH或MH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。,第四節(jié) 物質(zhì)按磁性分類 Classification of Magnetic Materials,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

13、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）,H,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 p0 （2）數(shù)值很小，一般為10-610-3 （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,T,Tp, p10-610-3,H,三、反鐵磁性 N在某一溫度TN處存在最大值， 當(dāng)溫度TTN時(shí)，磁化率與普通的順磁性物質(zhì)相似，服從居里外斯定律，但通常順次居里溫度都是小于零的； 當(dāng)溫度TTN時(shí)，磁化率不是繼續(xù)增加，而是降低并趨于一定值 代表性物質(zhì)：過(guò)渡族金屬的氧化物、鹵化物等,O,四、鐵磁性 （1）很容易被磁化到飽和（只需要很小的磁場(chǎng)） （2） f 0，且為101106 （3）也存在一個(gè)臨界溫度TC （4）MH呈非線性關(guān)系 代表性物質(zhì)：11種金屬元素和眾多的化合物和合金,五、亞鐵磁性 內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)卻與反鐵磁性相同，