光学第五章.

磁与电究竟存在什么联系?磁学基础－物质的磁性物质的磁性环型电流的磁矩:磁矩大小=电流强度·回路所围面积磁矩的方向：右手螺旋定则确定nisim磁性的起源OriginofMagnetism磁学基础－物质的磁性电子的轨道磁矩和自旋磁矩电子轨道运动产生电子轨道磁矩电子自旋产生电子自旋磁矩构成原子的总磁矩物质磁性的起源磁学基础－物质的磁性磁矩:μm=iS(A·m2)磁矩是表示磁体本质的一个物理量。任何一个封闭的电流都具有磁矩ｍ=IS。其方向与环形电流法线的方向一致，其大小为电流与封闭环形的面积的乘积IΔS。磁偶极矩:jm=ml(Wb·m),其中m为磁偶极子的磁极强度.两个磁极间作用力：F=（m1m2）/（4πμ0r2)jm=μ0μm,其中μ0=4π×10-7H/m1.1磁学基础－基本磁性参量MagneticTerminology&Units磁化强度M定义为物质单位体积的磁矩：是一个面积为s的电流为i的环形电流的磁矩。单位是A﹒m2,因此磁化强度的单位是A﹒m-1,它和磁场强度H的单位是一样的。m磁极化强度Jm定义为物质单位体积的磁偶极矩：jm是一个长度为l,磁荷为±qm的磁偶极子，其单位是：Wb﹒m，因此磁极化强度的单位是：Wb﹒m-2(和磁感应强度B单位T一致)两个物理量之间的关系为：0JM1.1磁学基础－基本磁性参量磁化强度M和磁极化强度JmVjJimimVMnimi1磁场强度（H）：电流为I的电流在一个每米有N匝线圈的无限长螺旋管轴线中央产生的磁场强度H为：H=n×IA/m（安/米）无限长载流直导线的磁场强度H为：H=I/（2πr）磁感应强度(B):物质在外磁场作用下，其内部原子磁矩的有序排列还将产生一个附加磁场。在磁性材料内部外加磁场与附加磁场的和,单位为T（特斯拉）或Wb/m2。1.1磁学基础－基本磁性参量磁场强度（H）和磁磁感应强度(B):磁化强度(M):单位体积磁体内各磁畴磁矩的矢量和，单位[A/m]B=μ0(H+M)SIB单位是[T]或[Wb/m2]）B=μ0H+4πM)CGSB单位是高斯（Gauss）在真空中磁感应强度B与磁场强度H间的关系为：B=μ0H在磁性材料中：B=μ0（H+M）在均匀的磁性材料中，上式的矢量和可改成代数和：B=μ0（H+M）磁性材料的磁导率定义为磁感应强度与磁场强度之比：μ=B/Hμ0:真空磁导率;μ:绝对磁导率，单位为H/m，μr:相对磁导率μr=μ/μ0磁化率定义为磁化强度与磁场强度之比：χ=M/H5.1磁学基础－基本磁性参量磁导率和磁化率磁化率和磁导率χ反映物质磁化的难易程度。MHχH磁化率()(MagneticSusceptibility)：(thesameforS.I.andcgsunits).无量纲）(HM1.1磁学基础－基本磁性参量磁感应强度:B(特斯拉)磁场强度:H(安/米)磁化强度:M(安/米)物质磁化后的总磁场为B：B=μ0（H+M）B=μ0（1+χ）HB=μH=B/HμHBMHsHMB1.1磁学基础－基本磁性参量磁导率μDefinitionsofThreeMagneticVectors:1.HMagneticfield,磁场强度2.MMagnetization,磁化强度3.BMagneticinduction,磁感应强度5.1磁学基础－基本磁性参量磁场强度H和磁感应强度B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(CGSM)，高斯制，以及目前规定通用的国际单位制（MKSA)，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。因此必须熟悉两种单位制之间的换算：国际单位制（SI）高斯单位制（EMU）0()1BHMMH414BHMMH没有0！5.1磁学基础－基本磁性参量TwoUnits:1.CGS:(centimeter,gram,second),fictitiousmagneticpoles2.SI:(SI:systmeinternationale),currentsources0()1BHMMH国际单位制（SI）高斯单位制（EMU）414BHMMH单位:B：高斯（Gauss）H：奥斯特（Oe）单位:B：特斯拉（T）或Wb/m2H：（A/m）磁学量符号SI单位制高斯单位emu→SI磁场强度HA﹒m-1Oe×103/4π磁感应强度BTGs×10-4磁化强度MA﹒m-1Gs×103磁通量WbMx×10-8磁矩A﹒m2emu×10-3磁偶极矩jmWb﹒memu×4π×10-10磁化率×4π磁导率×1m磁极化强度JTGs×4π×10-4QuantityGaussian(cgsunits)S.I.UnitsConversionfactor(cgstoS.I.)MagneticInduction(B)GT10-4AppliedField(H)OeAm-1103/4Magnetisation(M)emucm-3Am-1103Magnetisation(4M)G--MagneticPolarisation(J)-T-SpecificMagnetisation(s)emug-1JT-1kg-11Permeability(µ)DimensionlessHm-14.10-7RelativePermeability(µr)-Dimensionless-Susceptibility()emucm-3Oe-1Dimensionless4MaximumEnergyProduct(BHmax)MGOekJm-3102/4B:1T=104GH:1kAm-1=4πOeM:1kAm-1=emucm-3(BH)max:1kJm-3=4p10-2MGOe退磁场当铁磁体由于磁化，在表面具有面磁极(荷)或体磁极(荷)时，在铁磁体内将产生与磁化强度方向相反的退磁场Hd。如果磁化均匀，则退磁场也是均匀磁场，且与磁化强度成比例而方向相反，因此dHNM这时磁性体内部的有效磁场为：effexdHHHN称作退磁因子，它的大小与M无关，只依赖于样品的几何形状及所选取的坐标，一般情况下它是一个二阶张量。1.1磁学基础－基本磁性参量HexMHd++++----均匀磁化的磁性体中外磁场、退磁场、有效磁场三者关系示意图effHeffexHHNM旋转椭球形状样品的磁化是均匀的，我们选取坐标系与椭球的主轴重合，则退磁场的三个分量可以表示为：dxxxdyyydzzzHNMHNMHNM1xyzNNN如果磁性体不是椭球形状，即使在均匀外场中，磁化也是不均匀的，这时退磁场的大小和方向随位置而变，很难用退磁因子来表示。在CGS单位值中4abcNNN旋转椭球的极限情况：13abcabcNNN1,20abcabcNNN,01abcabcNNNNiFe坡莫合金：Hc=2A/m；Ms=9.24×105A/mHd=NMs=1/3×9.24×105=3.08×105A/m退磁场能：它是在磁化强度逐步增加的过程中逐步积累起来的，单位体积内000ddJMdddFHJHM对于均匀材料制成的椭球样品，容易得出;20001d2MdFNMMNMN是磁化方向的退磁因子。对于非球形样品，沿不同方向磁化时退磁场能大小不同，这种由形状造成的退磁场能随磁化方向的变化，通常也称形状各向异性能。退磁能的存在是自发磁化后的强磁体出现磁畴的主要原因。铁磁体在外磁场H中的能量密度(单位体积)MHFH01.1磁学基础－基本磁性参量退磁场能1.2材料的磁化磁化曲线（起始磁化曲线）磁滞回线退磁曲线退磁场对样品磁性能的影响是明显的：有退磁场是曲线倾斜所有材料性能表给出的磁导率等数值都是针对有效磁场的数值，材料性能的实际测量中必须尽量克服退磁场的影响。环状样品退磁场为零见应用磁学p20球形样品容易修正131tan3xdNHNM5.3磁学基础－物质磁性的分类物质磁性分类顺磁性被磁化后，磁化场方向与外场方向相同，χ：1–104铁磁性被磁化后，磁化场方向与外场方向相同，χ：10-3-10-6被磁化后，磁化场方向与外场方向相反，χ：－（10-5–10-6）抗磁性与外加磁场的关系顺磁性起因于原子或分子磁矩，在外加磁场作用下趋于沿外场方向排列，使磁质沿外场方向产生一定强度的附加磁场。顺磁性是一种弱磁性。顺磁性材料多用于磁量子放大器和光量子放大器，在工程上的应用极少。顺磁金属主要有Mo，Al，Pt，Sn等。抗磁性是由于外磁场作用下，原子内的电子轨道绕场向运动，获得附加的角速度和微观环形电流，从而产生与外磁场方向相反的感生磁矩。原子磁矩叠加的结果使宏观物质产生与外场方向相反的磁矩。由于属于此类的物质有C，Au，Ag，Cu，Zn，Pb等。1.3磁学基础－物质磁性的分类Hkkkk产生抗磁性的原理：磁矩：附加磁矩k：附加向心力k：向心力抗磁性具有普遍性物质是否表现出抗磁性要看物质的抗磁场是否大于其顺磁场1.3磁学基础－物质磁性的分类物质内部原子磁矩的排列a:顺磁性b:铁磁性c:反铁磁性d:亚铁磁性由于原子间的交换作用使原子磁矩发生有序的排列，产生自发磁化，铁磁质中原子磁矩都平行排列（在绝对零度时)1.3磁学基础－物质磁性的分类磁性的分类弱磁性:1.抗磁性：χ是甚小的负常数，约~10-6数量级。M与H反向.2.顺磁性：χ是正常数，约10-3~10-6数量级.3.反铁磁性：χ为甚小的正常数.强磁性4.铁磁体：χ为很大的正变数，约在10~106数量级。5.亚铁磁体：与铁磁体相似，但χ值较小，如磁铁矿（Fe3O4)。MH抗磁性顺磁性亚铁磁性铁磁性反铁磁ClassesofMagneticMaterials物质的各种磁性A.是否有固有原子磁矩？B.是否有相互作用？C.是什么相互作用？1.抗磁性：没有固有原子磁矩2.顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用3.铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用4.反铁磁性：有固有磁矩，间(直)接交换相互作用5.亜铁磁性：有固有磁矩，间接交换相互作用6.自旋玻璃和混磁性：有固有磁矩，RKKY相互作用7.超顺磁性：磁性颗粒的磁晶各向异性与热激发的竞争物质磁性分类的原则顺磁性顺磁性定义:当材料被磁化后,磁化矢量与外加磁场的方向相同时，固体表现为顺磁性。顺磁性物质的磁化率一般很小，室温下约为10-3~10-6数量级。原子内部存在固有磁矩(离子有未填满的电子壳层)。如过渡元素、稀土元素：3d-金属Ti,V;4d-金属铌Nb,锆Zr,钼Mo，钯Pd；5d-金属(Hf,Ta,W,铂Pt）。自由电子的顺磁性大于离子的抗磁性。如：碱金属和碱土金属离子虽然是填满的壳层，但Li，Na,K，Mg，Al是顺磁性金属。顺磁性物质的磁化率与温度的关系服从居里-外斯定律：TC磁性的分类在反铁磁性中，近邻自旋反平行排列，它们的磁矩因而相互抵消。因此反铁磁体不产生自发磁化磁矩，显现微弱的磁性。反铁磁的相对磁化率的数值为10-5到10-2。与顺磁体不同的是自旋结构的有序化。当施加外磁场时，由于自旋间反平行耦合的作用，正负自旋转向磁场方向的转矩很小，因而磁化率比顺磁磁化率小。随着温度升高，有序的自旋结构逐渐被破坏,磁化率增加，这与正常顺磁体的情况相反.然而在某个临界温度以上，自旋有序结构完全消失，反铁磁体变成通常的顺磁体。因而磁化率在临界温度(称奈耳温度Neelpoint)显示出一个尖锐的极大值。四、反铁磁性反铁磁自旋有序，首先是由舒尔和司马特利用中子衍射实验在MnO上证实。MnO的晶体结构是Mn离子形成面心立方晶格，O离子位于每个Mn-Mn对之间。从中子衍射线，超过奈耳点的室温衍射图与奈耳点以下80K温度的衍射图比较，看到低于奈耳点的衍射图有额外的超点阵线，通