第7章材料的磁学性能(Magneticpropertiesofmaterials)1物质磁性或磁学是一门古老(现象与应用的历史悠久)又年轻(应用愈加广泛,形成了与磁学有关的边缘学科)的学科。磁性是物质的基本属性,一切物质都具有磁性;磁性不只是一个宏观的物理量,而且与物质的微观结构密切相关。因此,研究磁性是研究物质内部结构的重要方法之一。Magnetism22物质磁性的普遍性3磁性是物质的基本属性,应用领域很广56电磁学是一门实验学科,诞生与发展依赖于实验现象与分析。71磁学和电学基本物理量的比较88磁性科学早期发展古代春秋战国时期看到的磁石吸铁。(公元前770年~公元前221年)《管子•地数》载:“山上有慈石(即磁石)者,其下有铜金。”司徒南:东汉时期思想家王充写的《论衡》书中“司南之杓,投之于地,其柢指南”的记载。不要太相信古代中国人对电和磁有多少科学的理解。公元前600年,希腊的Thales也有琥珀摩擦吸引草屑的记载。电磁学真正的科学研究来自于英国WilliamGilbert(电磁学之父)对电和磁的实验。吉伯为磁通势单位,用以纪念这位磁学的先驱者。《论磁》记录基本磁现象:吸引与排斥、极性、地磁、退磁等99库伦定律库伦,法国物理学家1736——1806库伦扭秤同种磁极相互排斥,异种磁极相互吸引。磁极之间的相互作用力与距离的平方成反比。库伦定律使电磁学研究由定性进入定量阶段,是电磁学史上一块重要的里程碑。两个距离为r,磁极强度(简称极强)分别为qml和qm2(单位:韦伯Wb或A.m)的磁极间相互作用力在二者连线上,大小为:其中,k=6.35*l04N221).(rqqkFmm两磁铁的同极性相斥,异极性相引。11无限长载流直导线:方向是切于与导线垂直的且以导线为轴的圆周rIH2电流的磁效应磁场强度Hr奥斯特,丹麦科学家1820年,由奥斯特等人发现。证明电流可以产生磁场。第一个非天然的磁场12电和磁的关系1313安培,法国科学家(1775-1836)电磁相互作用发现时间:1820-1827发现一通电的线圈和磁铁相似。发现二相同方向的平行电流相互吸引,相反方向的平行电流相互排斥。发现三磁是由运动的电荷产生的。由此说明了地磁的成因和物质的磁性。发现四提出了分子电流假说。揭示了物质磁性的本质。推导出两个电流元之间的作用力公式。电和磁本质上是统一的。14电磁感应现象自学成才1831年,由法拉第发现。俗称磁生电,直接导致了发电机的发明,影响非常深远。1834年,发现了电解定律,开创了电化学学科。发现了物质的抗磁性。其它成果:提出了电磁场这一概念。15经典电动力学麦克斯韦,英国物理学家1831—1879推导出著名的麦克斯韦方程组,首次将电和磁在理论上统一起来,在此基础上创立了经典电动力学。提出了电磁波这一概念,并确认光也是一种电磁波,对后世影响深远。是继法拉第之后集电磁学大成的伟大科学家,揭示了光、电、磁现象在本质的统一性,完成了物理学的又一次大综合。16居里定律皮埃尔·居里法国物理学家1859-1906发明了磁秤(磁天平),实现了对弱磁性的测量。根据大量的实验结果,总结出著名的居里定律。压电效应的发现;放射性物质研究,发现了镭。抗磁体的磁化率不依赖磁场强度且一般不依赖于温度;顺磁体的磁化率不依赖磁场强度且与温度成反比;铁在某一温度(居里温度)以上失去磁性。17郎之万和外斯郎之万提出了抗磁性和顺磁性的经典理论。外斯提出了分子场理论,阐明了铁磁性的起源,扩展了郎之万的理论。用基元磁体的概念对物质的顺磁性及抗磁性作了经典的说明。PaulLangevin1872年-1946年WeissPierre1865年-1940年18材料的磁学——材料磁学性质、来源?材料对外磁场的反应?本质原因?不同磁性材料的性能及其应用。磁性与材料的微观结构的联系——通过磁性研究材料的结构:键合情况、晶体结构。本章提要19197.1材料磁性能的表征参量和材料磁化的分类(Characterparametersofmagneticpropertiesofmaterialsandclassificationofmaterialmagnetization)207.1.1材料磁性能的表征参量(Characterparametersofmagneticpropertiesofmaterials)21一、磁极、磁场和磁力线温故磁极判断Single2222Single1928年相对论形式的薛定谔方程,也就是著名的狄拉克方程(√);预言了正电子的存在(√);预言了反粒子的存在,电子-正电子对的产生和湮没(√);提出反物质存在的假设;1931年预言可能存在磁单极;2323古老的地球的铁矿石和来自地球之外的铁陨石。高能加速器加速质子冲击原子核。宇宙射线(本身和碰撞)。1973年“阿波罗”飞船带回的月岩。宇宙射线照射高空的感光底板产生又粗又黑的痕迹(强的吸引作用)151天的超导量子干涉式磁强计的观察(未能重复)。海洋、深海沉积物。中国、瑞士、日本等国的研究小组在铁磁晶体的物质中观察反常霍尔效应,提供假设的间接证据。如何寻找磁单极子?上穷碧落下黄泉,两处茫茫皆不见!2424磁场磁极之间的作用力是在磁极周围空间传递的,这里存在着磁力作用的特殊物质,称之为磁场。磁场是对磁极产生作用力的空间,采用磁场强度H和磁通密度B来表示。磁场是电磁场的组成部分,其特征可用场内运动着的带电粒子所受的力来确定,这种力源于粒子的运动及其所带电荷。25磁场和物体的万有引力场,电荷的电场一样,都具有一定的能量,磁场还有本身的特性:a)磁场对载流导体或运动电荷表现作用力;b)载流导体在磁场中运动要做功现在物理研究表明,物质的磁性也是电流产生的。25地球是个大磁场。地球的磁极却非亘古不变。自地球诞生以来,其南北磁极曾经发生过几次转变,即“磁极倒转”。•在近450万年里两次“正向期”,两次“反向期”。且在每一个磁性时期里,有时发生短暂的磁极倒转现象。•从大约6亿年前的前寒武纪末期到约5.4亿年前的中寒武世,反向磁性为主;从中寒武世到约3.8亿年前的中泥盆世,正向磁性为主;中泥盆世到约0.7亿年前的白玺纪末,正向极性为主;白玺纪末至今,则是以反向极性为主。26262727澳大利亚南部的亚塔斯马尼亚岛总要发生鲸鱼搁浅事件!2929图示电磁场的工具,用以表征H的方其上某点的切线方向表示该点H的方磁力线的疏密表示H的相对大小。磁力线在有限空间里,磁力线总是闭合的,不能够看到起点和终点!3030二、磁通量、磁感应强度(magneticinduction)磁通量Φ:垂直于某一面积所通过的磁力线的多少。单位韦伯,Wb。Φ=B*S磁通密度B:B=Φ/S,等于穿过单位面积的磁通量。单位特斯拉T,Wb.m-2。B=F/IL,磁介质(除超导体以外不存在磁绝缘的概念,故一切物质均为磁介质)在磁场中发生的磁化对源磁场也有影响(场的迭加原理)。3131磁感应强度(magneticinduction)与磁场强度(magneticintensity)1、磁场强度(H)和磁感应强度(B)均为表征磁场性质(即磁场强弱和方向)的两个物理量,两种表示方法。2、若包括介质因磁化而产生的磁场在内时,用磁感应强度B表示,其单位为特斯拉T,是一个基本物理量;单独由电流或者运动电荷所引起的磁场(不包括介质磁化而产生的磁场时)则用磁场强度H表示,其单位为A.m-1,是一个辅助物理量。3232——磁感应强度B描述的是传导电流的磁场和磁介质中磁化电流的磁场的综合场的特性。如果磁场在真空中形成的磁感应强度为B0,则磁场的强度H可由下式确定:B0=0H0:真空磁导率(真空透磁率)0=410-7亨利/米(H/m)H——描述磁场的一个重要的物理量,无论在真空或在磁介质中,H只表征传导电流的磁场特征,与磁介质无关。3333将材料放入磁场强度为H的自由空间,则材料中的磁感应强度B=H,其中称为材料的磁导率或绝对磁导率。所以B=B0+B=0H+0M=0(H+M)其中M称为材料的磁化强度,其物理意义为材料在外磁场中被磁化的程度。——材料内部的磁感应强度可看成材料对自由空间的反应0H和磁化引起的附加磁场0M两部分场叠加而成。34电介质中的电场强度E为真空中的电场强度E0和由于电极化而产生的附加电场强度E之和磁场强度H(magneticintensity):(静磁学定义)为单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所受磁场力方向一致。35123014,,mmFHFkrkmr其中实际应用中,往往用电流产生磁场,并规定H的单位在SI制中:用1A的电流通过直导线,在距离导线r=1/2π米处,磁场强度即为1A/m。35预备知识:SI(MKSA)单位制和Gauss(CGS)单位制SI单位制:主要磁学量都用电流的磁效应来定义,其中磁感应强度B为主导量(凡涉及到与其他物理量的相互作用,都必须使用B)dFIdlB磁感应强度B的定义可由安培公式得出:根据安培环路定理可定义磁场强度H:0BHMH为导出量,仅用于计算传导电流所产生的磁场,不能代表磁场强度与外界发生作用36Guass单位制(绝对电磁单位制):早年使用的单位制,所有的磁学量都是通过磁偶极子的概念建立起来的其中磁化强度M被定义为:()iiMml单位:Guass磁场强度H被定义为:FHm单位:Oe引入磁感应强度B,使之满足如下关系:4BHM在Guass单位制中,M和H都有明确的物理意义,是基本物理量,而B只是一个导出量37两种单位制的比较1、两种单位制对磁学量的定义来源于两种不同的观点;2、在SI单位制中(依据于分子电流观点),磁场用磁感应强度B来描述,而磁场强度H只是一个导出量,它存在的惟一含义就是满足3、在Guass单位制中(依据于磁偶极子观点),磁场用磁场强度H描述,它是电流和磁性体所产生的磁场强度的矢量和,而磁感应强度B只是一个引入的辅助量,仅在于满足方程divB=0。0(())insideLLHdlI38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?从目前来看,视乎分子电流的观点更接近于真实情况a、电子的轨道磁矩来自电子的轨道电流,支持分子电流的观点;b、狄拉克(Dirac)虽然从理论上预言了“磁单极”的存在,但至今没有发现“磁单极”,使磁偶极子的概念失去了存在的基础。39SI单位制和Gauss单位制的转换(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单位制中0=1G/Oe,则磁偶极矩与磁矩无差别,通称为磁矩,单位为电磁单位(e.m.u)1e.m.u(磁偶极矩)=4π×10-10Wbm1e.m.u(磁矩)=10-3Am240(3)、磁化强度:Gauss单位制中,磁极化强度(J)与磁化强度(M)相同,单位:G4311410110JM::GTGAm414242物质在磁场中由于受到磁场的作用而表现出一定的磁性,该过程称为磁化。能够被磁化的或能被磁性物质吸引的物质叫做磁性物质或磁介质三磁化、磁化强度与磁矩4343安培的分子电子说将磁性归为分子电流产生安培分子电流的假说,揭示了磁铁磁性的起源,它使我们认识到:磁铁的磁场和电流的磁场一样,都是由电荷的运动产生的.44磁矩分子电流观点可用环形电流描述磁矩P的定义:P=IS(I:为环形电流,S:封闭环形的面积)磁化强度M:单位体积中的偶极矩或磁偶矩,表征材料被极化或磁化的能力。M=Pm/V4545偶极子:构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动,形成一个偶极子电偶极矩:=ql-q+qlE偶极子46磁荷观点46与电荷类似,将磁荷定义成磁的基本单位。两磁极若分别有q1和q2磁荷的磁极强度,则其作用力其中r为磁极间距,k为比例常数。磁极q在外磁场中要受到力的作用,且有该力F=qH其中H为外磁场的强度。221rqqkF47将相互接近