第二章-磁性概述

磁性材料第二章磁性概述第一节基本磁学量BasicPhysicalQuantityofMagnetism磁性材料第二章磁性概述一、磁矩m(MagneticMoment)永磁体总是同时出现偶数个磁极当磁体无限小时，体系定义为元磁偶极子：指强度相等，极性相反并且其距离无限接近的一对“磁荷”磁偶极矩：方向：-m指向+m单位：Wb∙m+m-mlmjml磁性材料第二章磁性概述安培提出了磁偶极子与电流回路元在磁性上的相当性原理，并根据它认为宏观物质的磁性起源于“分子电流”假说，磁矩：单位：A∙m2071410mmojHm－miA二者的物理意义：表征磁偶极子磁性强弱与方向磁性材料第二章磁性概述单位体积的磁体内,所有磁偶极子的jm或磁矩μm的矢量和，分别为：磁极化强度：21()nmiimjJWbmV磁化强度：1)nmii=1M=(AmV0mJM二、磁化强度M（Magnetization）说明：描述宏观磁体磁性强弱程度的物理量磁性材料第二章磁性概述比磁化强度σ（单位质量磁体内具有的磁矩矢量和）-11()n21miiMAmkgV磁性材料第二章磁性概述1、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。123014,,mmFHFkrkmr其中三、磁场强度H与磁感应强度B物理意义：均为描述空间任意一点的磁场参量（矢量）磁性材料第二章磁性概述计算磁偶极子产生的磁场强度：2204rrrHdrFmdrkdrmrkmmrrHHrH1H2H1r2rr-m+ml12coslrr22coslrr磁性材料第二章磁性概述磁位势：12010222220022300444414144.coscoscoscosmmmmrrmlmllrrrjjrrr磁性材料第二章磁性概述22003300coscos1442cossin1144mmrmmrHjjeerrrrjjeerr30302cos14sin14mrmjHrjHrH沿r方向及使θ角增加方向的分量计算：磁性材料第二章磁性概述303021041904,H,HomromjHrjHr：在从－m到＋m的位移矢量延长线上：在l的中垂面上磁性材料第二章磁性概述实际应用中，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。常见的几种电流产生磁场的形式为：（1）、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rIH2磁性材料第二章磁性概述磁性材料第二章磁性概述（2）、直流环形线圈圆心：r为环形圆圈半径，方向由右手螺旋法则确定。rIH2磁性材料第二章磁性概述（3）、无限长直流螺线管：n：单位长度的线圈匝数，方向沿螺线管的轴线方向nIH磁性材料第二章磁性概述2、磁感应强度B(magneticfluxdensity):预备知识：SI(MKSA)单位制和Gauss(CGS)单位制A、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：0BHMH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磁性材料第二章磁性概述B、Guass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：4BHM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只是一个导出量磁性材料第二章磁性概述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(()）insideLLHdlI磁性材料第二章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。磁性材料第二章磁性概述附二：SI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×10-10Wbm1e.m.u(磁矩)＝10-3Am2磁性材料第二章磁性概述（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：：GTGAm磁性材料第二章磁性概述磁体置于外磁场中磁化强度M将发生变化（磁化）HMHM，其中称为磁体的磁化率(susceptibility)，是单位磁场强度H在磁体内感生的M，表征磁体磁化难易程度的物理量HHHBM)HB0001)((令：磁导率(permeability)=（1＋)=B/0H（相对磁导率，表征磁体磁性、导磁性及磁化难易程度）四、磁化率与磁导率磁性材料第二章磁性概述磁导率的不同表达形式（不同磁化条件）：（1）起始磁导率i：磁中性状态下磁导率的极限值001iHBlimH弱磁场下使用的磁体（2）最大磁导率max：材料磁化过程中的最大值01maxmaxBH（3）复数磁导率：磁体在交变磁场中磁化'i动态磁化中经常遇到磁性材料第二章磁性概述（4）增量磁导率Δ：在稳恒磁场H0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场强度的峰值（5）可逆磁导率rev：交变磁场趋于0时，Δ的极限值lim0Hrev（6）微分磁导率diff：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H的函数磁性材料第二章磁性概述第二节磁化状态下磁体中的静磁能StaticMagneticEnergyofMagnetundertheMagnetizationState磁性材料第二章磁性概述一、静磁能（magnetostaticenergy)任何磁体被置于外磁场（稳恒磁场or交变磁场）中将处于磁化状态，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Jm与H间的相互作用，产生一力矩：22sinsinsinsinllLFFFlmlH（逆时针方向为正）磁性材料第二章磁性概述θ=0，L最小，处于稳定状态θ≠0，L≠0，不稳定，会使磁偶极子转到与H方向一致，这就要做功，相当于使磁体在H中位能降低。即：磁体在磁场中位能：0sincos,()取mUWLdmlHdmlHccjH磁性材料第二章磁性概述单位体积中静磁能（即磁场能量密度）00cosmHUjHFVVJHMMHH说明：（1）当＝0°，jm与H方向一致，FHmin＝－0MH，处于能量最低状态（2）当逐渐增大时，需要外力来克服磁场做功，磁体在磁场中的能量增加（3）当＝180°，能量密度达到最大值＋0MH上式在磁畴和技术磁化理论中经常用到磁性材料第二章磁性概述1、退磁场(demagnetizationfield)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M方向相反的一种磁场，起减退磁化的作用，称为退磁场Hd。Hd的大小与磁体形状及磁极强度有关。若磁化均匀，则Hd也均匀，且与M成正比：其中N为退磁因子(demagnetizationfactor)，只与磁体几何形状有关二、退磁场与退磁能量dHNM磁性材料第二章磁性概述2、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：1abcNNN由此可求出：球体：N=1/3细长圆柱体：Na=Nb=1/2,Nc=0薄圆板体：Na=Nb=0,Nc=1abcXYZ磁性材料第二章磁性概述3、退磁场能量指磁体在它自身的Hd中所具有的能量：20000021NMMNMMHMMddddFFd是形状各向异性的能量20220202/14/16/1zdyxddMFMMFMF薄圆板片：细长圆柱体：球体：磁性材料第二章磁性概述第三节磁性材料的磁化曲线和磁滞回线MagnetizationCurveandHysteresisLoopofMagneticMaterials磁性材料第二章磁性概述它表示磁场强度H与所感生的B或M之间的关系（非线性）O点：H＝0、B＝0、M＝0，磁中性或原始退磁状态OA段：近似线性，起始磁化阶段AB段：较陡峭，表明急剧磁化HHm时，二曲线基本重合。HHm后，M逐渐趋于一定值MS（饱和磁化强度），而B则仍不断增大(原因?)由B－H（M－H）曲线可求出或一、磁化曲线(magnetizationcurve)磁性材料第二章磁性概述二、磁滞回线(hystersisloop)从饱和磁化状态开始，再使磁场H减小，B或M不再沿原始曲线返回。当H＝0时，仍有一定的剩磁Br或Mr。为使B（M）趋于零，需反向加一磁场，此时H=Hc称为矫顽力。BHC：使B＝0的Hc(磁感矫顽力）。MHC：M＝0时的Hc（内禀矫顽力）一般|BHC||MHC|磁性材料第二章磁性概述NOTE:Hc是表征材料在磁化后保持磁化状态的能力。通常以Hc划分软磁、永磁、半永磁材料：之间～介于mAmAmABB/1010/108~108/108~10853532CCHH软磁硬磁半硬磁磁性材料第二章磁性概述H从正的最大到负的最大，再回到正的最大时，B—H或M—H形成一封闭的曲线——磁滞回线。（磁材的重要特性之一)磁滞回线的第二象限为退磁曲线（依据此考察永磁材料性能），退磁曲线上每一点所对应的B和H的乘积BH为磁能积，表征永磁材料中能量大小。最大磁能积(BH)max是永磁的重要特性参数之一。磁性材料第二章磁性概述第四节物质按磁性分类ClassificationofMagneticMaterials磁性材料第二章磁性概述分类依据：磁化率的大小和符号一、抗磁性（1）当受到外磁场H作用后，感生出与H方向相反的磁化强度，故其d0（2）绝对数值很小，一般为10-5（3）与磁场、温度均无关代表性物质：惰性气体，许多有机化合物，Bi、Zn、Ag和Mg、Si、P、S等）HM01dT磁性材料第二章磁性概述二、顺磁性（1）当受到外磁场H作用后，感生出与H方向相同的磁化强度，其p0（2）数值很小，一般为10-6～10-3（3）磁化率与温度的关系遵从居里－外斯定律代表性物质：稀土金属，第一、二主族的金属以及O2等ppCTTM01pTTpp＝10-6～10-3H磁性材