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1、第二章磁性概述第一页，本课件共有43页第二页，本课件共有43页一、磁矩一、磁矩 m (Magnetic Moment)(Magnetic Moment)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，极：指强度相等，极性相反并且其距离无限接近的一对性相反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第三页，本课件共有43页 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理在磁性上的相当性原理，并根据它认
2、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 m2二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第四页，本课件共有43页 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 jm或磁矩或磁矩m的的矢量和矢量和，分别为：，分别为：磁极化强度：磁极化强度：磁磁 化化 强强 度：度：二、磁化强度二、磁化强度 M（MagnetizationMagnetization）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第五页，本课件共有43页比磁化强度比磁化强度（
3、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）第六页，本课件共有43页 1、磁场强度、磁场强度H(magnetic intensity)：(静磁学定义)为为单位单位点磁荷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。磁场力方向一致。三、磁场强度三、磁场强度 H 与磁感应强度与磁感应强度 B物理意义：均为描述空间任意一点的磁场参量（矢量）物理意义：均为描述空间任意一点的磁场参量（矢量）第七页，本课件共有43页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：r-m+ml第八页，本课件共有43页磁位势
4、磁位势 ：第九页，本课件共有43页H沿沿r 方向及使方向及使 角增加方向角增加方向的分量计算：的分量计算：第十页，本课件共有43页：在从在从m到到m的位移矢的位移矢量延长线上量延长线上：在：在l的中垂面上的中垂面上第十一页，本课件共有43页 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，在距离导线r=1/2米处，米处，磁场强度即为磁场强度即为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
5、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第十二页，本课件共有43页第十三页，本课件共有43页（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。第十四页，本课件共有43页（3）、无限长直流螺线管：）、无限长直流螺线管：n：单位长度的线圈：单位长度的线圈匝数，匝数，方向沿螺线管的轴方向沿螺线管的轴线方向线方向第十五页，本课件共有43页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、
6、SI单位制：主要磁学单位制：主要磁学量都用量都用电流的磁效应电流的磁效应来定义，来定义，其中其中磁感应强度磁感应强度B为主导量为主导量（凡涉及到与其他物理量的（凡涉及到与其他物理量的相互作用，都必须使用相互作用，都必须使用B）磁感应强度磁感应强度B的定义可由安培的定义可由安培公式得出：公式得出：根据安培环路定理可定义根据安培环路定理可定义磁场强度磁场强度H：H为导出为导出量，仅用量，仅用于计算于计算传传导电流所产导电流所产生的磁场生的磁场，不能代表不能代表磁磁场强度与外场强度与外界发生作用界发生作用第十六页，本课件共有43页 B、Guass单位制（绝对电单位制（绝对电磁单位制）：早年使用的单位
7、磁单位制）：早年使用的单位制，所有的磁学量都是通过制，所有的磁学量都是通过磁磁偶极子偶极子的概念建立起来的的概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：单位：单位：Guass磁场强度磁场强度H被定义为：被定义为：单位：单位：Oe 引入磁感应强度引入磁感应强度B，使之满，使之满足如下关系：足如下关系：在在Guass单位制中，单位制中，M 和和H 都有都有明确的物理意义，是基本物理量，明确的物理意义，是基本物理量，而而B只是一个导出量只是一个导出量第十七页，本课件共有43页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
8、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），磁场用磁感应强度磁场用磁感应强度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，它存在的惟一含义就，它存在的惟一含义就是满足是满足3、在、在Guass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），磁场用磁场强度磁场用磁场强度H描述描述，它是电流和磁性体所产生的磁场强度的矢量和，而，它是电流和磁性体所产生的磁场强度的矢量和，而磁感磁感应强度应强度B只是一个引入的辅助量只是一个引入的辅助量，仅在于满足方程，仅在于
9、满足方程divB=0。第十八页，本课件共有43页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，视乎分子从目前来看，视乎分子电流的观点更接近于真电流的观点更接近于真实情况实情况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。第十九页，本课件共有43页附二：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
10、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Gauss单位制中单位制中 0=1G/Oe，则磁偶极矩与磁矩无差别，则磁偶极矩与磁矩无差别，通称为磁矩，单位为电磁单位（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第二十页，本课件共有43页（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）相同，）相同，单位：单位：G第二十一页，本课件共有43页 磁体置于外磁场
11、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）其中其中 称为磁体的磁化率称为磁体的磁化率(susceptibility)，是单位磁场强度，是单位磁场强度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 令：磁导率令：磁导率(permeability)=（1 )=B/0H（相对磁导（相对磁导率，表征磁体磁性、导磁性及磁化难易程度）率，表征磁体磁性、导磁性及磁化难易程度）四、磁化率四、磁化率 与与 磁导率磁导率 第二十二页，本课件共有43页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
12、）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（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动态磁化中经常遇到动态磁化中经常遇到第二十三页，本课件共有43页（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
13、（6）微分磁导率）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的函数的函数第二十四页，本课件共有43页第二十五页，本课件共有43页一、静磁能一、静磁能（magnetostatic energy)magnetostatic energy)任何磁体被置于外磁场（稳恒磁场任何磁体被置于外磁场（稳恒磁场or交变磁场）中将处于磁化状交变磁场）中将处于磁化状态，此时磁体具有静磁能量态，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
14、的相互作用，产生一力矩：（逆时针方向为正逆时针方向为正）第二十六页，本课件共有43页 =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，这就要方向一致，这就要做功，相当于使磁体在做功，相当于使磁体在H中位能降低。中位能降低。即：磁体在磁场中位能：即：磁体在磁场中位能：第二十七页，本课件共有43页单位体积中静磁能（即单位体积中静磁能（即磁场能量密度磁场能量密度）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态能量最低状态（2）当）当 逐渐增大时，需要外力来克逐渐增大时，需要
15、外力来克服磁场做功，磁体在磁场中的能量增服磁场做功，磁体在磁场中的能量增加加（3）当）当 180，能量密度达到最大，能量密度达到最大值值 0MH上式在磁畴和技术磁化理论中上式在磁畴和技术磁化理论中经常用到经常用到第二十八页，本课件共有43页 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，表面将产生磁极，从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，起减退磁化的方向相反的一种磁场，起减退磁化的作用，称为作用，称为退磁场退磁场Hd。Hd 的大小与磁体形状及磁
16、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，只与磁体几何形状有关体几何形状有关二、退磁场与退磁能量二、退磁场与退磁能量第二十九页，本课件共有43页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：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
17、=1abcXYZ第三十页，本课件共有43页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：Fd 是形状各向异性的能量是形状各向异性的能量第三十一页，本课件共有43页第三十二页，本课件共有43页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）
18、，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 一、磁化曲线一、磁化曲线(magnetization curve)第三十三页，本课件共有43页二、磁滞回线二、磁滞回线(hystersis loop)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不再沿原始曲不再沿原始曲线返回。当线返回。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，需反向加一磁趋于零，需反向加一磁场，此时场，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（
19、内禀矫顽力）（内禀矫顽力）一般一般|BHC|MHC|第三十四页，本课件共有43页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：软磁软磁硬磁硬磁半硬磁半硬磁第三十五页，本课件共有43页 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。（磁材的。（磁材的重要特性之一重要特性之一)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（依据此考察永磁材（依据此考察永磁材料性能），退磁曲线上每
20、一点所对应的料性能），退磁曲线上每一点所对应的B和和H的乘积的乘积BH为为磁能积，表征永磁材料中能量大小。磁能积，表征永磁材料中能量大小。最大磁能积最大磁能积(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。第三十六页，本课件共有43页第三十七页，本课件共有43页分类依据：分类依据：磁化率磁化率 的大小和符号的大小和符号一、一、抗磁性抗磁性 （1）当受到外磁场）当受到外磁场H作用后，感生作用后，感生出与出与H方向相反的磁化强度，故其方向相反的磁化强度，故其 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、温度均无关代表性物质
21、：惰性气体，许多有机化代表性物质：惰性气体，许多有机化合物，合物，Bi、Zn、Ag和和Mg、Si、P、S等）等）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从）磁化率与温度的关系遵从居里外斯定律居里外斯定律代表性物质：稀土金属，第一、二代表性物质：稀土金属，第一、二主族的金属以及主族的金属以及O2等等M 0TTp p10-610-3H第三十九页，本课件共有43页三、反铁三、反铁磁性磁性 N在某一温度在某一温度TN处存在最大值，处存在最大值，当温度当温度TTN时，磁化率与普通时，磁化率与普通的顺磁性物质相似，服从居里外的顺磁性物质相似，服从居里外
22、斯定律，但通常斯定律，但通常顺次居里温度都是顺次居里温度都是小于零的小于零的；当温度当温度T 0O第四十页，本课件共有43页四、铁四、铁磁性磁性（1）很容易被磁化到饱和（只需）很容易被磁化到饱和（只需要很小的磁场）要很小的磁场）（2）f 0，且为，且为101106 （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 代表性物质：代表性物质：11种金属元素和众种金属元素和众多的化合物和合金多的化合物和合金第四十一页，本课件共有43页五、亚铁五、亚铁磁性磁性 内部磁结构却与反铁磁性相同，内部磁结构却与反铁磁性相同，但相反排列的磁矩大小不等量。故但相反排列的磁矩大小
23、不等量。故亚铁磁性具有宏观磁性（亚铁磁性具有宏观磁性（未抵消的未抵消的反铁磁性结构的铁磁性反铁磁性结构的铁磁性）。）。0，大小为，大小为1 103代表性物质：各种代表性物质：各种铁氧体铁氧体第四十二页，本课件共有43页本章提要：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、磁导率及两种单位制的背景和关系磁化率、磁导率及两种单位制的背景和关系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磁化曲线BH，MH以及磁滞回线上的各个参以及磁滞回线上的各个参量的意义量的意义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）第四十三页，本课件共有43页