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1、第 1 页 共 5 页磁性基本现象磁性基本现象自发磁化：自发磁化：从从“磁性来源磁性来源”中我们了解到，某些原子的核外电子的自旋磁矩不能抵消，从而产生剩余的磁矩。中我们了解到，某些原子的核外电子的自旋磁矩不能抵消，从而产生剩余的磁矩。但是，如果每个原子的磁矩仍然混乱排列，那么整个物体仍不能具有磁性。只有所以原子的磁矩但是，如果每个原子的磁矩仍然混乱排列，那么整个物体仍不能具有磁性。只有所以原子的磁矩沿一个方向整齐地排列，就象很多小磁铁首尾相接，才能使物体对外显示磁性，成为磁性材料。沿一个方向整齐地排列，就象很多小磁铁首尾相接，才能使物体对外显示磁性，成为磁性材料。这种原子磁矩的整齐排列现象，就
2、称为自发磁化。这种原子磁矩的整齐排列现象，就称为自发磁化。既然磁性材料内部存在自发磁化，那么是不是物体中所有的原子都沿一个方向排列整齐了呢？当既然磁性材料内部存在自发磁化，那么是不是物体中所有的原子都沿一个方向排列整齐了呢？当然不是，否则，凡是钢铁等就会永远带有磁性，成为一块大磁铁，永远能够相互吸引了（实际上，然不是，否则，凡是钢铁等就会永远带有磁性，成为一块大磁铁，永远能够相互吸引了（实际上，两块软铁不会自己相互吸引）两块软铁不会自己相互吸引） 。事实上，磁性材料绝大多数都具有磁畴结构，使得它们没有磁化。事实上，磁性材料绝大多数都具有磁畴结构，使得它们没有磁化时不显示磁性。时不显示磁性。磁畴
3、：磁畴：所谓磁畴，是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都所谓磁畴，是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同，如右图所示。象一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同，如右图所示。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，它也就不能吸引其它磁性材料。也不相
4、同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，它也就不能吸引其它磁性材料。也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。下图为在显微镜中观察到的磁性材料中常见的磁畴形状，其中左面是软磁材料常见的条出磁性。下图为在显微镜中观察到的磁性材料中常见的磁畴形状，其中左面是软磁材料常见的条形畴，黑白部分因为不同的磁畴其磁矩方向不同而具有不同的亮度，它们的交界面就是畴壁；中形畴，黑白部分因为不同的磁畴其磁矩方向不同而具有不同的亮度，它们的交界面就是畴壁；中间是树枝状畴和畴
5、壁；右面是薄膜材料中可以见到的磁畴形状。实际的磁性材料中，磁畴结果五间是树枝状畴和畴壁；右面是薄膜材料中可以见到的磁畴形状。实际的磁性材料中，磁畴结果五花八门，如条形畴、迷宫畴、楔形畴、环形畴、树枝状畴、泡状畴等。花八门，如条形畴、迷宫畴、楔形畴、环形畴、树枝状畴、泡状畴等。既然磁畴内部的磁矩排列是整齐的，那么在磁畴壁处原子磁矩又是怎样排列的呢？在畴壁的一侧，既然磁畴内部的磁矩排列是整齐的，那么在磁畴壁处原子磁矩又是怎样排列的呢？在畴壁的一侧，原子磁矩指向某个方向，假设在畴壁的另一侧原子磁矩方向相反。那么，在畴壁内部，原子磁矩原子磁矩指向某个方向，假设在畴壁的另一侧原子磁矩方向相反。那么，在畴
6、壁内部，原子磁矩必须成某种形式的过渡状态。实际上，畴壁由很多层原子组成。为了实现磁矩的转向，从一侧开必须成某种形式的过渡状态。实际上，畴壁由很多层原子组成。为了实现磁矩的转向，从一侧开第 2 页 共 5 页始，每一层原子的磁矩都相对于磁畴中的磁矩方向偏转了一个角度，并且每一层的原子磁矩偏转始，每一层原子的磁矩都相对于磁畴中的磁矩方向偏转了一个角度，并且每一层的原子磁矩偏转角度逐渐增大，到另一侧时，磁矩已经完全转到和这一侧磁畴的磁矩相同的方向。上图给出了典角度逐渐增大，到另一侧时，磁矩已经完全转到和这一侧磁畴的磁矩相同的方向。上图给出了典型的磁畴壁结构示意图。型的磁畴壁结构示意图。居里温度：居里
7、温度：对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温度度 TcTc，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的。在此，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性的。温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性的。利用这个特点，人们开发出了很多控制元件。例如，我们使用的电饭锅就利用了磁性材料的居里利用这个特点，人们开发出了很多控制元件。例如，我们使
8、用的电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为点的特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为 105105 度的磁性材料。当锅里的水分度的磁性材料。当锅里的水分干了以后，食品的温度将从干了以后，食品的温度将从 100100 度上升。当温度到达大约度上升。当温度到达大约 105105 度时，由于被磁铁吸住的磁性材料度时，由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开，同时带的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。动电源开关被
9、断开，停止加热。与磁性材料有关的常用物理量：与磁性材料有关的常用物理量：磁场强度：磁场强度：指空间某处磁场的大小，用指空间某处磁场的大小，用 H H 表示，它的单位是安表示，它的单位是安/ /米（米（A/mA/m）。磁化强度：磁化强度：指材料内部单位体积的磁矩矢量和，用指材料内部单位体积的磁矩矢量和，用 MM 表示，单位是安表示，单位是安/ /米（米（A/mA/m） 。磁感应强度：磁感应强度： 磁感应强度磁感应强度 B B 的定义是：的定义是：B=m0(H+M)B=m0(H+M)，其中，其中 H H 和和 MM 分别是磁化强度和磁场分别是磁化强度和磁场强度，而强度，而 m0m0 是一个系数，叫
10、做真空导磁率。磁感应强度又称为磁通密度，单位是特斯拉（是一个系数，叫做真空导磁率。磁感应强度又称为磁通密度，单位是特斯拉（T T） 。导磁率：导磁率：导磁率的定义是导磁率的定义是 m=B/m0Hm=B/m0H，是磁化曲线（见材料的静态磁化）上任意一点上，是磁化曲线（见材料的静态磁化）上任意一点上 B B 和和H H 的比值。导磁率实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者说是材料对外部磁场的灵敏的比值。导磁率实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者说是材料对外部磁场的灵敏程度。程度。磁性材料的静态磁化及常用性能指标：磁性材料的静态磁化及常用性能指标：我们已经知道，磁性材料内部具有磁畴，它们就
11、好象众多的小磁铁混乱地堆积，整体对外没有磁我们已经知道，磁性材料内部具有磁畴，它们就好象众多的小磁铁混乱地堆积，整体对外没有磁性。这时我们称材料处于磁中性状态。但是，如果材料处在外加磁场的环境中，那么这些小磁铁性。这时我们称材料处于磁中性状态。但是，如果材料处在外加磁场的环境中，那么这些小磁铁第 3 页 共 5 页（实际上是磁畴的磁矩）就会和磁场发生相互作用，其结果就是材料中的磁矩发生向外加磁场方（实际上是磁畴的磁矩）就会和磁场发生相互作用，其结果就是材料中的磁矩发生向外加磁场方向的转动，导致这些磁矩不再能相互抵消，也就是说所有磁矩的矢量和不等于零。在外加磁场的向的转动，导致这些磁矩不再能相互
12、抵消，也就是说所有磁矩的矢量和不等于零。在外加磁场的作用下，磁性材料由磁中性状态变成对外显示磁矩状态的过程称为磁化。作用下，磁性材料由磁中性状态变成对外显示磁矩状态的过程称为磁化。那么磁性材料在磁化过程中到底发生了哪些变化呢？那么磁性材料在磁化过程中到底发生了哪些变化呢？在磁中性状态（即没有外加磁场）在磁中性状态（即没有外加磁场） ，材料内部的磁矩成混乱排列，总的磁矩为零，因此材料显示，材料内部的磁矩成混乱排列，总的磁矩为零，因此材料显示的磁化强度也是零。的磁化强度也是零。当磁性材料处于外加磁场中时，材料内部的磁矩就会受到磁场的作用力，磁矩会向外磁场的方向当磁性材料处于外加磁场中时，材料内部的
13、磁矩就会受到磁场的作用力，磁矩会向外磁场的方向转动，就象磁铁在磁场中转动一样。这时，磁矩就不再是完全混乱排列的了，而是沿外磁场方向转动，就象磁铁在磁场中转动一样。这时，磁矩就不再是完全混乱排列的了，而是沿外磁场方向产生了一个总的磁化强度，这时我们说材料被磁化了。并且，外磁场越大，材料内部的磁矩向外产生了一个总的磁化强度，这时我们说材料被磁化了。并且，外磁场越大，材料内部的磁矩向外磁场方向转动的数量和程度就越多。当外磁场足够大时，材料内部所有的磁矩都会沿外磁场方向磁场方向转动的数量和程度就越多。当外磁场足够大时，材料内部所有的磁矩都会沿外磁场方向整齐排列，这时材料对外显示的磁化强度达到最大值，我
14、们说材料被磁化到了饱和。达到饱和之整齐排列，这时材料对外显示的磁化强度达到最大值，我们说材料被磁化到了饱和。达到饱和之后，无论怎样增大磁场，材料的磁化强度也不再增大。因此材料被磁化到饱和时的磁化强度称为后，无论怎样增大磁场，材料的磁化强度也不再增大。因此材料被磁化到饱和时的磁化强度称为饱和磁化强度，用饱和磁化强度，用 MsMs 来表示。来表示。从上面的分析，我们知道材料的磁化强度随外磁场而变化。在科学实验和生产实际中，常把磁场从上面的分析，我们知道材料的磁化强度随外磁场而变化。在科学实验和生产实际中，常把磁场和磁化强度的关系画成曲线，称为磁化曲线，如图所示。其中，横坐标表示外磁场的大小，纵坐和
15、磁化强度的关系画成曲线，称为磁化曲线，如图所示。其中，横坐标表示外磁场的大小，纵坐标表示磁化强度的高低。磁化曲线一般可以分成三个阶段：可逆磁化阶段、不可逆磁化阶段、饱标表示磁化强度的高低。磁化曲线一般可以分成三个阶段：可逆磁化阶段、不可逆磁化阶段、饱和阶段。和阶段。在工程上，一般不用磁化强度磁场的关系画磁化曲线，而用磁感应强度磁场的关系画磁化曲在工程上，一般不用磁化强度磁场的关系画磁化曲线，而用磁感应强度磁场的关系画磁化曲线。这时，磁化饱和时就有一个饱和磁感应强度（或者饱和磁通密度）线。这时，磁化饱和时就有一个饱和磁感应强度（或者饱和磁通密度） ，用，用 BsBs 表示。以后，如果表示。以后，
16、如果没有特殊说明，我们都用的是没有特殊说明，我们都用的是 B BH H 磁化曲线。饱和磁感应强度是磁性材料的一个重要指标。磁化曲线。饱和磁感应强度是磁性材料的一个重要指标。在磁化曲线上，每一点都有一个磁感应强度和磁场的比值，称为导磁率。在磁化的不同阶段，材在磁化曲线上，每一点都有一个磁感应强度和磁场的比值，称为导磁率。在磁化的不同阶段，材料的导磁率也不同，导磁率在最高点称为最大导磁率。在磁化起始点的导磁率称为初始导磁率。料的导磁率也不同，导磁率在最高点称为最大导磁率。在磁化起始点的导磁率称为初始导磁率。导磁率是软磁材料的另一个非常重要的指标。导磁率是软磁材料的另一个非常重要的指标。那么，在磁化过程中，材料内部的磁矩究竟是怎样转动的？有两种方式使材料的磁矩产生转动：那么，在磁化过程中，材料内部的磁矩究竟是怎样转动的？有两种方式使材料的磁矩产生转动：第 4 页 共 5 页一是畴壁位移：材料磁化时，畴壁内部的原子磁矩逐渐转向外磁场的方向，畴壁逐渐推移，这样，一是畴壁位移：材料磁化时，畴壁内部的原子磁矩逐渐转向外磁场的方向，畴壁逐渐推移，这样，与外磁场方向接近的磁
