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1、2014/6/11 Wednesday1Mt. OlympusTroyMt. OlympusMt. OlympusTroyTroyHistory-The Stone from Magnesia - Magnetite材料的磁学性质材料的磁学性质Magnesia, ManisaGreeceTurkeyMagnesia, ManisaMagnesia, ManisaGreeceTurkeyMagnetite (or lodestone): FeO Fe2O3磁性材料磁性材料磁性材料磁性材料是一簇新兴的基础功能材料。一切物质均有磁性。通常所谓的磁性材料与非磁性材料，实际 上是指强磁性及弱磁性材料。磁
2、性材料广泛应用于电工、电子 和计算机等技术中。我国在世界上最先发明磁石可作为指示方向和校正时间的应用是一簇新兴的基础功能材料。一切物质均有磁性。通常所谓的磁性材料与非磁性材料，实际 上是指强磁性及弱磁性材料。磁性材料广泛应用于电工、电子 和计算机等技术中。我国在世界上最先发明磁石可作为指示方向和校正时间的应用, 一、概述一、概述一、概述一、概述, 在韩非子和东汉王充著的论衡两书中所提到的“司南” 就是指此。公元在韩非子和东汉王充著的论衡两书中所提到的“司南” 就是指此。公元17世纪，英国的吉尔伯特发表了世界上第一部 磁学专著论磁石，世纪，英国的吉尔伯特发表了世界上第一部 磁学专著论磁石，18世
3、纪，瑞典科学家在磁学著作中对磁 性材料的磁化作用进行了大胆的描绘 。世纪，瑞典科学家在磁学著作中对磁 性材料的磁化作用进行了大胆的描绘 。19世纪，近代物理学大发展，电流的磁效应、电磁感应等相继 被发现和研究。世纪，近代物理学大发展，电流的磁效应、电磁感应等相继 被发现和研究。 19世纪末居里发现了抗磁物质磁化率不随温度变化及一些顺磁 物质磁化率与温度成反比的居里定律。奈尔提出反铁磁性和亚 铁磁性。世纪末居里发现了抗磁物质磁化率不随温度变化及一些顺磁 物质磁化率与温度成反比的居里定律。奈尔提出反铁磁性和亚 铁磁性。 20世纪初朗之万用经典统计理论证明了居里定律，外斯提出 分子场自发磁化的假说与
4、磁畴的概念，奠定了现代磁学的基础。世纪初朗之万用经典统计理论证明了居里定律，外斯提出 分子场自发磁化的假说与磁畴的概念，奠定了现代磁学的基础。法拉第电磁感应法拉第电磁感应居里（居里（P Curie）近近20年年，磁记录材料和磁光记录材料正在迅猛发展磁记录材料和磁光记录材料正在迅猛发展。在多层膜在多层膜量子力学的出现使人们开始把物质磁性的认识建立在原子及电子 的基础上，海森伯用静电性的交换作用对铁磁体的分子场性质给 出了正确的解释，揭开了现代磁学的篇章。量子力学的出现使人们开始把物质磁性的认识建立在原子及电子 的基础上，海森伯用静电性的交换作用对铁磁体的分子场性质给 出了正确的解释，揭开了现代磁
5、学的篇章。20世纪世纪50年代，铁氧体为代表的亚铁磁体的发现，改变了年代，铁氧体为代表的亚铁磁体的发现，改变了100多 年来金属铁磁性材料独占强磁体领域的局面。强磁材料的研究及 应用发展到高频和微波领域。非晶合金磁性的发展，开拓了优质 软磁材料的领域。多 年来金属铁磁性材料独占强磁体领域的局面。强磁材料的研究及 应用发展到高频和微波领域。非晶合金磁性的发展，开拓了优质 软磁材料的领域。近近20年年，磁记录材料和磁光记录材料正在迅猛发展磁记录材料和磁光记录材料正在迅猛发展。在多层膜在多层膜 中发现巨磁电阻以来，自旋相关导电等新材料及器件不断发展有机铁磁体、中发现巨磁电阻以来，自旋相关导电等新材料
6、及器件不断发展有机铁磁体、C60化合物铁磁体和室温下铁磁体半导体的发现 预示了磁学与磁性材料的发展前景。化合物铁磁体和室温下铁磁体半导体的发现 预示了磁学与磁性材料的发展前景。海森伯（海森伯（W K heisenberg)永磁铁氧体永磁铁氧体二、磁性及基本磁性参量二、磁性及基本磁性参量磁介质：磁场作用下磁化，并影响磁场分布的物质。可用 分子电流观点和等效磁荷观点描述。磁场：由运动电荷磁介质：磁场作用下磁化，并影响磁场分布的物质。可用 分子电流观点和等效磁荷观点描述。磁场：由运动电荷(或电流或电流)产生在空间连续分布的一种物质。 宏观性质：对运动电荷产生在空间连续分布的一种物质。 宏观性质：对运
7、动电荷(或电流或电流)有力的作用；磁场有能量。有力的作用；磁场有能量。mPMVmjJV0JM磁矩磁矩条形磁铁和环形电流的磁矩条形磁铁和环形电流的磁矩磁矩在磁场中将受磁矩在磁场中将受m=IS到磁场力的作用而产生 力矩到磁场力的作用而产生 力矩T=mXB磁矩与外加磁场的 作用能称为静磁能磁矩与外加磁场的 作用能称为静磁能.U=-mB磁化强度：指材料内部单位体积的磁矩矢量 和，用M表示。磁化强度：指材料内部单位体积的磁矩矢量 和，用M表示。M=m/V2014/6/11 Wednesday2磁矩是表示磁体本质的一个物理量。表征磁性物体磁性大小。磁矩是表示磁体本质的一个物理量。表征磁性物体磁性大小。磁偶
8、极子电偶极子磁偶极子电偶极子-q+qlE电矩电矩电矩电矩ql磁矩磁矩磁矩磁矩小封闭环形 电流小封闭环形 电流SIm磁矩的方向为它本身在圆心 所产生的磁场方向。磁矩的方向为它本身在圆心 所产生的磁场方向。I电流强度，电流强度，S为封闭环形的面积为封闭环形的面积 m：单位：单位A m2磁矩愈大，磁性愈强，即物质在磁场中所受的力也大。磁矩愈大，磁性愈强，即物质在磁场中所受的力也大。 磁矩只与物体本身有关，与外磁场无关。磁矩只与物体本身有关，与外磁场无关。磁化强度与磁感应强度磁化强度与磁感应强度磁化：磁化：在外磁场作用下，各磁矩有规则地取向，使磁介质宏观显示磁性，这 就叫在外磁场作用下，各磁矩有规则地
9、取向，使磁介质宏观显示磁性，这 就叫磁化。磁化。能被磁场磁化的介质称为磁介质。能被磁场磁化的介质称为磁介质。磁化强度：磁化强度：磁化强度的物理意义是单位体积的磁矩。磁化强度的物理意义是单位体积的磁矩。表征磁介质被磁化的程 度。表征磁介质被磁化的程 度。HVmMH：外加磁场强度单位：外加磁场强度单位：A/m ：介质的磁化率，仅与介质性质有关，反映材料磁化的能力。没 有单位，可正可负，取决于材料不同的磁型类别。：介质的磁化率，仅与介质性质有关，反映材料磁化的能力。没 有单位，可正可负，取决于材料不同的磁型类别。材料被磁化：材料被磁化：H总总HH1(矢量和矢量和)外加磁场强度为外加磁场强度为H，磁介
10、质的总磁场强度：，磁介质的总磁场强度：H1=MH磁感应强度磁感应强度B：通过磁场中某点，垂直于磁场方 向单位面积的磁力线数。单位：通过磁场中某点，垂直于磁场方 向单位面积的磁力线数。单位：Wb m-2（T 特斯拉）特斯拉）真空：真空：磁介质：磁介质：真空：真空：磁介质：磁介质：HB00(H/m)104-7 0真空磁导率外磁场外磁场真空磁导率外磁场外磁场H HHHHB)1 (00总介质的磁导率介质的磁导率磁场强度与磁感应强度磁场强度与磁感应强度 磁场强度磁场强度(magnetic field strength)空间某处磁场的大小，用空间某处磁场的大小，用H表示。表示。External field
11、 磁感应强度磁感应强度(magnetic induction): 又称为磁通密度又称为磁通密度（magnetic flux density），），描述磁场强弱和方向的基本 物理量描述磁场强弱和方向的基本 物理量,用用B表示。表示。External fieldInternal field磁导率：磁化曲 线上B和H的比值。 磁导率实际上代 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。磁导率：磁化曲 线上B和H的比值。 磁导率实际上代 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。在真空中磁感应强度在真空中磁感应强度B与磁场强度与磁场强度H间的关
12、系为：间的关系为： B=0H 在磁性材料中：在磁性材料中： B=0（H+ M） 在均匀的磁性材料中，上式的矢量和可改成代数和：） 在均匀的磁性材料中，上式的矢量和可改成代数和： B=0（H+M） 磁性材料的） 磁性材料的磁导率磁导率定义为磁感应强度与磁场强度之比：定义为磁感应强度与磁场强度之比： =B/H 0 0: 真空磁导率;真空磁导率; : 绝对磁导率，单位为: 绝对磁导率，单位为 H/m，r: 相对磁导率相对磁导率r=/00)1 (0/1r介质的相对磁导率介质的磁导率介质的相对磁导率介质的磁导率磁导率磁导率磁导率磁导率 ：表示磁性材料传导和通过磁力线的能力表示磁性材料传导和通过磁力线的能
13、力。表示磁性材料传导和通过磁力线的能力表示磁性材料传导和通过磁力线的能力。 是磁性材料最重要的物理量之一是磁性材料最重要的物理量之一。是磁性材料最重要的物理量之一是磁性材料最重要的物理量之一。2014/6/11 Wednesday3磁化率磁化率物质在磁场中被 磁化的程度与磁化场物质在磁场中被 磁化的程度与磁化场 的磁场强度有关的磁场强度有关的磁场强度有关的磁场强度有关.磁学基本量及其单位磁学基本量及其单位2.磁性参数与介电参数的比较1）H(A/m) -E (V/m) : 导致极化的外部驱动力的量度；导致极化的外部驱动力的量度； 2）B ( VS/m2） -P (C/m2)：材料对外部作用场的响
14、应的量度；：材料对外部作用场的响应的量度； 3) X（）（） - Xe无量纲，描述材料对外部作用场的响应；无量纲，描述材料对外部作用场的响应；4） 0-0建立材料的相应参数和尺度参比量建立材料的相应参数和尺度参比量磁场和电场 重要物理量磁场和电场 重要物理量 及公式及公式对比对比及公式及公式对比对比物理学原理：任何带电体的运动都必然在周围 的空间产生磁场。物理学原理：任何带电体的运动都必然在周围 的空间产生磁场。等等，都具有磁矩等等，都具有磁矩行星行星或或分子分子、电子电子、载流回路载流回路物质的磁性无处不在物质的磁性无处不在（1）物质的各种形态，无论是固态、液态、气态、等离子态、 超高密度态
15、和反物质态都会具有磁性； （2）物质的各个层次，无论是原子、原子核、基本粒子等都会 具有磁性。（1）物质的各种形态，无论是固态、液态、气态、等离子态、 超高密度态和反物质态都会具有磁性； （2）物质的各个层次，无论是原子、原子核、基本粒子等都会 具有磁性。 广宇宙广宇宙（3）无限（3）无限广广袤的袤的宇宙宇宙，无论 是各个天体，还是星际空间 都存在着或强或弱的磁场。 例如：地球磁场强度约为 240A/m，太阳的普遍磁场强 度约为80A/m，而中子星的磁 场强度高达10无论 是各个天体，还是星际空间 都存在着或强或弱的磁场。 例如：地球磁场强度约为 240A/m，太阳的普遍磁场强 度约为80A/
16、m，而中子星的磁 场强度高达101313-10-101414A/m。A/m。2014/6/11 Wednesday4物质磁性的起源：物质磁性的起源：安培分子电流学说组成磁铁的每个分子都具有一个 小的分子电流经过磁化的小的分子电流，经过磁化的 磁铁其小分子电流都定向规 则排列现代科学认为物质的磁性来源于组 成物质中原子的磁性1 原子中外层电子的轨道磁矩2 电子的自旋磁矩3 原子核的核磁矩2014/6/11 Wednesday5原子的总磁矩应是按照原子结 构和量子力学规律将原子中各个电 子的轨道磁矩和自旋磁矩相加起来子的轨道磁矩和自旋磁矩相加起来 的合磁矩以上关于物质磁性惟一来源于 磁矩的观点，统称为磁矩学说， 或称为磁偶极矩学说。他的一 个很明确的结论是不存
