磁性与器件第一章磁学基础知识素材

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1、第一章 磁学基础知识,01,02,03,04,第一节 基本磁学量,1.1.1 磁矩m,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：Wbm,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 m2,二者的物理意义： 表征磁偶极子磁性强弱与方向,1.1.2 磁化强度M,单位体积的磁体内,所有磁偶极子的jm或磁矩m的矢量和 ，分别为：,磁极化强度：,磁化强度：,说明：描述宏观磁体磁性强弱程度的物理量,1.1.3 磁场

2、强度H与磁感应强度B,1、磁场强度H (magnetic intensity)：(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。,物理意义：均为描述空间任意一点的磁场参量（矢量）,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=1/2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,（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。,（3）、无限长直流螺线管：,n：单位长度的线圈匝数， 方向沿螺线

3、管的轴线方向,2、磁感应强度B (magnetic flux density):,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）,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：,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：,单位：Guass,磁场强度H被定义为：,单位：Oe,引入磁感应强度B，使之满足如下关系：,在Guass单位制中，M 和H

4、 都有明确的物理意义，是基本物理量，而B只是一个导出量,1.1.4 磁化率与 磁导率,磁体置于外磁场中磁化强度M将发生变化（磁化）,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,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）,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,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,（3）复数磁导率：磁体在交变磁场中磁化,动态磁化中经常遇到,（4）微分磁导率d

5、iff：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H的函数,第二节 磁化状态下磁体中的静磁能,1.2.1 静磁能,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?,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：,（逆时针方向为正）,= 0 ，L最小，处于稳定状态 0，L0，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：,单位体积中静磁能（即磁场能量密度）,说明： （1）当 0，jm与H方向一致，FHmin0MH，处于能量最低状态 （2）当 逐渐增大时，需要外力来克服

6、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,1.2.2 退磁场与退磁场能,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。 如果磁体还同时受到外磁场的作用，这时磁性体内部的有效磁场为：,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(demagnetization factor)，只与磁体几何形状有关,对于旋转椭球体，三个主轴方向退磁因子之和：,旋转椭球的极限情况：,退磁场能量:指

7、磁体在它自身的Hd 中所具有的能量：,Fd 是形状各向异性的能量,第三节 磁性材料的磁化曲线和磁滞回线,1.3.1 磁化曲线,磁化曲线是表示磁场强度H与所感生的B或M之间的关系的曲线（非线性）。,O点：H0、B0、M0，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BH（MH）曲线可求 出或,Ms可以理解为该温度下的自发磁化强度M0,抗磁性物质磁化曲线,顺磁性物质磁化曲线,磁化曲线是反映材料特性的基本曲线，从中可以得到标志材料的参量：饱和磁化强度Ms、起始磁化率a 和最大磁化

8、率m。,1.3.2 磁滞回线,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H0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B0的Hc (磁感矫顽力）。 MHC： M0时的Hc（内禀矫顽力） 一般| BHC | | MHC |,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：,软磁 硬磁 半硬磁,H从正的最大到负的最大，再回到正的最大时，BH或MH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

9、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。,将退磁曲线上的 对B作用，可得 对B的关系曲线。,磁化曲线与磁滞回线是磁性材料的重要特征，能反映许多磁特性，如： 、 MS(Bs)、Mr(Br)、 BHC(MHC)、 (BH)max 等。,第四节 磁性和磁性材料的分类,研究凝聚态物质各种磁性表现的起因是磁性物理的主要任务，其中强磁性物质在技术领域有着突出作用，所以影响强磁性物质磁性的机理是我们课程最为关注的。,固 体 磁 性,原子、离子的磁矩（顺、抗磁） 晶体结构和晶场类型（自旋、轨道贡献） 相邻原子、电子间的相互作用（磁有序）,1.4.1 物质

10、的磁性分类,为了方便研究物质磁性的起因，我们可以按其在磁场中的表现把物质进行分类， 例如依据磁化率的正负、大小及其与温度的关系来进行分类。 随着研究的深入，分类也在不断完善和细化，到上个世纪 70 年代为止，在晶状固体里，共发现了五种主要类型的磁结构物质，它们的形成机理和宏观特征各不相同，对它们的成功解释形成了今天的磁性物理学核心内容。 上世纪 70 年代以后，随着非晶材料和纳米材料的兴起，又发现了一些新的磁性类型，对它们的研究尚在深化之中，课程会做初步介绍。,按照磁化率 的大小和符号，材料的磁性可分为,抗磁性 顺磁性 铁磁性 反铁磁性 亚铁磁性,上节回顾,静磁能及磁场能量密度,（1）当 0，

11、FHmin0MH，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,上节回顾,退磁场,退磁因子,退磁场能量,上节回顾,磁化曲线与磁滞回线是磁性材料的重要特征，能反映许多磁特性，如： 、 MS(Bs)、Mr(Br)、 BHC(MHC)、 (BH)max 等。,上节回顾,按照磁化率 的大小和符号，材料的磁性可分为,抗磁性 顺磁性 铁磁性 反铁磁性 亚铁磁性,一、抗磁性(逆磁性) 是19世纪后半叶发现并研究的一类弱磁性。 （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d 0 （2）绝对数值很小，一般

12、为10-5 （3）与磁场、温度均无关,H,自然界中很多物质都是抗磁性物质：周期表中三分之一的元素、绝大多数的有机材料和生物材料都是抗磁性物质。 包括： 稀有气体：He,Ne.Ar,Kr,Xe 多数非金属和少数金属：Si,Ge,S,P, Cu,Ag,Au, 不含过渡族元素的离子晶体：NaCl,KBr, 不含过渡族元素的共价键化合物：H2,CO2,CH4 等 几乎所有的有机化合物和生物组织： 水；,典型抗磁性是轨道电子在外磁场中受到电磁作用而产生的，因而所有物质都具有的一定的抗磁性，但只是在构成原子（离子）或分子的磁距为零，不存在其它磁性的物质中， 才会在外磁场中显示出这种抗磁性。,除了轨道电子的

13、抗磁性外，传导电子也具有一定的抗磁性，并造成反常。,它们的电子壳层都是满壳层，所以原子磁矩为零。 在CGS单位制下，抗磁磁化率的典型值是10-6cm3mol-1 。 统一换成体积磁化率的数值，量级是10-6。 换成 SI 单位制下应乘以4，量级在10-5。,CGS单位制克分子磁化率,一些抗磁性金属在20时的克分子磁化率（CGS单位）：,他科研当中最受瞩目的就是2004年在曼彻斯特大学任教期间他和康斯坦丁诺沃肖洛夫发现了2维晶体的碳原子结构，也就是著名的石墨烯。,安德烈海姆 AndreGeim,早在2000年他还获得“搞笑诺贝尔奖”通过磁悬浮技术克服重力作用，让一只青蛙悬浮在半空中，并推论使用类

14、似的方法可以让人克服重力作用漂浮起来。10年后的2010年他获得诺贝尔物理学奖。他也是世界上唯一一个同时获得过诺贝尔奖和搞笑诺贝尔奖的科学家 。,羽落术,漂浮术,二、顺磁性,是19世纪后半叶发现并研究的另一类弱磁性。,（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10-610-3 （3）磁化率与温度的关系遵从居里外斯定律。,H,T,居里-外斯（Curie-Waiss)定律,C 称作居里常数，Tp 称作居里顺磁温度,服从居里-外斯定律的物质都是在某一个温度之上才显示顺磁性，这个温度之下，表现为其它性质。,T,T,顺磁性物质也很多，常见的顺磁性物质： 过

15、渡族元素、稀土元素和锕系元素金属： 1 Mn,Cr,W,La,Nd,Pt,Pa, 含有以上元素的化合物：MnSO4,FeCl3,FeSO4,Gd2O3, 碱金属和碱土金属：Li,Na,K,Ru,Cs,Mg,Ca,Sr,Ba 包含有奇数个电子的原子或分子： HCl,NO,有机化合物中的自由基 少数含有偶数个电子的化合物： O2,有机物中的双自由基等,顺磁性起因于原子或分子磁矩，在外加磁场作用下趋于沿外场方向排列，使磁质沿外场方向产生一定强度的附加磁场。顺磁性是一种弱磁性。 典型顺磁性物质的基本特点是含有具有未满壳层的原子（或离子），具有一定的磁矩，是无规分布的原子磁矩在外磁场中的取向产生了顺磁性

16、。此外，传导电子也具有一定的顺磁性。,三、铁磁性,这是人类最早发现并利用的强磁性，它的主要特征是：,（1）很容易被磁化到饱和（只需要很小的磁场） （2） f 0，且为101-106 （3）也存在一个临界温度TC （4）MH呈非线性关系,铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超过这一温度，铁磁性消失。这一温度称为居里温度（居里点）。高于居里温度时表现为顺磁性，其磁化率温度关系服从居里-外斯定律。,表现为铁磁性的元素物质只有以下几种： 一些过渡族元素和稀土元素金属： 但以上面元素为主构成的铁磁性合金和化合物是很多的，它们构成了磁性材料的主体，在技术上有着重要作用，例如： Fe-Ni, Fe-Si, Fe-Co, AlNiCo, CrO2, EuO, GdCl3,室温以上，只有4种元素是铁磁性的。,四、反铁磁性,反铁磁性是1936