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1、第七章第七章 磁性物理与性能磁性物理与性能无论是电子、电力、通信、还是空间、计算、生物，乃至家用电器，无论是电子、电力、通信、还是空间、计算、生物，乃至家用电器，磁学和磁性材料都是不可缺少的重要部分。磁学和磁性材料都是不可缺少的重要部分。磁学和磁性材料都是不可缺少的重要部分。磁学和磁性材料都是不可缺少的重要部分。 至少有至少有24次诺贝尔奖得主在磁学领域作出了杰出的贡献；次诺贝尔奖得主在磁学领域作出了杰出的贡献； 公元前公元前2500年我国已有磁性指南年我国已有磁性指南司南的记载，其开创了人类对司南的记载，其开创了人类对磁学和磁性材料研究的先河；磁学和磁性材料研究的先河； 从从1900年到年到
2、1930年，先后确立了年，先后确立了金属电子论、顺磁性理论、分子磁金属电子论、顺磁性理论、分子磁金属电子论、顺磁性理论、分子磁金属电子论、顺磁性理论、分子磁场、磁畴概念、场、磁畴概念、场、磁畴概念、场、磁畴概念、X X射线衍射分析、原子磁矩、电子自旋、波动力学、射线衍射分析、原子磁矩、电子自旋、波动力学、射线衍射分析、原子磁矩、电子自旋、波动力学、射线衍射分析、原子磁矩、电子自旋、波动力学、铁磁性体理论、金属电子量子论、电子显微镜铁磁性体理论、金属电子量子论、电子显微镜铁磁性体理论、金属电子量子论、电子显微镜铁磁性体理论、金属电子量子论、电子显微镜等相关的的理论。从而等相关的的理论。从而形成了
3、完整的磁学科学体系。在此后的形成了完整的磁学科学体系。在此后的2030年间，出现了种类繁多年间，出现了种类繁多的磁性材料。的磁性材料。 我国的磁学前辈当数我国的磁学前辈当数叶企孙叶企孙（1924年从美国哈佛大学获博士学位回年从美国哈佛大学获博士学位回国）、施汝为先生（国）、施汝为先生（1931年在国内发表了第一篇磁学研究论文），年在国内发表了第一篇磁学研究论文），现我国已有十余所高校、十几个研究所及几百个生产企业从事磁学研现我国已有十余所高校、十几个研究所及几百个生产企业从事磁学研究、教学和生产。究、教学和生产。磁学基础(a)在一个通有电流的导线周围铁屑的分布情况 (b)对于一根直导线，通过的
4、电流与其产生的磁场的关系图1、磁矩、磁矩 磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量，磁矩越磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量，磁矩越大，磁性越强，即物体在磁场中受的力越大。大，磁性越强，即物体在磁场中受的力越大。 电子绕原子核运动产生电子轨道磁矩；电子本身自电子绕原子核运动产生电子轨道磁矩；电子本身自旋，产生电子自旋磁矩。旋，产生电子自旋磁矩。 任何一个封闭的电流都具有磁矩任何一个封闭的电流都具有磁矩m m，其大小为电流其大小为电流与封闭环型的面积的乘积与封闭环型的面积的乘积。由个圆环产生的总磁矩是由这些单一圆环产生的磁矩的迭加，即 2、磁偶极子、磁偶极子磁偶极子：所谓磁偶极子是指强度相等、极性相反
5、并且其距离无限接近的一对“磁荷”。磁偶极矩矢量： 磁场强度：3、磁化强度、磁化强度 一般磁介质无外加磁场时，其内部各磁矩的取向不一，一般磁介质无外加磁场时，其内部各磁矩的取向不一，宏观无磁性；但在外磁场作用下，各磁矩有规则取向，使磁宏观无磁性；但在外磁场作用下，各磁矩有规则取向，使磁介质宏观显示磁性，这就是介质宏观显示磁性，这就是磁化磁化。 磁化强度磁化强度M是单位体积的磁矩，表征物质被磁化的程度是单位体积的磁矩，表征物质被磁化的程度.磁学基本量磁化强度M单位体积内具有磁偶极矩矢量和称为磁极化强度；单位体积内具有的磁矩矢量和称为磁化强度，分别表示如下：和二者之间存在以下关系3、磁场强度、磁场强
6、度磁场强度和磁感应强度均为表征磁场性质（即磁场强弱和方向）的两磁场强度和磁感应强度均为表征磁场性质（即磁场强弱和方向）的两个物理量。个物理量。在充满均匀磁介质的情况下，若包括介质因磁化而产生的在充满均匀磁介质的情况下，若包括介质因磁化而产生的磁场在内时，用磁场在内时，用磁感应强度磁感应强度B B表示，其单位为特斯拉表示，其单位为特斯拉T T，是一个基本物，是一个基本物理量；理量；单独由电流或者运动电荷所引起的磁场（不包括介质磁化而产生的磁单独由电流或者运动电荷所引起的磁场（不包括介质磁化而产生的磁场时）则用场时）则用磁场强度磁场强度H H表示，其单位为表示，其单位为A/m2A/m2，是一个辅助
7、物理量。，是一个辅助物理量。 r r=/=/0 0为介质的相对磁导率；为介质的相对磁导率； =r r-1-1定义为介质的磁化率，反映材料磁化的能力，定义为介质的磁化率，反映材料磁化的能力，无量纲，可正可负，取决于材料的不同磁性类别。无量纲，可正可负，取决于材料的不同磁性类别。其中：其中：磁性的微观解释磁介质的基本单元：分子分子内原子中电子的运动：轨道运动电子轨道磁矩自旋运动电子自旋磁矩本征磁矩是物质磁性的主要来源材料的磁化磁化的相关概念自发磁化和磁畴 磁有序物质在无外加磁场的情况下，由于近邻原子间电子的交换磁有序物质在无外加磁场的情况下，由于近邻原子间电子的交换作用或其他相互作用，使物质中各原
8、子的磁矩在一定空间范围内作用或其他相互作用，使物质中各原子的磁矩在一定空间范围内呈现有序排列而达到的磁化，称为自发磁化。自发磁化的小区域呈现有序排列而达到的磁化，称为自发磁化。自发磁化的小区域称之为磁畴。称之为磁畴。磁化过程磁化过程是指处于磁中性状态的强磁性体在外磁场的作用下，其磁化状态随外磁场发生变化的过程。反磁化过程是指强磁性体沿一个方向磁化饱和后，当外磁场逐渐减小或沿相反方向逐渐增加时，其磁化状态随外磁场发生变化的过程。对磁化过程的宏观描述是磁化曲线，对反磁化过程的宏观描述是磁滞回线。 材料的磁化磁化过程静态磁化动态磁化技术磁化内禀磁化材料的磁化磁化曲线的基本特征M=f（H）或B=f（H
9、）五个阶段：p可逆区域磁场弱p瑞利区域磁场略强（不可逆）p最大磁导率区域中等磁场p趋近饱和区域强磁场p顺磁区域更强磁场物质的三种磁性物质的三种磁性根据物质在外磁场中的磁化特性，通常将物质的根据物质在外磁场中的磁化特性，通常将物质的磁性分为抗磁性，顺磁性，铁磁性磁性分为抗磁性，顺磁性，铁磁性三种磁性物质的磁化特点是三种磁性物质的磁化特点是抗抗磁磁性性物物质质：磁化率为负值，约为-10-7 -10-7 ，表明抗磁性一般很微弱 。 顺磁性物质：顺磁性物质：磁化率为正值，一般也很小，室温下约为10-5。铁磁性物质：铁磁性物质：磁化率为正值，室温下其值可达103数量级。铁磁性物质即使在较弱的磁场内，也可
10、得到极高的磁化强度，而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性。但当外场增大时，由于磁化强度迅速达到饱和，其磁化率变小。 物质的磁性为什么会有这么不同？其原因是什么？物质的磁性为什么会有这么不同？其原因是什么？物质的物质的抗磁性和顺磁性抗磁性和顺磁性物质的磁性和原子的组成及结构有着密切的关系。孤立原子的磁矩决定于原子的结构。由于原子核的自旋磁矩仅为电子磁矩的千分之几，所以原子磁矩主要决定于核外电子的磁矩。 涡旋电场使电子的轨道角速度和轨道磁矩都减小，与外磁场方向相反抗磁性抗磁性是一些物质的原子中电子磁矩互相抵消，合磁矩为零。但是当受到外加磁场作用时，电子轨道运动会发生变化，而且在与外加磁场的相反方
11、向产生很小的合磁矩。 常见的抗磁物质：水、金属铜、碳(C)和大多数有机物和生物组织。抗磁物质的一个重要特点是磁化率不随温度变化。 一般含有奇数个电子的原子或分子，电子未填满壳层的原子或离子，如过渡元素、稀土元素、锕系元素，还有铝铂等金属，都属于顺磁物质。顺磁性反铁磁性原子自旋（磁矩）受交换作用而呈现有序排列的序磁材料中,如果相邻原子自旋间因受负的交换作用,自旋为反平行排列，则磁矩虽处于有序状态(称为序磁性 )，但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。这种磁有序状态称为反铁磁性。 反铁磁性1) 当当T TN 时，反铁磁性转变为顺时，反铁磁性转变为顺磁性磁性, 磁化率服从居里磁化率服从居里-外斯定律，
12、外斯定律，多数反铁磁性物质的顺磁奈尔温度多数反铁磁性物质的顺磁奈尔温度为正值，也有的为负值。为正值，也有的为负值。2) 当当TTc时，铁磁性转变为顺磁性，热骚动能破坏了分子场对原子磁矩有序取向的作用。二、自发磁化强度Ms及其与温度的关系 Weiss假设，分子场Hmf与自发磁化强度Ms成正比。式中， 为Weiss分子场系数在外场作用下，由Langevine顺磁理论： 联立求解方程1、2可得到一定H与T下的M，若令H=0,即可得到Ms，也可计算Tc。主要结论：1）在T102A m-1)剩磁大，剩磁大，磁滞回线的面积大，损耗大磁滞回线的面积大，损耗大BHHc-Hc 3.作存储记忆元件的矩磁材料作存储记忆元件的矩磁材料: 三氧化二铁或三氧化二铁或二氧化铬粉层、坡莫合金薄膜和锂锰铁氧体等。二氧化铬粉层、坡莫合金薄膜和锂锰铁氧体等。 Br=Bs ，Hc不大，磁滞回线是不大，磁滞回线是矩形。当正脉冲产生，矩形。当正脉冲产生，H Hc使使磁芯呈磁芯呈+B态，负脉冲产生，态，负脉冲产生，H0,并且 的数值较大； 是H和T的函数并与磁化历史有关；存在着临界温度居里温度（TC），当T TC时为亚铁磁性；当T TC时为顺磁性。亚铁磁性的基本特征亚铁磁性的基本特征奈尔亚铁磁性奈尔亚铁磁性“分子场分子场”理论理论
