08.磁学基础知识

•无论是电子技术、电力技术、通信技术、还是空间技术、计算技术、生物技术，乃至家用电器，磁学和磁性材料都是不可缺少的重要部分。•从1902年P.塞曼和H.A.洛伦兹获得诺贝尔奖，到1998年华裔的崔琦先生获诺贝尔物理学奖，至少有24次诺贝尔奖得主在磁学领域作出了杰出的贡献；•公元前2500年我国已有磁性指南——司南的记载，其开创了人类对磁学和磁性材料研究的先河；•以磁科学进行研究的创始者当数吉尔伯特，后经安培、奥斯特、法拉第等人开创性的发现和发明，初步奠定了磁学科学的基础。•从1900年到1930年，先后确立了金属电子论、顺磁性理论、分子磁场、磁畴概念、X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、电子显微镜等相关的的理论。从而形成了完整的磁学科学体系。在此后的20~30年间，出现了种类繁多的磁性材料。•我国的磁学前辈当数叶企孙（1924年从美国哈佛大学获博士学位回国）、施汝为先生（1931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究、教学和生产。引言磁性材料是电子功能材料中极其重要的一类，已成为现代工业和科学技术的支撑性材料之一；广泛应用于通信、自动化、电机、仪器仪表、广播电视、计算机、家用电器以及医疗卫生等领域，如各类变压器、电感器、滤波器、磁头和磁盘、各类磁体、换能器以及微波器件等；这类材料按其导电性差异，可分为金属和铁氧体磁性材料两大类；按其磁性能差异，又可分为软磁、永磁、旋磁、压磁以及磁光材料等类别。•应用：精密的仪器仪表；电讯、电声器件；工业设备；控制器件；其它器件。•作用原理利用永磁材料在给定的空间产生一定的磁场强度；利用永磁合金的磁滞特性产生转动矩，使电能转化为机械能。•特点充磁后，去掉外磁场后仍可保留磁性。•磁性材料是功能材料的重要分支；•磁性元器件具有转换、传递、处理信息、存储能量、节约能源等功能,•应用于能源、电信、自动控制、通讯、家用电器、生物、医疗卫生、轻工、选矿、物理探矿、军工等领域,尤其在信息技术领域已成为不可缺少的组成部分。•信息化发展的总趋势是向小、轻、薄以及多功能、数字化、智能化方向发展;要求磁性材料制造的元器件不仅大容量、小型化、高速度,而且具有可靠性、耐久性、抗振动和低成本的特点。我国磁性材料的生产在国际上占有重要的地位.其中,永磁铁氧体的产量达1.1×105ｔ,居世界首位;软磁铁氧体产量4×104ｔ,居世界前列;稀土永磁产量4300ｔ,居世界第二.根据中国工程院的专项调查和预测,我国2008年磁性材料的需求量:永磁铁氧体15×104ｔ,软磁铁氧体6×104ｔ,稀土永磁8000—10000ｔ.但是,目前我国生产的磁性材料基本上是低性能水平的材料,与世界先进水平存在较大的差距.(1)加强磁性材料的基础研究和应用基础研究.(2)改造和完善现有的磁性材料,提高其磁性能,优化制备工艺,降低生产成本.(3)发展新型的磁性材料,特别是纳米磁性材料纳米磁性材料是纳米材料中最早进入工业化生产的功能材料,应用广泛,性能优异,特别是在信息存储、处理与传输中占据重要地位,其基础研究和应用开发正方兴未艾.(4)加强研究、生产、应用三方面的结合,不断开拓磁性材料新的应用领域并促使其发展.磁性材料的研究和发展将主要集中在以下几个方面:1.1静磁现象1.2材料的磁化1.3磁性和磁性材料分类第一章磁学基础知识1.1.1磁矩a.磁铁（永磁体）：方向性：N、S极不可分离性：磁力线：磁力线切线方向为磁场方向正磁极负磁极正磁荷＋m负磁荷－mb.定义：磁体无限小时，体系定义为磁偶极子其磁偶极矩：方向：-m指向+m单位：Wb∙mljmm+m-ml1.1静磁现象1.磁偶极子2.磁矩用环形电流描述磁偶极子：其磁矩：单位：A∙m2结论：a二者的物理意义相同：表征磁偶极子磁性强弱与方向；但单位不同，公式有差异Aμim170mH104－ommμjc.电子的轨道运动相当于一个恒定的电流回路，必有一个磁矩，但自旋不能用电流回路解释，因此，最好将自旋磁矩视为基本粒子的固有磁矩。mμi（电流）Ab.方向：右手螺旋法则决定1.1.2磁化强度M磁极化强度)(2mWbVmjJ磁化强度)m(A1VmμMMJj0m0mμemu/g1kgmA1emu/g(CGS)(SI)kgmA/11-21-2dVdMmμ比饱和磁化强度均为描述空间任意一点的磁场参量（矢量）1、H：静磁学定义H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。032141,,krrmmkFmFH其中1.1.3磁场强度H与与磁感应强度B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=（1/2π）米处，磁场强度即为1A∙m－1。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，方向沿螺线管的轴线方向rIH2rIH2nIH2磁感应强度B往往确定磁场效应采用磁感应强度B，而非HSI制中，JHBHBMJBMHMHB000000,)(ii则：令自由真空中，B与H平行，磁体内部，B与H不一定平行，JHB0单位：B：T或Wb∙m－2；H：A/m；M：A/m；J：Wb∙m－2真空中，M＝0当H＝107/4πA∙m－1时，B＝1THB0磁学量的单位制：使用Gauss单位制时，此时，B的单位为Gs，H的单位为Oe，μ0=1G/Oe式中M为磁极密度单位为Gs，4πM为磁通线的密度。SI制与Gauss制间的转换B：1G=10-4TH：103A∙m-1＝4πOe，103/4πA∙m-1=79.577A∙m-1=1OeMHB4iBHB0和磁矩：在Gauss单位制中μ0=1G/Oe，则磁偶极矩与磁矩无差别，通称为磁矩，单位为电磁单位（e.m.u）1e.m.u(磁偶极矩)＝4π×10－10Wb∙m1e.m.u(磁矩)＝10－3A∙m2磁化强度：Gauss单位制中，磁极化强度（J）与磁化强度（M）相同，单位：G134A10G1T104G1m：：MJ1.1.4磁化率与磁导率磁体置于外磁场中磁化强度M将发生磁化。HMHM，其中χ称为磁体的磁化率，是单位磁场在磁体内感生的磁化强度，表征磁体磁化难易程度HHHBM)HB0001)((令：μ＝（1＋χ)＝B/μ0H(相对磁导率)表征磁体磁性、导磁性及磁化难易程度。单位：T∙m/A或H/mSI制中,绝对磁导率：μ绝对＝B/H∴μ＝μ绝对/μ0注意：只有B、H、M相互平行时，χμ为标量，否则为张量。磁导率的不同定义：1、初始磁导率iHBHilim001是磁中性状态（H＝0，M＝0）下磁导率的极限值，在弱场下使用时，μi是一重要参数2、最大磁导率μmaxmax0max1HB表征单位H在磁体中感生出最大B的能力。一般而言磁性体的磁导率就是指这个参数。3、振幅磁导率磁体在交变磁场（无直流磁场）中被磁化时，在一定振幅的磁场下，其磁感应强度也有一定振幅：aaaHB01它是(H或B)的振幅的函数，其最大值称为最大振幅磁导率。4、增量磁导率μΔ指磁体受直流电磁场H0作用，在H0上再叠加一个较小的交变磁场，此时磁体对于交变磁场的磁导率即为μΔ。HB01aBa5、可逆磁导率μrevlim0Hrev原因是在交变场作用下，B、H间有相位差。所有磁导率的值都是H的函数：6、复数磁导率'''~idiffmaxrevoH1、退磁场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。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，只与磁体几何形状和尺寸有关。非均匀磁化时还与磁性体磁导率有关。1.1.5退磁能Hd=-NM2、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：1cbaNNN由此可求出：球体：N=1/3细长圆柱体：Na=Nb=1/2,Nc=0薄圆板体：Na=Nb=0,Nc=1abcXYZ3、退磁场能量指磁体在它自身的Hd中所具有的能量20000021NMMNMMHFMMdddd适用条件：磁体内部均匀一致，磁化均匀。形状不同或沿不同的方向磁化时，Fd也不同，这种因形状不同而引起的能量各向异性的特征——形状各向异性。即：Fd是形状各向异性能量。20220202/14/16/1zdyxddMFMMFMF薄圆板片：细长圆柱体：球体：12/12220zyxzzyyxxdzzyyxxdNNNMNMNMNFkMNjMNiMNH对椭球体：一、外磁场能HmJ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：+mF’=-mHF＝mH-mlH1.1.5静磁能sinsinsin2sin2mlHlFlFlF'L负号表示力矩沿顺时针方向（逆时针方向为正）θ=00，L最小，处于稳定状态θ≠0，L≠0，不稳定，会使磁体转到与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：HjmccmlHdmlHLdWu)0(,cossin取∴单位体积中磁位能（即磁场能量密度）)J/m(cos300MHVVHMHJHjuFmθ＝0，FH最小θ＝180o，FH最大磁性材料对外加磁场有明显的响应特征，状态随外加磁场强度而变化，可用磁化曲线与磁滞回线表征。1.2.1磁化曲线表示磁场强度H与所感生的B或M之间的关系B—H关系：工程技术中应用M—H关系：磁性物理学中常用可通过环形磁材样品测出：初级线圈N1接DC电路，次级线圈N2接电子磁通计。当N1通DC时，磁环内部产生磁场，此环形样品被磁化，由磁通计反映出B的变化，由此可作出B—H曲线，也可由B＝μ0(H+M)画出μ0M－H曲线。（如图）1.2材料的磁化B(μ0M)][1mAH铝钴镍的两种磁化曲线MBOABsMmHO点：H＝0、B＝0、M＝0，磁中性和原始退磁状态OA段：近似线性，起始磁化阶段AB段：较陡峭，表明急剧磁化结论：1.两曲线机理一样；2.HHm时，二曲线基本重合，均急剧增大。3.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；4.由B－H（M－H）曲线可求出μ或χ；5.饱和后再磁化无意义。1.2.2磁滞回线从饱和磁化状态开始，再使磁化场减小，B或M不再沿原始曲线返回。当H＝0时，仍有一定的剩磁Br或Mr。HBOF为使B（M）趋于零，需反向加一磁场，此时H=Hc称为矫顽力。分为：BHC：使B＝0的Hc。（工程技术上所指）MHC：M＝0时的Hc（内禀矫顽力）一般|BHC||MHC|1.矫顽力HcHc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：之间～介于mAmAmABB/1010/108~108/108~10853532CCHH: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，B—H或M—H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（依据此考察硬磁材料性能）,(BH)为磁能积，表征永磁材料中能量大小。(BH)max是永磁的重要特性参数之一。2.磁滞回线BBr