1、1第一章第一章 磁學基礎知識磁學基礎知識 靜磁現象 材料的磁化 磁性與磁性材料的分類磁矩磁化強度M磁場強度H和磁感應強度B磁化率和磁導率退磁場靜磁能磁化曲線磁滯回線物質的磁性分類磁性材料分類21.1 1.1 靜磁現象靜磁現象電荷周圍存在電場，可以用電力線來表示電荷之間存在相互作用122q qFkr那么磁場呢？是否有和電場相似的性質呢？磁場3磁極和電流周圍都存在磁場，磁場可以用磁力線表示：磁力線特點：從從N N極出發，進入與其最鄰近的極出發，進入與其最鄰近的S S極，并形成閉合回路；極，并形成閉合回路；通常呈直線或曲線，不存在呈直角拐彎的磁力線；通常呈直線或曲線，不存在呈直角拐彎的磁力線；任意二

2、條同向磁力線之間相互排斥，因此不存在相交的磁力線；任意二條同向磁力線之間相互排斥，因此不存在相交的磁力線；4如果一個小磁體能夠用無限小的電流回路如果一個小磁體能夠用無限小的電流回路來表示，我們就稱為來表示，我們就稱為磁偶極子磁偶極子。用磁偶極。用磁偶極矩矩jm表示：表示：磁偶極子和磁矩與磁偶極子等效的平面回路的電流和回路與磁偶極子等效的平面回路的電流和回路面積的乘積定義為面積的乘積定義為磁矩磁矩，用，用m表示：表示：jm=mlm=iS i+m-mliSm 磁偶極矩和磁矩具有相同的物理意義，存在關系：磁偶極矩和磁矩具有相同的物理意義，存在關系：jm=0m ，o=410-7Hm-1 ，真空磁導率，

3、真空磁導率m為磁極強度5磁化強度M定義單位體積磁體內磁偶極子具有的磁偶極矩矢量和稱為定義單位體積磁體內磁偶極子具有的磁偶極矩矢量和稱為磁極化強度磁極化強度，用，用Jm 表示；表示； 單位體積磁體內磁偶極子具有的磁矩矢量和稱為單位體積磁體內磁偶極子具有的磁矩矢量和稱為磁化強度磁化強度，用用M表示。表示。2mmjJW b mV1mMAmVJ m和和M亦有如下關系：亦有如下關系： Jm=0M 6磁化強度可以看成是磁偶極子的集合磁化強度又可以看成是閉合電流環的集合7磁場強度H和磁感應強度B磁場中的磁極會受到力的作用，表示為： F=m H， m為磁極強度定義磁場強度H：單位強度的磁場等于單位磁極受到1牛

4、頓的力。 在更多場合，確定場效應的量是磁感應強度B（磁通密度）。在SI單位制中，B的定義為： B o（HM） T or Wbm2 8應用中常用電流來產生磁場，有以下三種形式： 無限長載流直導線的磁場強度 HI/2pr 載流環行線圈圓心的磁場強度 HI/2r 無限長載流螺線管的磁場強度 Hn I各種物理量之間的關系？各種物理量之間的關系？9磁化強度磁化強度M和磁場強度和磁場強度H存在如下關系：存在如下關系： Mc c H 或或 c cM/Hc c稱為磁體的稱為磁體的磁化率，磁化率，表征磁體磁性強弱的參量表征磁體磁性強弱的參量。由此由此 B= 0 0(H+c H)(H+c H)0 0(1+c)H

5、(1+c)H 定義定義 （1 1c c）為相對磁導率，即為相對磁導率，即 B/ / 0 0 H。 磁導磁導率率是表征磁體的磁性、導磁性及磁化難易程度的磁學是表征磁體的磁性、導磁性及磁化難易程度的磁學量。量。磁化率和磁導率10在不同的磁化條件下，磁導率被分為以下四種： (1)起始磁導率 ： (2)最大磁導率： (3)增量磁導率： (4)可逆磁導率：001limiHBHmax0max1BH01BH0limrevHBHmaxiH0B11退磁場材料被磁化時，兩端的自由磁極會產材料被磁化時，兩端的自由磁極會產生與磁化反方向的磁場，即生與磁化反方向的磁場，即退磁場退磁場dHNM ，N為退磁因子為退磁因子僅

6、與材料形狀有關僅與材料形狀有關只有具有高對稱性的簡單體可以求出只有具有高對稱性的簡單體可以求出N的大小：的大小：球形體球形體N=1/3細細長長圓圓柱柱體體N=1/2無限大平板無限大平板N=1MHd12旋轉橢球形狀樣品的磁化旋轉橢球形狀樣品的磁化是均勻的是均勻的，我們選取坐標系與橢球的主軸重合，則退磁場的三個分量可以表示為：()()()dxxxdyyydzzzHN MHN MHN M 1xyzNNN+在在CGS單位值中單位值中4abcNNNp+13旋轉橢球的極限情況：旋轉橢球的極限情況：13abcabcNNN1,20abcabcNNN,01abca bcNNN14靜磁能磁場中的磁體受到力的作用，

7、力矩為：磁場中的磁體受到力的作用，力矩為：sinsinLFlmlH具有的能量密度為：具有的能量密度為：0cosHFMH +m-mHF=mHF=mHl高能量態高能量態HF=mHF=mH+m-m低能量態低能量態15 顯然，磁性體在磁化過程中，也將受到自身退磁場的作用，產生退磁場能退磁場能，它是在磁化強度逐步增加的過程中外界做功逐步積累起來的，單位體積單位體積內000ddJMdddFHJHM 對于均勻材料制成的磁體，容易得出;20001d2MdFNM MNMN 是磁化方向的退磁因子。對于非球形樣品，沿不同方向磁化時退磁場能大小不同，這種由形狀造成的退磁場能隨磁化方向的變化，通常也稱形狀各向異性能形狀

8、各向異性能。退磁能的存在是自退磁能的存在是自發磁化后的強磁體出現磁疇的主要原因。發磁化后的強磁體出現磁疇的主要原因。16()()()()20220202/14/16/1zdyxddMFMMFMF+薄圓板片：細長圓柱體：球體：()()+對橢球體：1212220zyxzzyyxxdzzyyxxdNNNMNMNMNFkMNjMNiMNH適用條件：磁體內部均勻一致，磁化均勻。適用條件：磁體內部均勻一致，磁化均勻。171.2. 1.2. 材料的磁化材料的磁化表示磁場強度H與所感生的B或M之間的關系O點：H0、B0、M0，磁中性或原始退磁狀態OA段：近似線性，起始磁化階段AB段：較陡峭，表明急劇磁化HHm

9、后，M逐漸趨于一定值MS（飽和磁化強度），而B則仍不斷增大(原因?)由BH（MH）曲線可求出或 磁化曲線18 磁化曲線是磁化曲線是反映材料特性的基本曲線，從中可以得到標志材料的參量：飽和磁化強度Ms、起始磁化率c ca 和最大磁化率c cm。sMMs可以理解為該溫度下的自發磁化強度M0抗磁性物質磁化曲線抗磁性物質磁化曲線順磁性物質磁化曲線順磁性物質磁化曲線19磁滯回線Br，Mr表示剩磁M=0時的矯頑力，稱為內稟矯頑力B=0時的矯頑力，稱為磁感矯頑力矯頑力是表征材料在磁化以后保持磁化狀態的能力將BHC81038105 Am-1的材料稱為硬磁材料硬磁材料；介于12104 A m-1之間的為半硬磁材

10、料20不同的回線形狀反映不同的回線形狀反映了不同的磁性質，有了不同的磁性質，有著不同的應用。著不同的應用。21退磁曲線退磁曲線上每一點的B和H的乘積(BH)為磁能積，表征永磁材料中能量大小的物理量。(BH)的最大值為最大磁能積(BH) max2200,0maxmax01lim1()aHHBHBH從磁感應強度磁場曲線上得到： 起始磁導率起始磁導率 最大磁導率最大磁導率0()BMH+23矯頑力Hc是表征材料在磁化后保持磁化狀態的能力。 H從正的最大到負的最大，再回到正的最大時，BH或MH形成一封閉的曲線磁滯回線。（磁材的重要特性之一) 磁滯回線的第二象限為退磁曲線（依據此考察硬磁材料性能）,(BH

11、)為磁能積，表征永磁材料中能量大小。 (BH)max 是永磁的重要特性參數之一。24退磁場對樣品磁性能的影響是明顯的：退磁場對樣品磁性能的影響是明顯的：有退磁場是曲線傾斜 所有材料性能表給出的磁導率等數值都是針對所有材料性能表給出的磁導率等數值都是針對有效磁場有效磁場的數值的數值，材料性能的實際測量中必須盡量克服退磁場的影響。252627 為了方便研究物質磁性的起因，我們可以按其在磁場中的表現把物質進行分類， 例如依據磁化率的正負、大小依據磁化率的正負、大小及其與溫度的關系來進行分類及其與溫度的關系來進行分類，分類是否科學取決于是否反映了內在磁性機理上的不同。隨著研究的深入，分類也在不斷完善和

12、細化，到上個世紀 70 年代為止，在晶狀固在晶狀固體里，共發現了五種主要類型的磁結構物質體里，共發現了五種主要類型的磁結構物質，它們的形成機理和宏觀特征各不相同，對它們的成功解釋形成了今天對它們的成功解釋形成了今天的磁性物理學核心內容。的磁性物理學核心內容。 上世紀 70 年代以后，隨著非晶材料非晶材料和納米材料納米材料的興起，又發現了一些新的磁性類型，對它們的研究尚在深化之中，課程只做初步介紹。一一. . 物質的磁性分類物質的磁性分類1.3 1.3 磁性和磁性材料分類磁性和磁性材料分類28 按磁化率的大小，可將物質磁性分為五個種類：抗磁性 普遍性 且絕對值也很小順磁性 遵守居里-外斯定律：反

13、鐵磁性 存在奈爾溫度鐵磁性 絕對值很大，存在亞鐵磁性 絕對值比鐵磁體稍低， 但磁結構卻不同0dc0PPCTTcNT0fcCT0mc物質的磁性分類29 這是19世紀后半葉就已經發現并研究的一類弱磁性。它的最基本特征是磁化率為負值且絕對值很小最基本特征是磁化率為負值且絕對值很小，c c0， c c 1 顯示抗磁質在外磁場中產生的磁化強度與磁場反向，在不均勻的磁場中被推向磁場減小的方向，所以又稱逆磁性。逆磁性。典型抗磁性物質的磁化率是常數，不隨溫度、磁場而變化磁化率是常數，不隨溫度、磁場而變化。有少數的反常。 深入研究發現，典型抗磁性是軌道電子軌道電子在外磁場中受到電磁作用而產生的，因而所有物質都具

14、有的一定的抗磁性，但只是在構成原子（離子）或分子的磁距為零，不存在其它磁性的構成原子（離子）或分子的磁距為零，不存在其它磁性的物質中，物質中， 才會在外磁場中才會在外磁場中顯示出顯示出這種抗磁性。這種抗磁性。在外場中顯示抗磁性的物質稱作抗磁性物質。除了軌道電子的抗磁性外，傳導傳導電子電子也具有一定的抗磁性，并造成反常。 1. 1. 抗磁性（抗磁性（Diamagnetism)Diamagnetism)30抗磁性抗磁性 物質的抗磁性是一些物質的原子中電子磁矩物質的抗磁性是一些物質的原子中電子磁矩互相抵消，合磁矩為零。但是當受到互相抵消，合磁矩為零。但是當受到外加磁場外加磁場作用時，電子軌道運動會發

15、生變化，而且在與作用時，電子軌道運動會發生變化，而且在與外加磁場的相反方向產生很小的合磁矩外加磁場的相反方向產生很小的合磁矩。這樣。這樣表示物質磁性的磁化率便成為很小的負數表示物質磁性的磁化率便成為很小的負數( (量量) )。31 自然界中很多物質都是抗磁性物質：周期表中三分之一的元素、絕大多數的有機材料和生物材料都是抗磁性物質。包括： 稀有氣體：He,Ne.Ar,Kr,Xe 多數非金屬和少數金屬少數金屬：Si,Ge,S,P, Cu,Ag,Au, 不含過渡族元素的離子晶體：NaCl,KBr, 不含過渡族元素的共價鍵化合物：H2,CO2,CH4 等 幾乎所有的有機化合物和生物組織： 水；反常抗磁

16、性物質：Bi,Ga,Zn,Pb,磁化率與磁場、溫度有關。 廣義地說，超導體也是一種抗磁性物質，c=-1 ，它的機理完全不同，不在我們討論之內。32見馮索夫斯基現代磁學(1953) p74一些抗磁性金屬在20時的分子磁化率分子磁化率（CGS單位）：6(10 )6(10 )33 這是19世紀后半葉就已經發現并研究的另一類弱磁性。它的最基本特征是磁化率為正值且數值很小磁化率為正值且數值很小，0c c0，磁化率數值很大 磁化率數值是溫度和磁場的函數； 存在磁性轉變的特征溫度居里溫度TC，溫度低于居里溫度時呈鐵磁性，高于居里溫度時表現為順磁性，其磁化率溫度關系服從居里-外斯定律。 在居里溫度附近出現比熱

17、等性質的反常。2. 磁化強度M和磁場H之間不是單值函數，存在磁滯效應。 構成這類物質的原子也有一定的磁矩有一定的磁矩，但宏觀表現卻完全不同于順磁性，解釋鐵磁性的成因已成為對人類智力的最大挑戰，雖然經過近100年的努力已經有了比較成功的理論，但仍有很多問題有待后人去解決。 pCTTc4 4. . 鐵磁性（鐵磁性（Ferromagnetism)Ferromagnetism)41 即使無外加磁場，磁矩也按即使無外加磁場，磁矩也按同一方向整齊排列，這種性質稱同一方向整齊排列，這種性質稱為為鐵磁性鐵磁性，具有鐵磁性的物質稱，具有鐵磁性的物質稱為為鐵磁體鐵磁體。 鐵磁體在室溫下磁化率為鐵磁體在室溫下磁化率

18、為1 110105 5數量級，屬于強磁性物質，數量級，屬于強磁性物質，如鐵、鈷、鎳等。如鐵、鈷、鎳等。 即使在較弱的磁場內，鐵磁即使在較弱的磁場內，鐵磁體也可得到極高的磁化強度，而體也可得到極高的磁化強度，而且當外磁場移去后，仍可保留極且當外磁場移去后，仍可保留極強的磁性。強的磁性。鐵磁性鐵磁性磁矩的排列與磁性的關系磁矩的排列與磁性的關系 鐵磁性鐵磁性c cm= 10 106磁場磁場 42表現為鐵磁性的元素物質只有以下幾種： 一些過渡族元素和稀土元素金屬： 但以上面元素為主構成的鐵磁性合金和化合物是很多的，它們構成了磁性材料的主體，在技術上有著重要作用，例如： Fe-Ni, Fe-Si, Fe

19、-Co, AlNiCo, CrO2, EuO, GdCl3,室溫以上，只有室溫以上，只有4種元素是鐵磁性的。種元素是鐵磁性的。43見Kittel 固體物理學8版p227，姜書p52也有此數據，稍有差別。44 人類最早發現和利用的強磁性物質天然磁石Fe3O4就是亞鐵磁性物質，上世紀3040年代開始在此基礎上人工合成了一些具有亞鐵磁性的氧化物，但其宏觀磁性質和鐵磁物質相似，很長時間以來，人們并未意識到它的特殊性，1948 年 Neel在反鐵磁理論的基礎上創建了亞鐵磁性理論后，人們才認識到這類物質的特殊性，在磁結構磁結構的本質上它和反鐵反鐵磁磁物質相似，但宏觀表現宏觀表現上卻更接近于鐵磁鐵磁物質。對

20、這類材料的研究和利用克服了金屬鐵磁材料電阻率低的缺點，極大地推動了磁性材料在高頻和微波領域中的應用，成為今日磁性材料用于信息技術的主體。 強磁！強磁！5. 5. 亞鐵磁性（亞鐵磁性（Ferrimagnetism)Ferrimagnetism)45磁化率倒數和溫度關系飽和磁化強度溫度關系 亞鐵磁物質的磁化率和磁化強度一般比鐵磁物質低，但其電阻率一般要高的多。鐵磁性和亞鐵磁性的宏觀區別鐵磁性和亞鐵磁性的宏觀區別46 亞鐵磁物質主要是一些人工合成的含過渡族過渡族元素和稀土稀土元素的某些特定結構的氧化物，例如：尖晶石結構：Fe3O4, MnFe2O4, CoFe2O4石榴石結構：A3Fe5O12, (

21、A=Y,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Yb )磁鉛石結構：BaFe12O19, PbFe12O19, SrFe12O19,鈣鈦礦結構：LaFeO3,47HexeWABWAAWBBABWiiWiiWijBA（a）抗磁性（b）順磁性（c）反鐵磁性（d）鐵磁性（e）亞鐵磁性五種磁性材料的基本磁結構4849BAIB m 磁矩磁矩50Liquid oxygenStrong magnetDewarNS順磁質順磁質51為什么鋁片不能為什么鋁片不能被磁鐵吸起來被磁鐵吸起來？52 1. 把晶體中的磁性歸為五類歸為五類并分析出它們的起因是人類對物質磁性認識的一次飛躍物質磁性認識的一次飛躍，1950年前后出版了第一

22、批以解釋五種磁性起因為主的現代磁學理論專著，標志著磁學成為一個獨立完整的學科。它極大地推動了20世紀后半葉磁性材料的基礎研究和開發利用。50年后的今天，我們不但對上述五種磁性有了更深入的認識，而且發現了一些新的磁結構新的磁結構。 2. 嚴格說來上面的分類是針對物質磁性質進行的，同一物質在不同的溫度區域可以呈現出不同的磁類型不同的溫度區域可以呈現出不同的磁類型，而且與其晶體結構有密切關系：例如室溫附近的金屬鐵為鐵磁性，超過居里溫度（1040K）后變為順磁性，它受到高于1.51010Pa的高壓時，其結構從bcc變為hcp,磁性變為非鐵磁性。我們只可以說常溫常壓下鐵是鐵磁性物質。 小結小結53 上面

23、幾種磁有序結構，都是共線的，或平行，或反平行。20世紀70年代后，主要在稀土金屬和合金里發現了一些非共線結構，在微粉和納米磁性材料里，在非晶材料里，也都發現了一些新的結構類型，它們極大地豐富了我們對物質磁性的認識。54 20世紀70年代后，隨著稀土元素的研究和觀測技術的提高，人們又在晶狀材料中發現了很多非共線的磁結構非共線的磁結構，即在這些材料的不同原子層中的原子磁矩或在原子層平面內、或在與原子平面成一定角度的錐面內，以一定的旋轉角度做螺以一定的旋轉角度做螺旋式排列旋式排列（見下頁圖）產生平面螺旋磁性或錐面螺旋磁性，通稱螺旋型磁結構。雖然在磁性結構上，它和鐵磁性、反鐵磁性有所不同，但其宏觀表現

24、上是相似的。例如：Gd：T 221K, 是平面型簡單鐵磁性。 221K T 228K，是平面型螺旋反鐵磁性。6. 6. 螺旋型磁結構螺旋型磁結構(Helimagnetism)(Helimagnetism)55姜書姜書p11556 當鐵磁顆粒減小到臨界尺寸以下(110 nm)，微粒的各向異性能遠小于熱運動能量，微粒的磁化矢量不再有確定的方向時，鐵磁粒子的行為類似于順磁性一樣。這些磁性顆粒系統的總磁性叫做超順磁性超順磁性。普通順磁性是具有固有磁矩的原子或分子在外磁場中的取向，而超順磁性是均勻磁化的單超順磁性是均勻磁化的單疇粒子的原本無序取向的磁化矢量在外磁場中的取向。每疇粒子的原本無序取向的磁化矢

25、量在外磁場中的取向。每個單疇粒子包含較大數目的原子所以有大得多的磁矩。個單疇粒子包含較大數目的原子所以有大得多的磁矩。7. 7. 超順磁性（超順磁性（SuperparamagnetismSuperparamagnetism）Superpara-:High MS, no MR;Para- ?57 這是在某些非晶材料非晶材料中發現的一種磁結構，由于非晶材料中原子磁矩間的間距有一定分布，從而使得原子磁矩不再有一致的排列，而是有了一定的分散排列，這種雖然分散但仍有序的磁矩排列稱作散磁性，按其基本趨向又可以細分為散鐵磁性、散反鐵磁性和散亞鐵磁性。8. 8. 散磁性散磁性5859 在抗磁性基體中摻入磁性原子，隨濃度的逐漸增加,會出現各種磁性現象：近藤效應近藤效應 自旋玻璃態自旋玻璃態 混磁性混磁性 不均勻鐵磁性不均勻鐵磁性9. 9. 其它其它60李國棟書李國棟書p1761物質磁