第四章材料的磁学性能.

磁性材料的分类
–软磁材料 –硬磁材料
5.1基本磁学概念
物质的磁性来源：电子的运动以及原子、电子内部的永 久磁矩。

磁矩
“磁”来源于“电”。 – 任何一个封闭的电流都具有磁矩μm。 – 磁矩定义为 m ISn – 式中： μ m为载流线圈的磁矩，n为线圈平面的 法线方向上的单位矢量，S为线圈的面积，I为 线圈通过的电流。单位为A· m2 磁偶极子产生的偶极矩为jm ，
B H 4M
这里， B 的单位为高斯 G ，磁场强度 H 的单位为奥 斯特Oe。磁性常数（真空磁导率）为1，单位是G/ Oe M是磁极密度，4πM 是磁通线的密度。 1G＝10－4T；1Oe＝103/4π=79.577A/m 1e.m.u(磁矩）＝10－3Am2
磁导率
绝对磁导率 µ 相对磁导率 µ r= µ /µ 0 起始磁导率 µ i （H接近于0） 复数磁导率 µ
原子内的电子运动服从量子力学规律，由电子轨道运动 产生的动量矩应由角动量来代替，角动量是量子化的。
当电子运动状态的主量子数为n时，角动量由角量子数l 来确定，角动量pl的绝对值为：
pl l (l 1)
l的可能值为： l 0,1,2,, n 1
h 2
h为普朗克常数
量子化情况下，对应于角动量的磁矩 为
N为退磁因子，Hd为退磁场
磁性起源

材料的宏观磁性来源于原子磁矩 原子磁矩的来源：
1)电子围绕原子核的轨道运动，产生一个非常小的磁场， 形成一个沿旋转轴方向的轨道磁矩； 2)每个电子本身自旋运动，产生一个沿自旋轴方向的自 旋磁矩； 3）原子核磁矩。 原子核磁矩的值很小，一般可以忽略不计。
电子轨道磁矩
角动量和磁矩在空间都是量子化的，它们在外磁场 方向的分量不连续，只能有一组确定的间断值，这些 间断值取决于磁量子数ml，
( pl ) H ml
l 0,1,2,, n 1
( l ) H ml B
共n个可能值 共2l＋1个可能值
ml 0,1,2,,l
l l pl
M

m
V
M的大小与外磁场强度成正比
B 0(M H ) 0 rH
M H ( r 1) H
χ叫做磁化率，仅与磁介质 性质有关，反映材料磁化的 能力，也是无量纲参数
磁学单位

除了SI单位制以外，还有一种高斯（Gauss） 单位制，当使用高斯单位制时，磁感应强度 的表达式为
e l 2me
此处γ l为轨道磁力比
电子自旋磁矩
证明电子具有自旋的实验由斯特恩-盖拉赫 （Stern-Gerlah）作出。 电子自旋角动量取决于自旋量子数s，
第五章 材料的磁学性能
纳米磁硫体 磁流体密封
稀土永磁材料：钕铁硼合金
学习内容
掌握材料磁性本质，熟悉磁畴，磁滞回 线，磁导率等概念。 熟悉表征材料磁学性能的物理量的公式 表达及物理意义， 熟悉铁磁体及磁滞回线。
了解磁记录材料，磁储存材料，硬软磁材料 及其应用。
磁性材料

磁性材料包含
– 金属基材料 – 无机材料(含铁及其他元素的复合氧化物，通常称 为铁氧体) – 纳米材料（纳米材料的磁性有其特殊性）
–
jm ml
单位为Wb· m

在均匀磁场中,磁矩受到磁场作用的力矩JF
J F m B
J 为矢量积,B为磁感应强度,其单位为Wb/m2 ,Wb (韦伯) 是磁通量的单位。
F
磁矩在磁场中所受的力 ,对于一维为：
dB FX＝ m dx
磁矩的意义


表征磁偶极子磁性强弱和方向的一个物理量。 磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量。 磁矩愈大,磁性愈强,即物体在磁场中所受的力 也大。 磁矩只与物体本身有关,与外磁场无关。 和磁偶极矩具有相同的物理意义，但μm和jm 各有自己的单位和数值，有如下关系
其值: 4π×10-7 单位: H（亨利）/m。
对于一般磁介质,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,各磁矩有规则地取向,使磁介质宏观 显示磁性,这就叫磁化。
磁化强度M
磁化强度M 在外磁场H的作用下，磁体被磁化的方向和强度。表征 物质被磁化的程度。其值等于单位体积材料中具有的 磁矩矢量和。

磁场强度和磁感应强度的 关系为
B H


式中的 为磁导率，是材 料的特性常数。表示材料 在单位磁场强度的外磁场 作用下，材料内部的磁通 量密度，只和介质有关， 表征磁体的磁性、导磁性 及磁化难易程度。 的单位为H/m。

在真空中，磁感应强度 为
B0 0 H

式中0为真空磁导率。 它是一个普适常数，
l l (l 1)
e 2me
令
eh B 4me
式中 B称为玻尔(Bohr)磁子，作为电子磁矩的单 位，它有确定值为9.27×10-24Am2
l l (l 1) B
当电子处于l＝0，即s态时，角动量与轨道磁矩都为零。
当l不为0时，电子轨道磁矩不是玻尔磁子的整数倍。
Χ和只有当B、H、M三个矢量互相平行时才为标量，否则，它 们为张量。
磁化状态下的磁体中的静磁能量

磁场作用能量
FH 0 M H
磁体受到外磁场作用所具有的磁场能量密度。 磁畴与技术化理论中经常用到

退磁场能量
Fd
M 0
1 0 H d dM＝ 0 NM 2 2
H＝H0+Hd
jm 0 m
磁场强度

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磁场强度H
如果磁场是由长度为l， 电流为I的圆柱状线圈 （N匝）产生的，则
NI H l
H的单位为A/m
磁感应强度
磁感应强度B 表示材料在外磁场 H的作用下在材料 内部的磁通量密度。 B的单位: T 或 Wb/m2
在许多场合，确定磁场效应 的量是磁感应强度B，而不 是磁场强度H
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磁导率 有效磁导率、永久磁导率、表观磁导率、振幅磁 导率、可逆磁导率、切变磁导率、脉冲磁导率、 最大磁导率、等等。
相对磁导率r
相对磁导率定义 材料的磁导率与真空磁导率0之比 r为无量纲的参数
r
0
磁化率χ与相对磁导率之间的关系：
r 1