磁性材料 第1章 物质磁性概述

交变磁感应强度的峰值 交变磁场强度的峰值
（5）可逆磁导率rev：交变磁场趋于0时，Δ的极限值
rev lim （6）微分磁导率diff：起始磁曲线上任意一点的斜率H 0
diff
1 dB 0 dH
NOTE：所有磁导率都是磁场强度H的函数
第二节 物质按磁性分类
Classification of Magnetic Materials
+m
l
磁偶极矩： jm ml
方向：-m指向+m
单位：Wb∙m
-m
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：m

i A 单位：A ∙m2
二者的物理意义： 表征磁偶极子磁性强弱与方向
jm 0 m
F m1 m2 1 H ,F k r , 其中 k 3 m r 40
计算磁偶极子产生的磁场强度：
H
H1
Hdr
r

H
Hr

r
F m dr k 2 dr r m2 r
r2
-m l
H2

r r1
km m r 40 r
3. 铁磁性（Ferromagnetism)
这是人类最早发现并利用的强磁性，它的主要特征是：
0 5 1. >>0，磁化率数值很大， 10 10
2. 磁化率数值是温度和磁场的函数； 3. 存在磁性转变的特征温度——居里温度TC，温度低于居里 温度时呈铁磁性，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。 C T Tp 4. 在居里温度附近出现比热等性质的反常。 5. 磁化强度M和磁场H之间不是单值函数，存在磁滞效应。 构成这类物质的原子也有一定的磁矩，但宏观表现却完 全不同于顺磁性，解释铁磁性的成因已成为对人类智力的最 大挑战，虽然经过近100年的努力已经有了比较成功的理论， 但仍有很多问题有待后人去解决。
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； 反常抗磁性物质：Bi,Ga,Zn,Pb,磁化率与磁场、温度有关。
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：
室温以上，只有4种元素是铁磁性的。 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,
广义地说，超导体也是一种抗磁性物质，=-1 ，它的机理 完全不同，不在我们讨论之内。
见姜书p25 CGS单位制克分子磁化率
密度 原子量 ρ
-1.9 -7.2 -19.4
体积磁化率
×10-6
n

0.205 4 1.51 20.18 1.77 39.95 3.09 83.80 3.78 131.3
Kittel 书数据（2002）
o 4 10－7 H m 1
二、磁化强度 M （Magnetization）
说明：描述宏观磁体磁性强弱程度的物理量
单位体积的磁体内,所有磁偶极子的 jm或磁矩μm的矢
量和 ，分别为：
磁极化强度： J m
jmi
n i 1
V n mi 磁 化 强 度： M = i=1 V
（2）、直流环形线圈圆心：
I H 2r
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：
H nI
n：单位长度的线 圈匝数， 方向沿螺线管的 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 磁感应强度B的定义可由
第一章 磁性概述
第一节 第二节 第三节 基本磁学量 磁性材料分类 强磁材料的宏观磁性
第一节 基本磁学量
Basic Physical Quantity of Magnetism
一、磁矩m
(Magnetic Moment)
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”
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 在Guass单位制中，M 和H 都有 明确的物理意义，是基本物理 量，而B只是一个导出量
M ( ml )i
i
单位：Guass
磁场强度H 被定义为：
F H m
单位：Oe
引入磁感应强度B，使之 满足如下关系：
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。
1. 抗磁性（Diamagnetism)
这是19世纪后半叶就已经发现并研究的一类弱磁性。它的 最基本特征是磁化率为负值且绝对值很小，<0， <<1 显示抗磁质在外磁场中产生的磁化强度和磁场反向，在不均匀 的磁场中被推向磁场减小的方向，所以又称逆磁性。典型抗磁 性物质的磁化率是常数，不随温度、磁场而变化。有少数的反 常。 深入研究发现，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。在外场中显示抗 磁性的物质称作抗磁性物质。除了轨道电子的抗磁性外，传导 电子也具有一定的抗磁性，并造成反常。
B 0 ( H H ) 1 0 H
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
B i lim 0 H 0 H
一. 物质磁性的分类
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，分类是否科学取决于是否 反映了内在磁性机理上的不同。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。
B H 4 M
四、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） M M H， H 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
B 0 ( H M)
(Wb m 2 )
Jm 0 M
(A m 1 )
三、磁场强度 H 与磁感应强度 B
物理意义：均为描述空间任意一点的磁场参量（矢量）
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。
0.097 0.43 0.85 1.03 1.24
-28.0
-43
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10-6 cm3· mol-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4π，量级在10-5。
一些抗磁性金属在20℃时的克分子磁化率（CGS单位）：
安培公式得出：
d F Idl B
根据安培环路定理可定 义磁场强度 H：
导量（凡涉及到与其他物理
量的相互作用，都必须使用 B）
B H M
0
H为导出量，仅用于计算传导电流所产生的磁场，不能代表磁场强度与外界发生作用
B、Guass单位制（绝
其中磁化强度M被定义为：
顺磁性物质也很多，常见的顺磁性物质： 过渡族元素、稀土元素和锕系元素金属：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
jm 90 , H H 40 r 3
o
1
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。
常见的几种电流产生磁场的形式为： （1）、无限长载流直导线：
I H 2r
方向是切于与导线垂直的且以 导线为轴的圆周
H jm cos 1 jm cos er e 2 2 r 40 r r 40 r 1 2 jm cos 1 jm sin er e 3 40 r 40 r 3
+m
l r1 r cos 2
l r2 r cos 2
磁位势 ：
m m 1 2 . 40 r1 40 r2 ml cos ml cos 2 2 2 l 40 r 40 r 2 1 2 cos 4r jm cos jm r 1 3 2 40 r 40 r