磁学性能第一讲优秀课件

磁学性能第一讲
天然磁体(磁铁矿）：
人 造 磁 体
磁铁的磁性两端最强， 中间最弱。
磁极：磁体上磁性最强的部分。它 的位置在磁铁的两端。
将一个磁铁分割为数段，每一段 磁体上仍然有N极和S极
指南针对人类文明发展起了 很大的作用，世界上最早的指南 针是我国战国时期制造的“司 南”。我国不但是世界上最早发 明指南针的国家，而且是最早把 指南针用在航海事业上的国家。 据记载，南宋的时候，航海的人 已经用“罗盘”来指示航向了。
2）原子磁矩 轨道磁矩：电子循规运动（绕核子在s、p、d、f等轨道运动）产生的磁
矩。 大小： I与闭合环面积S的乘积。 方向:垂直于电子运动的轨迹平面，符合右手定则。 自旋磁矩：电子自旋运动产生的磁矩，方向平行于自旋轴。 电子磁矩：轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。本征磁矩 原子核自旋产生的磁矩很小（重，速度很低），约为电子磁矩的1/2000，
❖ 圆电流产生的磁矩
Mm 0iS
i：电流强度(A) S：圆电流回线包围的面积(m2) Mm方向：右手定则
❖ 一根长为l (m)，极强为m (wb)的棒 状磁铁产生的磁矩。
Mm ml
方向：由S→N极
µ0Am2与wbm为同一量纲。
静磁能
磁矩与外加磁场的作用能称为静磁能，处于 磁场中某方向的磁矩所具有的静磁能
铁磁体的形状各向异性及退磁能
铁磁体在磁场中的能量为静磁能，包括
❖ 铁磁体与外磁场的相互作用能； ❖ 铁磁体在自身退磁场中的能量，称为退
磁能。
铁磁体的形状不同，其 退磁能不同，导致磁化 形为不同，称为形状各 向异性。
退磁场
当铁磁体表面出现磁极后， 除在铁磁周围空间产生磁场外， 在铁磁体内部也产生磁场，这一 磁场与铁磁体的磁化方向相反， 起到退磁作用，称为退磁场。
UmB
磁场强度
根据产生磁场的方式，有两种表达式：
❖ 电流产生的磁场
一个每米有N匝线圈，通以电流强度为i (A)的无线 长螺线管轴线中央的磁场强度。
HNi ( A/m)
❖ 磁铁在其周围产生的磁场
极强为m1的磁极，在距离 r 处产生的磁场强度是 单位极强 (m2=1wb) 在该处所受到的作用力
H
Fm2
2.1 磁的基本性质
1.原子的磁性 1）材料磁性产生的本源
任何物质由原子组成，原子又由带正电的原子核（核子）和带负电的电 子构成。核子和电子本身都在做自旋运动，电子又沿一定轨道绕核子做循 规运动。它们的这些运动形成闭合电流，从而产生磁矩。
材料磁性的本源是：材料内部电子的循轨运动和自旋运动。 核子自旋运动哪？（约为电子磁矩的1/2000）
cos1 cos2 cos 3
E k K 0 K 1 (22 2 2 22 ) K 222 2 (6.24)
K1、K2为晶体各向异性能常数。
铁在20℃时的值约为4.2×104J/m3，钴的值 为4.1×105J/m3，镍的值为-0.34×104J/m3。
磁性基本量总结
1.磁学基本量：
磁极
➢ 一根棒状磁铁，均有两个磁极 (N极和S极)； ➢ 磁极之间有相互作用力：同性相斥，异性相吸； ➢ 当两磁极的强度为m1和m2时，且距离为r时，磁
极间的作用力为
F
k
m1m2 r2
1 k
4 0
m1 、m2 ：wb (韦伯)
0 4107 H m
H Wb A
磁矩
根据产生磁矩的方式，可有两种表
达式：
M H
χ：磁化率
磁化率与磁导率的相互关系
r0BB 0 1
µr：材料的相对磁导率。
磁感应强度B
任何物质在外磁场为H的作用下，材料中的 磁感应强度为：
B H µ：材料的绝对磁导率
或者 B0H0M
材料的磁感应强度由两部分叠加而成： ❖ 自由空间磁场 (在物质内部的外磁场)； ❖ 材料由于磁化引起的附加磁场。
1）磁场强度H：一根通有I安培(A)直流电的无限长直导线，在距导线轴线r米(m)处产生的磁
ml：电子运动状态的磁量子数 z：表示外磁场方向
B e2 m = 9 .2 7 3 1 0 2 4 J/T 或者 B 0 e2 m = 1 .1 6 5 1 0 2 9 w b m
μB：玻尔磁子，电子磁矩的最小单位。
电子自旋磁矩
电子自旋磁矩在外磁场方向上的分量恰为一个 磁尔磁子：
r：电子运动轨道半径；
mo ：电子质量；
ω：电子绕核运动的角速度； e：电子电量；
L：电子运动的轨道角动量。
me
0
e 2mo
L
电子轨道磁矩(续)
me
0
e 2mo
L
❖ 该磁矩方向垂直于电子运动轨迹平面， 并符合右手定则。
❖ 磁矩在外磁场上的投影，即电子轨道在 外磁场方向上的分量，满足量子化条件。
m e z m l B ( m l 0 , 1 , 2 , l)
k
m1 r2
( A/m)
磁化强度M
➢ 设一个宏观磁体由许多具有固有磁矩的原子 组成，当原子磁矩紊乱排列时，宏观磁体对 外不显示磁性。
➢ 在外磁场作用下当原子磁矩同向平行排列时， 宏观磁体对外显示磁性最强，这种现象称为 材料被磁化。
宏观磁体单位体积在某一方 向的磁矩称为磁化强度M。
磁化率
材料在磁场中被磁化的程度与磁场强度有关
一般可忽略。
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3. 原子本征磁矩起源
材料的磁性来源于原子磁矩。
原子磁矩包括：
➢ 电子轨道磁矩 ➢ 电子自旋磁矩 ➢ 原子核磁矩（忽略不计）
电子轨道磁矩
电子绕原子核运动，犹如一环形电流，此环 流在其运动中心处产生磁矩，称为电子轨道磁矩。
m e0 iS 0 e 2 r 202 m e 0m 0 r 202 m e oL
msz =B
符号取决于电子自旋方向，与外磁场方向一 致时取为正。
乌仑贝克 (G.E.Uhlenbeck, 1900--1974) 古兹米特 (S.A.Goudsmit, 1902--1978)
原子磁矩
原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩构成了 原子固有磁矩，也称本征磁矩。 满壳层电子的原子本征磁矩为零，因为电 子对称分布，磁矩互相为零。
Hd NM
N：退磁因子与铁磁体形状有关。
❖ 退磁场与磁化强度成正比； ❖ 退磁场与铁磁体形状有关； ❖ 负号表示退磁场方向与磁化强度相反。
单位体积的退磁能
M
Ed 0 HddM 0
M 0 NMdM 1 0 NM 2
0
2
磁晶各向异性
对于立方晶体，设α、β、γ分别是磁化强度与三 个晶轴方向所成夹角的方向余弦，即