磁性物理学第一章 物质磁性概述-磁性物理

（3）、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：G
J： 1G4104T
M：1G103Am1
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）
MH，M
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
M (ml)i 单位：Guass
i
wk.baidu.com
磁场强度H被定义为：
HF m
单位：Oe
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
引入磁感应强度B，使之 满足如下关系：
B H 4 M
附一：两种观点的比较（即两种单位制的比较） 1、两种单位制对磁学量的定义来源于两种不同的观点；
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：
反常抗磁性物质：Bi,Ga,Zn,Pb,磁化率与磁场、温度有关。
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
体积磁化率
密度 原子量 ×10-6
ρn
-1.9
0.205 4
0.097
-7.2
1.51 20.18 0.43
-19.4
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。
H m F ,F k m 1 r 3 m 2r,其 中 k 4 1 0
计算磁偶极子产生的磁场强度：
H
H1
r H dr
H
Hr
F
m
dr r m2
r k r2 dr
km m
r 4 0r
r H2
2r
r1
-m
l +m
diff
1
0
dB 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
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。
r1
r
l 2
cos
r2
r
l cos
2
磁位势 ：
1
2
m 4 0 r1
m 4 0 r2
.
ml 40r 2
1
cos
l2 4r 2
cos2
ml 40r 2
cos
jm cos 40r 2
1
4 0
jm r r3
H
er
r
jm cos 40r 2
e
1 r
jm cos 40r 2
2、在SI单位制中（依据于分子电流观点），磁场用磁感应
强度B来描述，而磁场强度H只是一个导出量，它存在的惟
一含义就是满足 H dl I0
(L)
(Linside）
3、在Guass单位制中（依据于磁偶极子观点），磁场用磁场
强度H描述，它是电流和磁性体所产生的磁场强度的矢量和，
而磁感应强度B只是一个引入的辅助量，仅在于满足方程
率温度关系服从居里-外斯定律。
C
4. 在居里温度附近出现比热等性质的反常。
T Tp
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。
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,
1.77 39.95 0.85
-28.0
3.09 83.80 1.03
-43
3.78 131.3 1.24
Kittel 书数据（2002）
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。
（3）、无限长直流螺线管：
HnI
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 导量（凡涉及到与其他物理 量的相互作用，都必须使用 B）
磁感应强度B的定义可由 安培公式得出：
d F Id l B
根据安培环路定理可定 义磁场强度H：
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 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
其中磁化强度M被定义为：
见Kittel 固体物理学8版p227，姜书p52也有此数据，稍有差别。
4. 反反铁铁磁性磁（性A是nt1if9e3rr6o年ma首gn先et由ism法) 国科学家Neel从理论上预言、 1938年发现，1949年被中子实验证实的，它的基本特征是存在 一个磁性转变温度，在此点磁化率温度关系出现峰值。
max
1
0
B
H
max
（3）复数磁导率：磁体在交变磁场中磁化
'i 动态磁化中经常遇到
（4）增量磁导率Δ：在稳恒磁场H0作用下，叠加一个较小的交变磁场
1
0
B H
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
revlim H0
（6）微分磁导率diff：起始磁化曲线上任意一点的斜率
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。
C T
C 或：= C
TTp
TTp
C 称作居里常数， Tp 称作居里顺磁温度
服从居里-外斯定律的物质都是在某一个温度之上才显示顺磁 性，这个温度之下，表现为其它性质。
典型顺磁性物质的基本特点是含有具有未满壳层的原子 （或离子），具有一定的磁矩，是无规分布的原子磁矩在外磁 场中的取向产生了顺磁性。此外，传导电子也具有一定的顺磁 性。
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；
FeO, MnO, NiO, CoO, Cr2O3, FeCl2, FeF2, MnF2, FeS, MnS
1
er 40
2 jm cos
r3
e
1
4 0
jm sin
r3
H沿r 方向及使θ 角增加方 向的分量计算：
Hr H
1
4 0
1
4
0
2
jm jm
cos
r3
sin
r3
0o , H
Hr
1
40
2 jm r3
90o , H H
1
40
jm r3
：在从－m到＋m的位移 矢量延长线上
：在l的中垂面上
第一章 磁性概述
第一节 基本磁学量 第二节 磁性材料分类 第三节 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”
弱磁！
文献中也常绘成磁化率倒数和温度关系： （见应用磁学P9）
1磁
化 率
表
现
复
杂
Tp
TC
T (K )
铁磁性 TpTC
低温下表现为反铁磁性的物质，超过磁性转变温度
（一般称作Neel温度）后变为顺磁性的，其磁化率温度关
系服从居里-外斯定律： 注意与铁磁性的区别！
= C T Tp
反铁磁物质主要是一些过渡族元素的氧化物、卤化物、 硫化物， 如：
基础。
附二：SI单位制和Gauss单位制的转换
（1）、B：1 G = 10-4 T H：103A/m的H有4π Oe的值， 103/4π A/m=79.577A/m=1 Oe
（2）、磁矩：
在Gauss单位制中0=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 ×10-10 Wbm 1e.m.u (磁矩)＝ 10-3 Am2
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。
O2,有机物中的双自由基等
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：
1. >>0，磁化率数值很大， 100 105
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
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：
H I 2r
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：
H I 2r
r为环形圆圈半径， 方向由右 手螺旋法则确定。
一些抗磁性金属在20℃时的克分子磁化率（CGS单位）：
(1 0 6 )
(1 0 6 )
见冯索夫斯基《现代磁学》(1953) p74
2. 顺这磁是性1（9世Pa纪ra后ma半gn叶et就ism已）经发现并研究的另一类弱磁性。 它的最基本特征是磁化率为正值且数值很小，0<<<1。
顺磁性物质的磁化率是温度的函数，服从居里定律或居里外斯（Curie-Waiss)定律。
B0(HM) B0(HH)10H
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
i
1
0
lim
H 0
B H
弱磁场下使用的磁体
（2）最大磁导率max：材料磁化过程中的最大值
+m l -m
磁偶极矩：jm ml
方向：-m指向+m
单位：Wb∙m
比磁化强度σ（单位质量磁体内具有的磁矩矢量和）
1n
Vi 1
m iM (A m 2k g -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
divB = 0。
从物理的角度来看到底哪一种观点更加合理、更加接近于 物质磁性起源的真实情况呢？
从目前来看，视乎分 子电流的观点更接近
于真实情况
a、电子的轨道磁矩来自电子的 轨道电流，支持分子电流的观
点； b、狄拉克(Dirac)虽然从理论上 预言了“磁单极”的存在，但 至今没有发现“磁单极”，使 磁偶极子的概念失去了存在的