磁性物理第一章磁学基础知识

+m l
磁偶极矩： jm ml 方向：-m指向+m
-m
单位：Wb∙m
/gnwkjdt/200909/t20090909_72692.htm
Dirac Strings and Magnetic Monopoles in the Spin Ice Dy2Ti2O7 2009, Science, 326(5951): 411-414.
单位：B：T或Wb∙m－2；
H：A/m；
M：A/m；
J： Wb∙m－2 自由真空中M=0，B与H平行，
磁体内部，B与H不一定平行，
B B
0
H
0H
J
磁学量的单位制：
使用Gauss单位制时，
B
H
4M
和 B 0 H Bi
此时，B的单位为G或Gs，H的单位为Oe，μ0=1G / Oe 4πM的单位为G，4πM为非有理化的磁化强度。
1
cos
l2 4r 2
cos2
ml
40 r 2
cos
jm cos 1 jm r 40r2 40 r3
H
jm r
40 r 3
1
40
1 r3
jm r
1 r3
jm r
1
40
jm r3
3
jm r r4
1
40
jm r3
3
jm r r5
磁化强度M和磁极化强度J： Gauss单位制中，磁极化强度（J）与磁化强度
（M）相同，单位：G
J: 1G = 4π×10-4 T M: 1G=103 A ∙ m-1
如图有：
1
r1
r
2
l 2
2
lrcosFra bibliotek21
r1
l r
cos
2
r
l 2
cos
1
r2
r
2
l 2
2
lr
cos
2
r l cos
2
磁势：
1
2
m
40r1
m
40r2
m
40
1
r
l
cos
r
1
l cos
m 1
40r
1
l
cos
1
l
1
cos
2
2
2r
2r
ml
40 r 2
第一章 磁学基础知识
教学内容：基本磁学概念、静磁能量以及磁性分类。
教学要求：深刻理解各基本磁学量的物理意义，以及 相互间的区别和联系；掌握外磁场能FH和退磁场能Fd 的概念、表达式及物理意义；理解五种磁性各自的基 本磁结构及其磁化率与温度的关系。
教学难点与重点：本章的基本磁学量是整门课程的基 石，需从概念上去领会掌握。
用环形电流描述磁偶极子：
磁矩：μ m iA 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 0μm
o 4 10－7 H m1
电子的轨道运动相当于一个恒定的电流回路，必 有一个磁矩（轨道磁矩），但自旋也会产生磁矩（自 旋磁矩），自旋磁矩是基本粒子的固有磁矩。
二、磁化强度 M (magnetization)
σ
specific magnetization
H
magnetic field
B
magnetic flux density/ magnetic induction
计算磁偶极子产生的磁场强度：
r Hdr
F dr rm
r
k
m r2
dr
km m
r 40r
H
H1
H
Hr
· r2H
2
r
r1
-m l +m
第一章 磁学基础知识
第一节 基本磁学量 第二节 磁化状态下磁体中的静磁能量 第三节 物质按磁性分类 第四节 磁性材料的磁化
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第一节 基本磁学量
一、磁矩 μm (Magnetic moment)
(仿照静电学)
永磁体总是同时出现偶数个磁极。
思考：磁体内、外部H和B的取向有无不同？
磁体无限小时，体系定义为磁偶极子
r
H沿r 方向及使θ 角增加方向的分量计算：
在球坐标系中：
er
r
e
1 r
e
1
r sin
H
er
r
jm cos 40 r 2
e
1 r
jm cos 40r 2
er
1
40
2
jm cos
r3
e
1
40
jm sin
r3
Hr
H
1
4 0
1
4
0
2 jm cos
r3
jm sin
SI制与Gauss制间的转换
B：1G=10-4T H：103A ∙ m-1的H有4πOe的值，
103/4πA ∙ m-1=79.577A ∙ m-1=1 Oe
磁矩μ：
在Gauss单位制中μ0=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 Wb∙m 1e.m.u(磁矩)＝ 10－3A ∙ m2
实际应用中，往往用电流产生磁场，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。
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 2
米处，磁场强度即为1A /m。
(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。
r3
由于矢量H沿任何方向的分量等于磁势 在该方向
上单位长度的减少率，故H沿r方向和沿 角增加方向的分
量分别是：
Hr
1
4 0
2 jm cos
r3
, H
1
4 0
jm sin
r3
0o, H
Hr
1
4 0
2
jm cos
r3
：在从－m到＋m的位 移矢量延长线上
90o , H
H
1
4 0
jm sin
r3
：在l的中垂面上
(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。
H只是一个辅助量，通常用来计算电流的磁效应，涉及磁场 与其它物理量的相互作用时，一般需要使用磁感应强度B。
2、磁感应强度B
SI制中， B 0 (H M) 0H 0M
令 Bi J 0M
则：B 0H Bi 0H J
1
Vd
μ m
M
A m2 kg-1(SI) /d
emu/g(CGS)
1A m2 kg-1 1emu/g
三、磁场强度 H 与磁感应强度 B 均为描述空间任意一点的磁场参量（矢量）
1、H ：静磁学定义 H为单位点磁荷在该处所受的磁场
力的大H小 ， 方mF向, F与 正k磁荷m在1r3该m2处所r,受其磁中场k力方4向1一0 致。
（描述宏观磁体磁性强弱程度）
单位体积的磁体内，所有磁偶极矩 jm或磁
矩μm的矢量和 ，分别为：
磁极化强度： J
jm (Wb m2 )
μV
磁 化 强 度： M m (A m1)
jm
0μ m
V
J
0M
二者物理意义：描述磁体被磁化的方向与强度
比磁化强度σ:单位质量磁体内具有的磁矩矢量和。