物质磁性基本概念学习教案.pptx

会计学1物质物质(wzh)磁性基本概念磁性基本概念第一页，共39页。用环形(hun xn)电流描述磁偶极子：磁矩：单位(dnwi)：A m2 二者的物理意义：表征磁偶极子磁性强弱与方向 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(jbnlz)的固有磁矩。第2页/共39页第二页，共39页。磁单极子磁单极子1931年，英国物理学家 P.A.M狄拉克利用数学公式预言(yyn)了磁单极子存在于携带磁场的管（狄拉克弦）的末端。1982年，美国凯布雷拉采用超导量子干涉器件磁强计，进行了151天观察记录，经周密分析，认为(rnwi)磁单极子穿过了超导线圈，但未能重复观察到。不足以肯定其存在。美国科学家用同步回旋加速器，多次用高能(gonng)质子与轻原子核碰撞，但依旧无磁单极子产生的迹象。美国科学家转而致力于能量更大的天然宇宙射线（1、宇宙射线本身可能含有磁单极子；2、宇宙射线粒子与高空大气原子、离子、分子等碰撞会产生磁单极子），未果。中国、瑞士、日本多国科学家联合小组报告发现了磁单极子存在的间接证据，在一种铁磁晶体中观察到反常霍尔效应，且认为只有假设存在磁单极子才能解释这种现象。2009.09.03，科学杂志。德国亥姆霍兹联合会研究中心 D.J.P.Morris等在自旋冰Dy2Ti2O7晶体（烧录石晶格）中进行中子散射，对晶体施加一个磁场，影响弦的对称和方向，从而降低弦网络的密度以促成单极子的分离。结果，在0.6K到2K温度条件下，这些弦是可见的，并在其两端出现了磁单极子。第3页/共39页第三页，共39页。二、磁化强度 M(magnetization)（描述宏观磁体(ct)磁性强弱程度）单位体积的磁体(ct)内，所有磁偶极矩的 jm或磁矩m的矢量和，分别为：磁极(cj)化强度：磁 化 强 度：二者物理意义：描述磁体被磁化的方向(fngxing)与强度第4页/共39页第四页，共39页。比磁化强度:单位质量磁体内具有(jyu)的磁矩矢量和。三、磁场强度 H 与磁感应强度 B 均为描述(mio sh)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小，方向与正磁荷在该处所受磁场力方向一致。specific magnetizationHmagnetic field B magnetic flux density第5页/共39页第五页，共39页。计算(j sun)磁偶极子产生的磁场强度：如图有：r-m+ml第6页/共39页第六页，共39页。磁位势(wi sh)：第7页/共39页第七页，共39页。H沿r 方向及使 角增加(zngji)方向的分量计算：在球坐标系中：第8页/共39页第八页，共39页。第9页/共39页第九页，共39页。由于矢量H沿任何方向(fngxing)的分量等于磁位势 在该方向(fngxing)上单位长度的减少率，故H沿r方向(fngxing)和沿 角增加方向(fngxing)的分量分别是：在从m到m的位 移矢量(shling)延长线上：在l的中垂面上第10页/共39页第十页，共39页。实际应用中，往往用电流产生磁场，常见(chn jin)的几种电流产生磁场的形式为：(1)无限长载流直导线：方向(fngxing)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(xinqun)圆心：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：n：单位长度的线圈匝数，方向沿螺线管的轴线方向轴线方向。规定规定H的单位在SI制中，用1A的电流通过直导线，在距离导线r=米处，磁场强度即为1A/m。第11页/共39页第十一页，共39页。2 2、磁感应强度、磁感应强度(qingd)B(qingd)BSI制中，自由真空中M=0，B与H平行，磁体(ct)内部，B与H不一定平行，单位(dnwi)：B：T或Wbm2；H：A/m；M：A/m；J：Wbm2H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它物理量的相互作用时，一般需要使用磁感应强度B。第12页/共39页第十二页，共39页。磁学量的单位制：使用(shyng)Gauss单位制时，此时(c sh)，B的单位为G或Gs，H的单位为Oe，0=1G/Oe 4M的单位为G，4M为非有理化的磁化强度。SI制与Gauss制间的转换 B：1G=10-4T H：103A m-1的H有4Oe的值，103/4A m-1=79.577A m-1=1 Oe 和第13页/共39页第十三页，共39页。磁矩：在Gauss单位(dnwi)制中0=1G/Oe，则磁偶极矩与磁矩无差别，通称为磁矩，单位(dnwi)为电磁单位(dnwi)（e.m.u）1e.m.u(磁偶极矩)41010 Wbm 1e.m.u(磁矩)103A m2J:1G=410-4 TM:1G=103 A m-1磁化强度(qingd)M和磁极化强度(qingd)J：Gauss单位制中，磁极化强度(qingd)（J）与磁化强度(qingd)（M）相同，单位：G第14页/共39页第十四页，共39页。四：磁化率与磁导率 磁体(ct)置于外磁场中磁化强度M将发生变化（磁化）。其中称为磁体的磁化率，是单位H在磁体内感生的M，表征磁体磁化难易(nn y)程度的一个磁学量。定义：（1)B/0 H(相对(xingdu)磁导率，表征磁体 磁性、导磁性及磁化难易程度）单位：无量纲SI制中,绝对磁导率绝对磁导率：绝对B/H单位：T m/A或H/m 绝对/0susceptibilitypermeability第15页/共39页第十五页，共39页。磁导率的不同(b tn)定义：1、起始磁导率i2、最大磁导率max3、复数(fsh)磁导率4、振幅(zhnf)磁导率a第16页/共39页第十六页，共39页。6、可逆磁导率rev所有(suyu)磁导率的值都是H的函数：5、增量(zn lin)磁导率第17页/共39页第十七页，共39页。一、外磁场(cchng)能H磁体由于本身(bnshn)的磁偶极矩jm与H间的相互作用，产生一力矩：第二节第二节 磁化状态下磁体磁化状态下磁体(ct)(ct)中的静磁能中的静磁能量量第18页/共39页第十八页，共39页。=0，L最小，处于稳定状态 0，L 0，不稳定，会使磁体转到与H方向一致，这就要(ji yo)做功，相当于使磁体在H中位能降低。即：磁体在磁场中磁位能：（逆时针方向(fngxing)为正）第19页/共39页第十九页，共39页。单位体积(tj)中外磁场能（即磁场能量密度）FH 是各向异性(xin y xn)的能量第20页/共39页第二十页，共39页。二、退磁场与退磁能量 1、退磁场 有限几何尺寸的磁体在外磁场中被磁化后，表面将产生磁极，从而使磁体内部存在与磁化强度M方向相反的一种磁场，起减退(jintu)磁化的作用，称为退磁场Hd。Hd 的大小与磁体形状及磁极强度有关。若磁化均匀，则Hd 也均匀，且与M成正比：其中N为退磁(tu c)因子，只与磁体几何形状有关。第21页/共39页第二十一页，共39页。2、简单几何形状磁体的退磁因子N对于旋转(xunzhun)椭球体，三个主轴方向退磁因子之和：由此可求出：球 体：N=1/3 细长(x chn)圆柱体：Na=Nb=1/2,Nc=0 薄圆板体：Na=Nb=0,Nc=1abcXYZ3、退磁场能量 指磁体在它自身(zshn)的Hd 中所具有的能量第22页/共39页第二十二页，共39页。第23页/共39页第二十三页，共39页。适用条件(tiojin)：磁体内部均匀一致，磁化均匀。形状不同或沿不同的方向磁化时，Fd也不同，这种因形状不同而引起的能量各向异性的特征形状各向异性。第24页/共39页第二十四页，共39页。磁体磁体(ct)扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（SEM）图）图思考：宏观、微观思考：宏观、微观(wigun)有无退磁场？有无退磁场？第25页/共39页第二十五页，共39页。从实用的观点，根据(gnj)磁化率（M/H）大小与符号，可分为五种：TO第三节第三节 物质物质(wzh)(wzh)按磁性分类按磁性分类一、抗磁性 对于电子壳层被填满的物质，其磁矩为零。在外磁场(cchng)作用下，电子运动将产生一个附加的运动（由电磁感应定律而定），出现附加角动量，感生出与H反向的磁矩。因此：d0，但数值很小（显微弱磁性）。室温下P：103106。实例：稀土金属和铁族元素的盐。TO其中(qzhng)：C为居里常数，TP为顺磁性居里温度。TO顺磁性paramagnetism第27页/共39页第二十七页，共39页。三、三、反铁磁性反铁磁性即在TTN（奈尔温度(wnd)）时，af 最大。T0（约为（约为10106），有磁滞现象。），有磁滞现象。当当 TTC 时，铁磁性转变为顺磁性，服从居时，铁磁性转变为顺磁性，服从居里外斯定律。里外斯定律。实例：实例：3d金属金属Fe，Co，Ni，4f金属铽、铒、金属铽、铒、铥、钬等以及很多合金与化合物。铥、钬等以及很多合金与化合物。TTC铁磁性ferromagnetism第29页/共39页第二十九页，共39页。五、五、亚铁磁性亚铁磁性 内部磁结构却与反铁磁性相同，但相反排列的磁矩大小不等量。故亚铁磁性具有宏观(hnggun)磁性（未抵消的反铁磁性结构的铁磁性）。m0，大小为1 103 实例：铁氧体。前三种为弱磁性，后两种为强磁性，具有此二性的材料叫磁性材料(c xn ci lio)，按其被应用的性能，磁性材料(c xn ci lio)可分为软磁、永磁、旋磁、矩磁、压磁五类）OA位B位A位B位A位B位亚铁磁性metastable ferrimagnetism第30页/共39页第三十页，共39页。一、磁化曲线一、磁化曲线表示表示(biosh)磁场强度磁场强度H与所感生的与所感生的B或或M之间的关系之间的关系O点：点：H0、B0、M0，磁中性或原始退磁状态，磁中性或原始退磁状态OA段：近似线性，起始磁化阶段段：近似线性，起始磁化阶段AB段：较陡峭，表明急剧磁化段：较陡峭，表明急剧磁化HHm后，后，M逐渐趋于一定值逐渐趋于一定值MS（饱和磁化强度），而（饱和磁化强度），而B则仍不断增大。则仍不断增大。由由BH（MH）曲线可求）曲线可求出出或或 第四节第四节 磁化磁化(chu)(chu)曲线与磁滞回线曲线与磁滞回线思考：思考：M达饱和达饱和(boh)后为什么后为什么B继续增大？继续增大？第31页/共39页第三十一页，共39页。二、磁滞回线磁滞回线(Hysteresis loop)从饱和磁化状态开始，再使磁化场减小，B或M不再沿原始曲线返回(fnhu)。当H0时，仍有一定的剩磁Br或Mr。为使B（M）趋于零，需反向加一磁场，此时(c sh)H=Hc称为矫顽力。BHC：使B0的Hc。MHC：M0时的Hc（内禀矫顽力）一般|BHC|MHC|思考思考(sko)：|BHC|MHC|?第32页/共39页第三十二页，共39页。通常(tngchng)以Hc划分软磁、永磁、半永磁材料：:软磁(soft magnetism):硬磁(hard magnetism):半硬磁(half-hard magnetism )H从正的最大到负的最大，再回到正的最大时，BH或MH形成(xngchng)一封闭的曲线磁滞回线。（磁材的重要特性之一)Hc是表征材料(cilio)在磁化后保持磁化状态的能力。矫顽力coercivitycoercive force磁体magnet第33页/共39页第三十三页，共39页。磁滞回线的第二象限为退磁曲线（依据此考察硬磁磁滞回线的第二象限为退磁曲线（依据此考察硬磁材料性能），材料性能），(BH)(BH)为磁能积，表征永磁材料中能量大为磁能积，表征永磁材料中能量大小。小。(BH)max (BH)max 是永磁的重要是永磁的重要(zhngyo)(zhngyo)特性参数之一。特性参数之一。将退磁曲线上的（BH）对B作用(zuyng)，可得（BH）对B的关系曲线。磁化磁化(chu)曲线与磁滞回曲线与磁滞回线是磁性材料的重要特征，线是磁性材料的重要特征，能反映许多磁特性，如：能反映许多磁特性，如：、MS(Bs)、Mr(Br)、BHC(MHC)、(BH)max 等。等。第34页/共39页第三十四页，共39页。习题习题(xt)一一教材P45 1.1、1.2、1.4、1.5、1.6、1.7补充：比较(bjio)jm与m、J 与 M 的区别与联系。何谓退出场（Hd）？退磁因子N与哪些因素有关？第35页/共39页第三十五页，共39页。无限无限无限无限(wxin)(wxin)长载流直导线长载流直导线长载流直导线长载流直导线第36页/共39页第三十六页，共39页。直流环形直流环形直流环形直流环形(hun xn(hun xn)线圈圆心线圈圆心线圈圆心线圈圆心第37页/共39页第三十七页，共39页。无限无限无限无限(wxin)(wxin)长直流螺线管长直流螺线管长直流螺线管长直流螺线管第38页/共39页第三十八页，共39页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)！第39页/共39页第三十九页，共39页。