Magnetic Physics Basic

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1、1磁性物理基础磁性物理基础准备：石维道准备：石维道日期：日期：2000 年年7月月2内容内容l基本概念基本概念l物质磁性分类物质磁性分类l磁性产生的原因磁性产生的原因l磁滞曲线磁滞曲线l铁磁体中的能量铁磁体中的能量l磁畴结构理论磁畴结构理论l技术磁化理论技术磁化理论3l磁极：磁性特别强的区域。磁极：磁性特别强的区域。北极：指北的一端；南极：指南的一端。l磁偶极子及磁偶极矩磁偶极子及磁偶极矩Ju=mll磁的库仑定律磁的库仑定律F=k m1m2/r2k:比例常数，与点磁荷周围的介质，式中各量的单位有关。在真空中，全用SI单位制时，k=1/(4*3.14*0),基本概念基本概念-14基本概念基本概念

2、-2lH,M,Hd,and B 磁场强度 H：H=F/m,单位点磁荷再该处所受的磁场力的大小，其方向与正磁荷在该处受磁场力的方向一致。磁极化强度M：M=(m)/V,单位体积内所有磁偶极矩的矢量和。V：the volume in cubic centimeters,m：atomic moment in electromagnetic units(emu),N：the number of atomic moments in the volume V.磁感应强度B:B=0H,(在自由空间中)。退磁场强度Hd:Hd=-NM,由于表面磁极的存在，在磁心中产生的一个与M方向相反的磁场。lN：退磁因子，与磁

3、体的几何形状有关。5基本概念基本概念-3lRelationship among M,H,Hd,B.B=0(H+M-Hd)(magnetization,magnetic field,demagnetization field and flux density of a bar magnet)The M field pattern shows parallel lines exist within the uniformly magnetized magnet only,out of the magnet or magnetized material is zero.The Hd field is

4、 generated by the magnetic poles which caused by the changing magnetization on the ends of the magnet,it exist only in magnetized material too.The H field in free space originates from the same magnetic poles that generate Hd field.Outside the magnet,B=0H；While inside the magnet,B=0(H+M-Hd)6l物质的磁化率物

5、质的磁化率X：单位磁场强度在磁内产生的磁极化强度。单位磁场强度在磁内产生的磁极化强度。X=M/Hl从实用观点，物质磁性分五类从实用观点，物质磁性分五类 抗磁性lX0,10-510-3，与温度成反比 X=C/T,C为居里常数，=居里定律 X=C/(T-Tp),Tp为顺磁居里温度=居里-外斯定律l代表物质有：Li,Na,Al,Pd,铁族元素的盐类lXT curve:l分子结构特征：铁磁性lX0,10106,与磁场和温度有复杂的关系。l代表物质有：Fe,Co,Ni,3.5%Si-FelXT curve:l分子结构特征：分子内原子磁矩按区域自发平行取向8物质磁性分类物质磁性分类-3 反铁磁性lX0,在

6、奈尔温度(TN)处最大。l代表物质有：FeO,MnO,NiO,CrO,MnPtlXT curve:l分子结构特征：按次晶格自旋反平行排列，大小相等，方向相反，对外不显磁性。亚铁磁性lX0,1103，其宏观磁性与铁磁体类似。l代表物质有：Fe3O4及其他铁氧体。XT curve:l分子结构特征：反平行排列，大小不等，是未抵销的反铁磁体。9磁性产生的原因磁性产生的原因-1l原子的磁矩原子的磁矩 电子的轨道磁矩：电子绕核旋转，其大小由角量子数决定；方向由磁量子数决定。电子的自旋磁矩：电子的自旋决定，可取-1/2 和+1/2 两种状态。l抗磁性抗磁性 解释1:感生电流 =感生磁矩 解释2:拉莫进动 =

7、感生磁矩l顺磁性顺磁性 原子的固有磁矩：矢量和不为0,在H下，部分地沿H方向排列，产生一个正向的磁化强度。l铁磁性铁磁性-外斯分子场理论外斯分子场理论 分子场假说：铁磁体内存在一与外加磁场无关的分子场，导致原子磁矩在其作用下自法地平行一致取向。l量子力学解释：电子间的静电相互交换作用，使电子自旋平行取向。l铁磁性条件：必要条件：原子中具有未充满的电子壳层，即具有原子磁矩，如 3d 未充满的 Fe,Co,Ni;4f 未充满的Ce,Pr,Yb等。充分条件：交换积分A0.磁畴假设：自发磁化按区域分布，即称为磁畴；无外加磁场时，磁畴自发磁化至饱和，但其方向有一定分布，使宏观磁体的总磁矩为零10磁性产生

8、的原因磁性产生的原因-2l反铁磁性反铁磁性 “次晶格”假设：反铁磁体中磁性离子构成的晶格，可分为两个相等又互相贯穿得“次晶格”A和“次晶格”B。A位的离子只有B位离子作为最近邻，次近邻才是A；对于B位来说亦然。定域分子场：短程有效。l亚铁磁性亚铁磁性 A位和B位上具有的磁性离子数不等，是未完全抵销的反铁磁性。11磁滞曲线磁滞曲线矫顽力：Hc;剩余磁感应强度：Br;饱和磁感应强度:Bs.OA:起始磁化区,H 小，可逆磁化，M=XiH;AB:瑞利区，H仍较小，不可逆磁化，M=XH+bH2;BC:陡峻区，H中等，Barkhausen jump,X达最大；CD:趋近饱和区，H大，M=Ms(1-a1/H

9、-a2/H2-.)+XpHDE:顺磁磁化区，H大，M炮和，12铁磁体中的能量铁磁体中的能量-F=Fex+Fk+F+Fd+FHl交换能交换能Fex:电子自旋间的交换相互作用产生电子自旋间的交换相互作用产生 产生自发磁化。l磁晶各向异性能磁晶各向异性能Fk：铁磁体内电子自旋间以及磁矩与轨道磁矩之间的铁磁体内电子自旋间以及磁矩与轨道磁矩之间的耦合作用所产生的能量的能量。耦合作用所产生的能量的能量。W=0 HdM物质 单晶体结构 易磁化轴 难磁化轴Fe 体心立方 100 111Co 面心立方 111 100Ni 六角晶体 0001 1010l磁弹性能磁弹性能F：指铁磁体内磁性与弹性的相互作用而引起的磁

10、弹性能，又指铁磁体内磁性与弹性的相互作用而引起的磁弹性能，又称为磁弹性应力能，简称为磁应力能称为磁弹性应力能，简称为磁应力能。l退磁场能退磁场能Fd：铁磁体与其自身产生的退磁场之间的相互作用能铁磁体与其自身产生的退磁场之间的相互作用能。Fd=-0 0HddM=0 0 NMdM=0.5 0 NM2l外磁场能外磁场能FH：铁磁体与外磁场之间的相互作用产生的能量铁磁体与外磁场之间的相互作用产生的能量。FH=-0 M.H=-0 M.Hcos,为为M与与H的夹角的夹角MsMM13磁畴结构理论磁畴结构理论l磁畴的起源磁畴的起源 退磁场能是形成多畴结构的根本原因。磁畴壁能的增加阻止了无限分畴的进行。l畴壁能

11、的实质：畴壁能的实质：交换能交换能 畴壁：相邻两磁畴间内自旋磁矩方向逐渐改变的过渡状态。l两种典型的畴壁两种典型的畴壁 Bloch 壁 Neel 壁l单畴单畴 Fe晶体球形单畴的临界半径：1.98 nm.14技术磁化理论技术磁化理论-1l静态磁化过程：静态磁化过程：见见Page 11.l磁化机理磁化机理 磁畴壁位移 磁畴的转动 顺磁磁化l不可逆磁化过程及不可逆磁化过程及Barkhausen Jump 可逆磁化与不可逆磁化l应力，杂质和晶界等结构的起伏变化分布=铁磁体内部你能量随畴壁位置不同而起伏变化=畴壁位移受阻=不可逆磁化=磁滞；Barkhausen jump15技术磁化理论技术磁化理论-2(x)：180畴壁能密度随位置X的分布；磁化方程：2M(x)H=/xOA:2/x20,稳定平衡磁化状态，可逆磁化；A：2/x2=0,不稳平衡点；AE：Barkhausen jump；D:顺磁状态点。16 The End