第八章 固体的磁性a

二者物理意义：描述磁体被磁化的方向与强度
v 磁极化强度： J =
v ∑ jm
比磁化强度σ（单位质量磁体内具有的磁矩矢量和）
v A m 2 kg-1 (SI) v 1 σ= ∑μ = M / d m Vd emu/g(CGS) v 1A m 2 kg -1 = 1emu/g
这里 d 是物质的密度 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 力的大小，方向与正磁荷在该处所受磁场力方向一 v 致。
r2 r r1
-m l +m
θ
H2
磁位势：
m = 1 + 2 = + . 4π0 r1 4π0 r2 m 1 1 m = 4π0 r l cosθ r + l cosθ 2 2 1 1 m = 4π0 r 1 l cosθ 1 + l cosθ 2r 2r
v F v 1 m1 m2 v r , 其中k = H = ,F = k 3 4π 0 r m
计算磁偶极子产生的磁场强度： 磁位势： ∞ Q = ∫∞ m F dr = ∫ k 2 dr r r m2
如图有：
km m = = r 4π 0 r
H
Hθ
H1 Hr
1 2 r 2 + l lr cos θ 2 r1 = 2 1 l ≈ r 1 cos θ 2 r l = r cos θ 2 1 2 r 2 + l + lr cos θ 2 r2 = 2 l ≈ r + cos θ 2
磁性与磁性材料的发展史：
指南针 司马迁《史记》描述黄帝作战用 1086年 宋朝沈括《梦溪笔谈》指南针的制造方法等 1119年 宋朝朱或《萍洲可谈》 罗盘 用于航海的记载 磁石 最早的著作《De Magnete 》 W.Gibert 18世纪 奥斯特 电流产生磁场 法拉弟效应 在磁场中运动导体产生电流 安培定律 构成电磁学的基础 , 电动机、发电机等 开创现代电气工 业 1907年 1928年 1931年 1933年 1935年 1935年 P.Weiss的磁畴和分子场假说 海森堡模型，用量子力学解释分子场起源 Bitter在显微镜下直接观察到磁畴 加藤与武井发现含Co的永磁铁氧体 荷兰Snoek发明软磁铁氧体 Landau和Lifshitz考虑退磁场, 理论上预言了磁畴结构
cosθ ml ≈ ml cosθ = 4π0 r 2 l2 4π0 r 2 2 1 2 cos θ 4r v v j cosθ 1 jm r = m = 3 2 4π0 r 4π0 r
v v jm r ∴ H = = 4π r 3 0 1 1 v v 1v v = r 3 ( jm r ) + r 3 ( jm r ) 4π 0 v v 1 jm 3( jm r ) = 3 4π 0 r r4 v v 1 jm 3( jm r )r = 3 + 4π 0 r r5 H沿r 方向及使θ 角增加方向的分量计算： 在球坐标系中：
单位：B：T或Wbm－2；H：A/m； M：A/m；J： Wbm－2
v v 自由真空中M=0，B与H平行， B = 0 H v v v B 磁体内部，B与H不一定平行， = 0 H + J
磁学量的单位制：
v v v 使用Gauss单位制时， B = H + 4πM
此时，B的单位为G (高斯)，H的单位为Oe (奥斯特)， μ0=1G / Oe 式中M为磁极密度，单位为G，4πM为磁通线的密度。 SI制与Gauss制间的转换 B：1G=10-4T H：103A m-1的H有4π Oe的值， 103/4π A m-1=79.577A m-1=1 Oe
第一节
基本磁学量
一、磁矩 μm (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 v v +m 偶极矩：jm = ml 方向：-m指向+m l 单位：Wbm （韦伯 米） -m
用环形电流描述磁偶极子：
v v 磁矩： m = i A 单位：A m2 二者的物理意义和关系： 表征磁偶极子磁性强弱与方向 v v jm = 0 m
1 v v 1 v = er + eθ + e r r θ r sin θ
∴ H = v jm cos θ v 1 jm cos θ = er 4π r 2 eθ r θ 4π r 2 r 0 0 v 1 2 jm cos θ v 1 jm sin θ = er + eθ 3 4π0 4π0 r 3 r 1 2 jm cos θ H r = 4π r3 0 ∴ 1 jm sin θ Hθ = 4π0 r 3
对磁学有重大贡献的诺贝尔奖得主
从1902 年 度的塞 曼 (P.Zeeman) 洛 论 茨 (H.A.Lorentz) 到后 来的居 里夫妇 (P.Curie and M.Curie) ，爱 因 斯 坦 (A.Einstein) ，玻 尔 (N.H.D.Bohr) ，海 森 堡 (W.K.Heisenberg) ，斯 特 恩(O.Stern) ，拉 比 (I.I.Rabi)，泡 利 (W.Pauli) ，布 洛 赫(F.Bloch) ，铂 塞 尔 (E.M.Purcell) ，库 什 (P.Kusch) ，穆 斯 堡 尔 (R.L.Mssbauer) ，朗 道 (ndau) ，阿 尔 芬(H.O.G.Alfven) ，奈 尔 (L.E.F.Neel) ， 范 费 莱 克 (J.H.Van Vleck) ，莫 特 (Sir.N.F.Mott) ，菲 利 浦. 安 德 逊(P.W.Anderson) ，克 里 福 德. 沙 尔 (C.G.Shull) ，伯特 伦.N.布洛克豪斯 (B.N.Brouhouse) ， 崔琦（Daniel Chee Tsui），罗伯特.劳克林（Robet Lauclin），霍斯特.施特默 （Hoster Stermou），2003年度关于核磁共振成像成就的得主劳 特伯（Paul C. Lauterbur ），曼施费尔德 (Peter Mansfield)， 直到2007年关于巨磁阻效应成就的得主Albert Fert和Peter Grünberg。
2、直流环形线圈圆心： r为环形圆圈半径，磁场方向由右 手螺旋法则确定
3、无限长直流螺线管：
H = nI
n：单位长度的线圈匝数， 磁场方向沿螺线管的轴线方向
无限长直流螺线管
三、磁感应强度B 或磁通密度(magnetic flux density)
v v v v v SI制中， = ( H + M ) = H + M B 0 0 0 v v v 令Bi = J = 0 M , 则： v v v v v B = 0 H + Bi = 0 H + J
磁现象的研究和应用依然是21世纪 科学技术研究的重要领域。
磁性材料的典型应用
例1: 数据处理的基础是磁记录与存储 如硬磁盘: 硬盘由磁头、取数臂、磁道伺服机构 ( 伺服马达)组成, 磁头、电机为磁性材料
硬盘由磁头、取数臂、磁道伺服机构组成 记录媒介、磁头、电机均为磁性材料
记录媒介 磁头
例2: 汽车, 如图：
在电磁学课中见到的一些磁现象
磁性是物质一种比较少见的只在少数 地方得到应用的现象呢？还是一种存在 非常普遍应用非常广泛的现象呢？ 正确的答案是： 磁性是物质的基本属性，就像物质具 有质量和电性一样。 换句更简单的话说就是： 一切物质都具有磁性
第一部分 物质的磁性概述
第一节 第二节 第三节 第四节
由于矢量H沿任何方向的分量等于磁位势 在该方 向上单位长度的减少率，故H沿r方向和沿 θ 方向的分量 分别是：
2 jm cosθ 1 jm sin θ , Hθ = Hr = 3 4π0 4π0 r 3 r 1 2 jm cosθ ：在从－m到＋m的位 θ = 0 , H = Hr = r3 4π0 移矢量延长线上 1 jm sin θ o θ = 90 , H = Hθ = ：在l的中垂面上 3 4π0 r
1946年 Bioembergen发现NMR效应 1948年 Neel（奈尔）建立亚铁磁理论（1970年诺贝尔物理学奖 ） 1954-1957年 RKKY相互作用的建立 1958年 Mssbauer效应的发现 1960年 非晶态物质的理论预言 1965年 Mader和Nowick制备了CoP铁磁非晶态合金 1970年 SmCo5稀土永磁材料的发现 1982年 扫描隧道显微镜, Brining和Rohrer,( 1986年,AFM ) 1984年 NdFeB稀土永磁材料的发现 Sagawa(佐川) 1986年 高温超导体，Bednortz-muller 1988年 巨磁电阻GMR的发现, M.N.Baibich 法国Paris-Sud大学的Albert Fert以及德国尤里希研究 中心（Forschungszentrum Jülich）的Peter Grünberg 获2007年诺贝尔物理学奖 1994年 CMR庞磁电阻的发现，Jin等LaCaMnO3 1995年 隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki
o
1
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= 处，磁场强度即为1A /m。
1 米 2π
常见的几种电流产生磁场的形式为：
1、无限长载流直导线：
I H= 2πr
磁场方向是切于与导线垂直的且以 导线为轴的圆周
无限长载流直导线
常见的几种电流产生磁场的形式为：
1、无限长载流直导线：
I H= 2πr
I H= 2r
磁场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： r为环形圆圈半径，磁场方向由右 手螺旋法则确定。
直流环形线圈圆心
常见的几种电流产生磁场的形式为：