磁性与器件第一章磁学基础知识素材
122页1、第一章 磁学基础知识,01,02,03,04,第一节 基本磁学量,1.1.1 磁矩m,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”,磁偶极矩: 方向:-m指向+m 单位:Wbm,安培提出了磁偶极子与电流回路元在磁性上的相当性原理,并根据它认为宏观物质的磁性起源于“分子电流”假说,,磁矩: 单位:A m2,二者的物理意义: 表征磁偶极子磁性强弱与方向,1.1.2 磁化强度M,单位体积的磁体内,所有磁偶极子的jm或磁矩m的矢量和 ,分别为:,磁极化强度:,磁化强度:,说明:描述宏观磁体磁性强弱程度的物理量,1.1.3 磁场强度H与磁感应强度B,1、磁场强度H (magnetic intensity):(静磁学定义) 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。,物理意义:均为描述空间任意一点的磁场参量(矢量),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=1/2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)、
2、无限长载流直导线:,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,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,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:,根据安培环路定理可定义磁场强度H:,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:,单位:Guass,磁场强度H被定义为:,单位:Oe,引入磁感应强度B,使之满足如下关系:,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,1.1.4 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),其中称为磁体的磁化率(susceptibility),是单位磁场强度
3、H在磁体内感生的M,表征磁体磁化难易程度的物理量,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,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,(3)复数磁导率:磁体在交变磁场中磁化,动态磁化中经常遇到,(4)微分磁导率diff:起始磁化曲线上任意一点的斜率,NOTE:所有磁导率都是磁场强度H的函数,第二节 磁化状态下磁体中的静磁能,1.2.1 静磁能,任何磁体被置于外磁场(稳恒磁场or交变磁场)中将处于磁化状态,此时磁体具有静磁能量 Why?,磁体由于本身的磁偶极矩Jm与H间的相互作用,产生一力矩:,(逆时针方向为正),= 0 ,L最小,处于稳定状态 0,L0,不稳定,会使磁偶极子转到与H方向一致,这就要做功,相当于使磁体在H中位能降低。 即:磁体在磁场中位能:,单位体积中静磁能(即磁场能量密度),说明: (1)当 0,jm与H方向一致,FHmin0MH,处于能量最低状态 (2)当 逐渐增大时,需要外力来克服
4、磁场做功,磁体在磁场中的能量增加 (3)当 180 ,能量密度达到最大值 0MH,上式在磁畴和技术磁化理论中经常用到,1.2.2 退磁场与退磁场能,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,起减退磁化的作用,称为退磁场Hd。 如果磁体还同时受到外磁场的作用,这时磁性体内部的有效磁场为:,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为退磁因子(demagnetization factor),只与磁体几何形状有关,对于旋转椭球体,三个主轴方向退磁因子之和:,旋转椭球的极限情况:,退磁场能量:指磁体在它自身的Hd 中所具有的能量:,Fd 是形状各向异性的能量,第三节 磁性材料的磁化曲线和磁滞回线,1.3.1 磁化曲线,磁化曲线是表示磁场强度H与所感生的B或M之间的关系的曲线(非线性)。,O点:H0、B0、M0,磁中性或原始退磁状态 OA段:近似线性,起始磁化阶段 AB段:较陡峭,表明急剧磁化 HHm后,M逐渐趋于一定值 MS(饱和磁化强度),而B 则仍不断增大(原因?) 由BH(MH)曲
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