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磁学基本量天津商业大学理学院物理系南俊磁畴理论是用量子理论从微观上说明铁磁质的磁化机理所谓磁畴，是指磁性材料内部的 一个个小区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排 列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同，如图所示各个磁畴之间的交界面称 为磁畴壁宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵 消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，它也就不能吸引其它磁性材料也就是说磁性材料 在正常情况下并不对外显示磁性只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性 磁矩 I描述载流线圈或微观粒子磁性的物理量平面载流线圈的磁矩定义为m=iSn式中i 电流强度；S为线圈面积；n为与电流方向成右手螺旋关系的单位矢量在均匀外磁场中， 平面载流线圈不受力而受力矩，该力矩使线圈的磁矩m转向外磁场B的方向；在均匀径向 分布外磁场中，平面载流线圈受力矩偏转许多电机和电学仪表的工作原理即基于此在原子中，电子因绕原子核运动而具有轨道磁矩；电子还因自旋具有自旋磁矩；原子核、质 子、中子以及其他基本粒子也都具有各自的自旋磁矩这些对研究原子能级的精细结构，磁 场中的塞曼效应以及磁共振等有重要意义，也表明各种基本粒子具有复杂的结构。

分子的磁矩就是电子轨道磁矩以及电子和核的自旋磁矩构成的，磁介质的磁化就是外磁场对 分子磁矩作用的结果磁场强度和磁感应强度均为表征磁场磁场强弱和方向的物理量磁感应强度是一个基本物 理量，较容易理解，就是垂直穿过单位面积的磁力线的数量磁感应强度可通过仪器直接测 量磁感应强度也称磁通密度，或简称磁密常用B表示其单位是韦伯/平方米（Wb/mA2） 或特斯拉（T）磁场传播需经过介质（包括真空），介质因磁化也会产生磁场，这部分磁场 与源磁场叠加后产生另一磁场或者说，一个磁场源在产生的磁场经过介质后，其磁场强弱 和方向变化了为了描述磁场源的特性，也为了方便数学推导，引入一个与介质无关的物理 量H，H=B/uO-M，式中，uO为真空磁导率，M为介质磁化强度这个物理量，就是磁场强 度磁场强度的单位是安咪（A/m）磁化强度I magnetization 描述磁介质磁化状态的物理量是矢量，通常用符号M表示磁化强度定义为媒质微小体元AV内的全部分子磁矩矢量和与AV之比，即工叫一对于顺与抗磁介质，无外加磁场时，M恒为零;存在外加磁场时，则有y B其中H是媒质中的磁场强度，B是磁感应强度卫o是真空磁导率, 它等于4nx10H/m。

x是磁化率，其值由媒质的性质决定顺磁质的x为正，抗磁质的x为负 如果媒质是各向异性的，则x为一张量对于铁磁质，M和B、H之间有复杂的非线性关系 （见磁滞回线）在外磁场作用下，磁介质磁化后出现的磁化电流要产生附加磁场，它与外 磁场之和为总磁场B对于线性各 向同性磁介质，M与B、H成正比，顺磁质的M与B、 H同方向，抗磁质的M与B、H反方向对于各向异性磁介质，M与B、H成正比，但比 例系数是一个二阶张量对于铁磁质，M和B、H之间有复杂的非线性关系，构成磁滞回线在国际单位制（SI）中，磁化强度M的单位是安培/米（A/m）现代词学研究表明:一切磁现象都起源于电流•磁性材料也不例外，其铁磁现象是起源于材料 内部原子核外电子运动形成的微电流，亦称分子电流•这些微电流的集合效应使得材料对外 呈现各种各样的宏观磁特性.因为每一个微电流都产生磁效应，所以把一个单位微电流成为 一个磁偶极子.定义在真空中每单位外磁场一个磁偶极子产生的最大力矩为磁偶极矩Pm,每单位材料体积 内磁偶极矩矢量和为磁极化强度 J,其单位为T（特斯拉,在CGS单位制中J的单位为 Gs,1T=1OGs）.定义一个磁偶极子的磁矩为Pm/ （） o, （） o为真空磁导率，每单位材料体积内磁矩的矢量和 为磁化强度m,其SI单位为A/m，CGS单位为GS （高斯）。

M与J的关系为：J= （） oM，在CGS单位制种，（）o=1，故磁化强度与磁化强度的值相 等；在SI单位制中，（）0=4 （） x10 （） H、m （亨咪）磁导率 英文名称：magnetic permeability 表征磁介质磁性的物理量常用符号卩 表示，卩为介质的磁导率，或称绝对磁导率［1］ 卩等于磁介质中磁感应强度B与磁场强度H之比，即通常使用的是磁介质的相对磁导率M，其定义为磁导率卩与真空磁导率卩0 之比，即 戶B/H 相对磁导率卩与磁化率x的关系是 磁导率卩，相对磁导率M和磁化率xm都是描述磁介质磁性的物理量 对于顺磁质M>1 ；对于抗磁质M<1，但两者的“都与1相差无几在铁磁质中，B与H的关系是非线性的磁滞回线，M不是常 量，与H有关，其数值远大于1 例如，如果空气（非磁性材料）的磁导率是1,则铁氧体的磁导率为10, 000，即当比较时，以通过磁性材料的磁通密度是10,000倍 涉及 磁导率的公式： 磁场的能量密度=BA2/2g 在国际单位制（SI）中，相对磁导率M是无量纲的纯数，磁导率卩的单位是亨利咪（H/m）常用的真空磁导率抗磁性|当磁化强度M为负时，固体表现为抗磁性。

Bi、Cu、Ag、Au等金属具有这种性质 在外磁场中，这类磁化了的介质内部的磁感应强度小于真空中的磁感应强度M抗磁性物 质的原子（离子）的磁矩应为零，即不存在永久磁矩当抗磁性物质放入外磁场中，外磁场 使电子轨道改变，感生一个与外磁场方向相反的磁矩，表现为抗磁性所以抗磁性来源于原 子中电子轨道状态的变化抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率H —般约为-10-5，为 负值顺磁性顺磁性物质的主要特征是，不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩但在 无外加磁场时，由于顺磁物质的原子做无规则的热振动，宏观看来，没有磁性；在外加磁场 作用下，每个原子磁矩比较规则地取向，物质显示极弱的磁性磁化强度与外磁场方向一致， 为正，而且严格地与外磁场H成正比顺磁性物质的磁性除了与H有关外，还依赖于温度 其磁化率H与绝对温度T成反比式中,C称为居里常数，取决于顺磁物质的磁化强度和磁 矩大小顺磁性物质的磁化率一般也很小，室温下H约为10-5一般含有奇数个电子的原 子或分子，电子未填满壳层的原子或离子，如过渡元素、稀土元素、钢系元素，还有铝铂等 金属，都属于顺磁物质铁磁性对诸如Fe、Co、Ni等物质，在室温下磁化率可达10-3数量级，称这类物质的磁性 为铁磁性。

铁磁性物质即使在较弱的磁场内，也可得到极高的磁化强度，而且当外磁场移去 后，仍可保留极强的磁性其磁化率为正值，但当外场增大时，由于磁化强度迅速达到饱和， 其H变小铁磁性物质具有很强的磁性，主要起因于它们具有很强的内部交换场铁磁物 质的交换能为正值，而且较大，使得相邻原子的磁矩平行取向（相应于稳定状态），在物质 内部形成许多小区域 磁畴每个磁畴大约有1015个原子这些原子的磁矩沿同一方向排列，假设晶体内部存在很强的称为“分子场”的内场，“分子场”足以使每个磁畴自动磁化达 饱和状态这种自生的磁化强度叫自发磁化强度由于它的存在，铁磁物质能在弱磁场下强 列地磁化因此自发磁化是铁磁物质的基本特征，也是铁磁物质和顺磁物质的区别所在 铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超过这一温度，由于物质内部热骚动破坏电 子自旋磁矩的平行取向，因而自发磁化强度变为0,铁磁性消失这一温度称为居里点 在居里点以上，材料表现为强顺磁性，其磁化率与温度的关系服从居里——外斯定律， 式中C为居里常数反铁磁性是指由于电子自旋反向平行排列在同一子晶格中有自发磁化强度，电子磁矩同 向排列的；在不同子晶格中，电子磁矩反向排列。

两个子晶格中自发磁化强度大小相同，方 向相反，整个晶体反铁磁性物质大都是非金属化合物，如MnO不论在什么温度下，都 不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象，因此其宏观特性是顺磁性的，M与H处于 同一方向，磁化率为正值温度很高时，极小；温度降低，逐渐增大在一定温度 时， 达最大值称为反铁磁性物质的居里点或尼尔点对尼尔点存在的解释是：在极低温度 下，由于相邻原子的自旋完全反向，其磁矩几乎完全抵消，故磁化率 几乎接近于0当温 度上升时，使自旋反向的作用减弱，增加当温度升至尼尔点以上时，热骚动的影响较大， 此时反铁磁体与顺磁体有相同的磁化行为亚铁磁性是在无外加磁场的情况下，磁畴内由于相邻原子间电子的交换作用或其他相 互作用使它们的磁矩在克服热运动的影响后，处于部分抵消的有序排列状态，以致还有一 个合磁矩的现象当施加外磁场后，其磁化强度随外磁场的变化与铁磁性物质相似亚铁 磁性与反铁磁性具有相同的物理本质，只是亚铁磁体中反平行的自旋磁矩大小不等，因而存 在部分抵消不尽的自发磁矩，类似于铁磁体次氧体大都是亚铁磁体①用主要磁现象为亚 铁磁性物质制成的材料，称为亚铁磁材料在工程技术上，实用的亚铁磁材料多为各类铁氧 体和某些金属间化合物。

酗磁材料与亚铁磁材料统称为强磁材料，简称磁性材料像铁磁 性物质一样，当磁场不存在时，亚铁磁性物质仍旧会保持磁化不变；又像反铁磁性物质一样， 相邻的电子自旋指向相反方向这两种性质并不互相矛盾，在亚铁磁性物质内部，分别属于 不同次晶格的不同原子，其磁矩的方向相反，数值大小不相等，所以，物质的净磁矩不等于 0,磁化强度不等于零，具有较微弱的铁磁性由于亚铁磁性物质是绝缘体处于高频率时 变磁场的亚铁磁性物质，由于感应出的涡电流很少，可以允许微波穿过，所以，可以做为像 隔离器（isolator）、循环器（circulator）、回旋器（gyrator）等等微波器件的材料由于组 成亚铁磁性物质的成分必需分别具有至少两种不同的磁矩，只有化合物或合金才会表现出亚 铁磁性常见的亚铁磁性物质有磁铁矿（Fe3O4）、铁氧体（ferrite）等等磁滞回线当铁磁质达到磁饱和状态后，如果减小磁化场强H,介质的磁化强度M （或 磁感应强度B）并不沿着起始磁化曲线减小，M （或B）的变化滞后于H的变化这种现象 叫磁滞在磁场中，铁磁体的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线来表示，当磁化磁场作 周期的变化时，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线，这条闭合线叫做磁 滞回线。

B-H磁滞回线的面积表示经历一个周期过程后铁磁体损耗的能量图示为强磁物质 磁滞现象的曲线一般说来，铁磁体等强磁物质的磁化强度M或磁感应强度B不是磁场强度 H的单值函数而依赖于其所经历的磁状态的历史以磁中性状态（H =M=B=0）为起始态，当磁 状态沿起始磁化曲线0ABC磁化到C点附近（如图）时，此时磁化强度趋于饱和，曲线几乎 与H轴平行将此时磁场强度记为Hs,磁化强度记为Ms此后若减小磁场，则从某一磁场 （B点）开始,M随H的变化偏离原先的起始磁化曲线,M的变化落后于H当H减小至零时,M 不减小到零,而等于剩余磁化强度Mr为使M减至零，需加一反向磁场-,称为矫顽力反向磁 场继续增大到-Hs时，强磁体的M将沿反方向磁化到趋于饱和-Ms，反向磁场减小并再反向时, 按相似的规律得到另一支偏离反向起始磁化曲线的曲线于是当磁场从Hs变为一Hs,再从 -Hs变到Hs时，强磁体的磁状态将由闭合回线CBDEFEGBC描述，其中BC及EF两段 相应于可逆磁化,M为H的单值函数而BDEGB为磁滞回线在此回线上，同一 H可有两 个M值，决定于磁状态的历史这是由不可逆磁化过程所致若在小于Hs的出m间反复磁 化时，则得到较小的磁滞回线。

称为小磁滞回线或局部磁滞回线（见磁化曲线图2）相应于不 同的Hm,可有不同的小回线而上述BDEGB为其中最大的故称为极限磁滞回线H大 于极限回线的最大磁场强度Hm时，磁化基本可逆；H小于此值时,M为H的多值函数通常 将极限磁滞回线上的Mr及He定义为材料的剩磁及矫顽力，。