電磁學(xué)_電磁介質(zhì)_4.5 各種磁介質(zhì)-磁介質(zhì)的分類

1、各種磁介質(zhì)各種磁介質(zhì) p286 4-28、37、38n磁介質(zhì)分類磁介質(zhì)分類n弱磁性：順磁質(zhì)、抗磁質(zhì)弱磁性：順磁質(zhì)、抗磁質(zhì)n強(qiáng)磁性：鐵磁質(zhì)強(qiáng)磁性：鐵磁質(zhì)n一般有兩類分子一般有兩類分子 無外場無外場 有外場有外場 n分子磁矩分子磁矩 m分子分子= ml+ ms0 m分子分子=0 m分子分子 0 n分子磁矩分子磁矩 m分子分子= ml+ ms 0 m分子分子=0 m分子分子 0n順順磁磁質(zhì)質(zhì)的磁化的磁化 n分子在外磁場作用下趨向于外磁場排列分子在外磁場作用下趨向于外磁場排列n熱運(yùn)動與磁場作用相抵抗熱運(yùn)動與磁場作用相抵抗 抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)順磁質(zhì)順磁質(zhì)抗磁質(zhì)抗磁質(zhì) n抗磁質(zhì)分子的固有磁矩抗磁質(zhì)分子的固有磁矩

2、m分子分子= ml+ ms0n不存在由非零的分子固有磁矩規(guī)則取向引不存在由非零的分子固有磁矩規(guī)則取向引起的順磁效應(yīng)。磁性來源？起的順磁效應(yīng)。磁性來源？ n抗磁質(zhì)磁性起源于電子軌道運(yùn)動在外磁場抗磁質(zhì)磁性起源于電子軌道運(yùn)動在外磁場下的變化下的變化 n電子軌道運(yùn)動為什么會變化？原因：在外電子軌道運(yùn)動為什么會變化？原因：在外磁場下受洛倫茲力磁場下受洛倫茲力 分子磁矩的由來分子磁矩的由來 n在原子或分子內(nèi)，一般不止有一個(gè)電在原子或分子內(nèi)，一般不止有一個(gè)電子子 n分子磁矩：所有電子的軌道磁矩和自分子磁矩：所有電子的軌道磁矩和自旋磁矩的矢量和旋磁矩的矢量和m分子分子= ml+ ms0 n電子軌道磁矩電子軌道

3、磁矩nmiSl22erevTeieLlmeLm2與與角動量方向相反角動量方向相反n電子自旋磁矩電子自旋磁矩SmmeSn若所有電子的總角動量（含軌道和自旋）為零，抗磁若所有電子的總角動量（含軌道和自旋）為零，抗磁n所有電子的總角動量（含軌道和自旋）不為零所有電子的總角動量（含軌道和自旋）不為零 ，順磁，順磁 外磁場對電子軌道運(yùn)動的影響外磁場對電子軌道運(yùn)動的影響 p240n外磁場作用在一個(gè)抗磁原子上，考慮電子的軌外磁場作用在一個(gè)抗磁原子上，考慮電子的軌道運(yùn)動道運(yùn)動( (設(shè)電子角速度平行于外磁場設(shè)電子角速度平行于外磁場) )n求無外磁場時(shí)的角速度求無外磁場時(shí)的角速度 0(電子只受庫侖力）電子只受庫侖

4、力）n加外磁場加外磁場B0，電子受庫侖力、洛倫茲力（指向中，電子受庫侖力、洛倫茲力（指向中心），假設(shè)軌道的半徑不變（相當(dāng)于定態(tài)假設(shè)），設(shè)心），假設(shè)軌道的半徑不變（相當(dāng)于定態(tài)假設(shè)），設(shè)洛倫茲力遠(yuǎn)小于庫侖力洛倫茲力遠(yuǎn)小于庫侖力rmrZe202024213020)4(mrZermrBerZe20202400,02022emeBrmrBe00200rmrmrBerBerZe02000020224洛倫茲力遠(yuǎn)小洛倫茲力遠(yuǎn)小于庫侖力，高于庫侖力，高階無窮小，略階無窮小，略meB20n考慮電子角速度反平行于外磁場，有同考慮電子角速度反平行于外磁場，有同樣結(jié)論，樣結(jié)論，的方向總是與外磁場的方向總是與外磁場B0相

5、同相同 n電子角速度改變將引起電子磁矩改變電子角速度改變將引起電子磁矩改變 022242Bmmreer總是與外總是與外磁場方向磁場方向相反相反n當(dāng)介質(zhì)處于磁場中時(shí)，每個(gè)電子磁矩都受到當(dāng)介質(zhì)處于磁場中時(shí)，每個(gè)電子磁矩都受到磁力矩的作用磁力矩的作用 成任何角度成任何角度B與00BmMB鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì) n起始磁化曲線起始磁化曲線：Ms、Bs分別為分別為飽和磁化強(qiáng)度飽和磁化強(qiáng)度和和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 nMH、BH之間的關(guān)之間的關(guān)系是非線性和非單值的系是非線性和非單值的 n特點(diǎn)特點(diǎn) n其中其中M的值相當(dāng)大；的值相當(dāng)大； nM與與H不成正比關(guān)系，甚至也不是單值不成正比關(guān)系，甚至也不是單值關(guān)系。實(shí)驗(yàn)

6、表明，關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明，M和和H間的函數(shù)關(guān)系間的函數(shù)關(guān)系比較復(fù)雜，且與磁化的歷史有關(guān)比較復(fù)雜，且與磁化的歷史有關(guān)。n鐵磁質(zhì)的鐵磁質(zhì)的M與與H、B的關(guān)系通常通過實(shí)驗(yàn)的關(guān)系通常通過實(shí)驗(yàn)測定測定 磁滯回線磁滯回線 nMR：剩余磁化強(qiáng)度：剩余磁化強(qiáng)度nBR: 剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度nHC：矯頑力。：矯頑力。n在上述變化過程中，在上述變化過程中，M和和B的變化總是落后于的變化總是落后于H的變的變化，這一現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)化，這一現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象象;上述曲線叫磁滯回線。上述曲線叫磁滯回線。nP244磁滯損耗磁滯損耗 n當(dāng)鐵磁質(zhì)在交變磁場作用下，反復(fù)磁化是由當(dāng)鐵磁質(zhì)在交變磁場作用下，反復(fù)磁化是由于磁滯效應(yīng)，

7、磁體要發(fā)熱而散失熱量，這種于磁滯效應(yīng)，磁體要發(fā)熱而散失熱量，這種能量損失稱為磁滯損耗。能量損失稱為磁滯損耗。 n可以證明：可以證明：BH圖中磁滯回線所包圍的圖中磁滯回線所包圍的“面面積積”代表在一個(gè)反復(fù)磁化的循環(huán)過程中單位代表在一個(gè)反復(fù)磁化的循環(huán)過程中單位體積的鐵芯內(nèi)損耗的能量體積的鐵芯內(nèi)損耗的能量 n磁滯回線越胖，曲線下面積越大，損耗越大；磁滯回線越胖，曲線下面積越大，損耗越大；n磁滯回線越瘦，曲線下面積越小，損耗越小磁滯回線越瘦，曲線下面積越小，損耗越小 n證明證明 p245，算，算電源要抵抗感應(yīng)電動勢做功電源要抵抗感應(yīng)電動勢做功 證明證明以有閉合鐵芯的螺繞環(huán)為例以有閉合鐵芯的螺繞環(huán)為例

8、n設(shè)設(shè)t時(shí)刻介質(zhì)處于某一磁化狀態(tài)時(shí)刻介質(zhì)處于某一磁化狀態(tài)P，此處此處H0，B0ndt內(nèi)，內(nèi)， PP ，鐵心中磁通改變，鐵心中磁通改變量為量為d n電源抵抗感應(yīng)電動勢做功電源抵抗感應(yīng)電動勢做功dIdtdtdIdtIdA000lNnnIH,0VHdBSlHdBNSdBlNHdIdA0NSB周長周長HdBVdAda積積”磁磁滯滯回回線線所所包包圍圍的的“面面磁滯回線磁滯回線HdBdaa鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)磁化機(jī)制磁化機(jī)制 n自發(fā)磁化區(qū)自發(fā)磁化區(qū) n近代科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，鐵磁質(zhì)的磁性主要來源于電子近代科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，鐵磁質(zhì)的磁性主要來源于電子自旋磁矩。在沒有外磁場的條件下鐵磁質(zhì)中電子自自旋磁矩。在沒有外磁場的條件下

9、鐵磁質(zhì)中電子自旋磁矩可以在小范圍內(nèi)旋磁矩可以在小范圍內(nèi)“自發(fā)地自發(fā)地”排列起來，形成排列起來，形成一個(gè)個(gè)小的一個(gè)個(gè)小的“自發(fā)磁化區(qū)自發(fā)磁化區(qū)”磁疇磁疇 n自發(fā)磁化的原因是由于自發(fā)磁化的原因是由于相鄰原子中電子之間存在著相鄰原子中電子之間存在著一種交換作用一種交換作用（一種量子效應(yīng)），使電子的（一種量子效應(yīng)），使電子的原子磁原子磁矩平行排列起來矩平行排列起來而達(dá)到自發(fā)磁化的飽和狀態(tài)而達(dá)到自發(fā)磁化的飽和狀態(tài) n單晶和多晶磁疇結(jié)構(gòu)的示意單晶和多晶磁疇結(jié)構(gòu)的示意 磁化過程示意磁化過程示意 na：未磁化時(shí)狀態(tài)未磁化時(shí)狀態(tài)nb：疇壁的可逆位移階段：疇壁的可逆位移階段OA段段nc：不可逆的磁化：不可逆的磁化

10、AB段段nd：磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動：磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動BC段段ne：趨于飽和的階段：趨于飽和的階段CS段段等于每個(gè)磁疇中等于每個(gè)磁疇中原有的磁化強(qiáng)度原有的磁化強(qiáng)度 n在外磁場撤消后，鐵磁質(zhì)內(nèi)在外磁場撤消后，鐵磁質(zhì)內(nèi)摻雜摻雜和和內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力或因?yàn)榛蛞驗(yàn)榻橘|(zhì)存在缺陷介質(zhì)存在缺陷阻礙磁疇恢復(fù)阻礙磁疇恢復(fù)到原來的狀態(tài)到原來的狀態(tài) 磁磁疇疇 n影響鐵磁質(zhì)磁性的因素影響鐵磁質(zhì)磁性的因素 n 溫度對磁性有影響溫度對磁性有影響居里點(diǎn)高過居里點(diǎn)鐵磁性就消失，變居里點(diǎn)高過居里點(diǎn)鐵磁性就消失，變?yōu)轫槾刨|(zhì)。如純鐵的居里點(diǎn)為為順磁質(zhì)。如純鐵的居里點(diǎn)為1043K，鏑的居里點(diǎn)為，鏑的居里點(diǎn)為89K；n強(qiáng)烈震動會瓦解磁疇強(qiáng)烈震動會瓦解

11、磁疇 n尺寸影響磁疇結(jié)構(gòu)性尺寸影響磁疇結(jié)構(gòu)性介觀尺度下有新現(xiàn)象介觀尺度下有新現(xiàn)象n介觀尺度：即介于宏觀尺度與微觀尺度之間，一般為介觀尺度：即介于宏觀尺度與微觀尺度之間，一般為0.1100nma 片形疇（片形疇（L=8微米）；微米）； b 蜂窩疇（蜂窩疇（L=75微米）；微米）； c 楔形疇楔形疇圖圖 幾種鐵磁材料的磁疇結(jié)構(gòu)，其中幾種鐵磁材料的磁疇結(jié)構(gòu)，其中a、b為為Ba鐵氧體單晶基面上的鐵氧體單晶基面上的磁疇結(jié)構(gòu)，磁疇結(jié)構(gòu)，L為晶體厚度；為晶體厚度；c 為鈷的兩個(gè)晶粒上的磁疇結(jié)構(gòu)為鈷的兩個(gè)晶粒上的磁疇結(jié)構(gòu)宏觀鐵磁體的尺寸減小到介觀尺度宏觀鐵磁體的尺寸減小到介觀尺度 n此時(shí)磁性材料不再是具有疇壁

12、的多磁疇結(jié)構(gòu)，此時(shí)磁性材料不再是具有疇壁的多磁疇結(jié)構(gòu)，而是而是沒有疇壁的單疇結(jié)構(gòu)沒有疇壁的單疇結(jié)構(gòu)，單疇的臨界尺度大，單疇的臨界尺度大約在納米級范圍，例如鐵（約在納米級范圍，例如鐵（Fe）的球形顆粒產(chǎn)）的球形顆粒產(chǎn)生單疇的臨界直徑為生單疇的臨界直徑為28nm，鈷，鈷(Co)為為240nm。n由于熱擾動的影響，使這些磁有序物質(zhì)系統(tǒng)表由于熱擾動的影響，使這些磁有序物質(zhì)系統(tǒng)表現(xiàn)出特別的磁性質(zhì)，如現(xiàn)出特別的磁性質(zhì)，如類似順磁性的超順磁性類似順磁性的超順磁性 n與同類常規(guī)塊狀磁體相比，納米量級材料的與同類常規(guī)塊狀磁體相比，納米量級材料的居居里溫度低，矯頑力高里溫度低，矯頑力高。n磁性液體：用表面活性劑處

13、理過的超細(xì)磁性微粒磁性液體：用表面活性劑處理過的超細(xì)磁性微粒高度分散在載液中形成一種磁性膠體溶液，呈現(xiàn)高度分散在載液中形成一種磁性膠體溶液，呈現(xiàn)出超順磁性出超順磁性 磁性材料的分類及其應(yīng)用磁性材料的分類及其應(yīng)用 n按矯頑力大小分類按矯頑力大小分類n軟磁材料軟磁材料 nHC小，磁滯回線瘦，磁滯損小，磁滯回線瘦，磁滯損耗??；耗小；n有的有的BR小，通電后立即磁化小，通電后立即磁化獲得強(qiáng)磁場，斷電立即退磁，獲得強(qiáng)磁場，斷電立即退磁，適合用于強(qiáng)電適合用于強(qiáng)電n有的有的 起始磁導(dǎo)率大，適合用起始磁導(dǎo)率大，適合用于弱電于弱電n硬磁材料硬磁材料 nBR大，大，HC大，大，nHC：104106A/m；n磁滯回

14、線胖，磁滯損耗大；磁滯回線胖，磁滯損耗大；n撤外場后，仍能保持強(qiáng)磁性撤外場后，仍能保持強(qiáng)磁性。磁性材料在信息技術(shù)中的應(yīng)用磁性材料在信息技術(shù)中的應(yīng)用n隨著信息時(shí)代的到來，多種磁性材料在信息高新技隨著信息時(shí)代的到來，多種磁性材料在信息高新技術(shù)中獲得廣泛而重要的應(yīng)用術(shù)中獲得廣泛而重要的應(yīng)用 n磁記錄：主要有存儲裝置和寫入、讀出設(shè)備。存儲磁記錄：主要有存儲裝置和寫入、讀出設(shè)備。存儲裝置是用永磁材料制成的設(shè)備，包括磁頭和磁記錄裝置是用永磁材料制成的設(shè)備，包括磁頭和磁記錄介質(zhì)介質(zhì) n磁頭磁頭：n寫入過程中：磁頭將電信號寫入過程中：磁頭將電信號磁場磁場n讀出過程中：將磁記錄介質(zhì)的磁場讀出過程中：將磁記錄介質(zhì)

15、的磁場轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栟D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杗磁記錄介質(zhì)磁記錄介質(zhì)：內(nèi)存、外存、磁盤和磁：內(nèi)存、外存、磁盤和磁帶等帶等磁性功能材料磁性功能材料n壓磁材料也叫磁致伸縮材料壓磁材料也叫磁致伸縮材料 n鐵磁質(zhì)磁疇中磁化方向改變會導(dǎo)致介質(zhì)中晶格間距的改變鐵磁質(zhì)磁疇中磁化方向改變會導(dǎo)致介質(zhì)中晶格間距的改變 n 磁電阻材料磁電阻材料n磁場可以使許多金屬的電阻發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為磁電阻磁場可以使許多金屬的電阻發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為磁電阻效應(yīng)，相應(yīng)的材料為磁電阻材料效應(yīng)，相應(yīng)的材料為磁電阻材料(MR) n磁電阻材料磁電阻材料(MR)： n巨磁電阻效應(yīng)（簡稱巨磁電阻效應(yīng)（簡稱GMR） n超巨磁電阻材料超巨磁電阻材料 n在小型化的在小型化的 微型化高密度磁記錄讀出磁頭、隨機(jī)存儲器和微型化高密度磁記錄讀出磁頭、隨機(jī)存儲器和微型傳感器中獲得重要應(yīng)用微型傳