磁介質(zhì)的磁化規(guī)律

1、問題問題 磁場強度是一個輔助矢量磁場強度是一個輔助矢量已知已知I0，先求，先求H，利用利用H求求B，需要知道，需要知道H和和B的關(guān)系？的關(guān)系？0LH dlI一一 磁化率和磁導(dǎo)率磁化率和磁導(dǎo)率6-3 磁介質(zhì)的磁化規(guī)律磁介質(zhì)的磁化規(guī)律BBIMB1 磁介質(zhì)的磁化規(guī)律磁介質(zhì)的磁化規(guī)律習(xí)題：習(xí)題：6.3-26.3-2 6.3-4 6.3-4對于各向同性線性磁介質(zhì)對于各向同性線性磁介質(zhì)mMH0BHM00BHM00(1)mrHH 磁化率磁化率相相對對磁磁導(dǎo)導(dǎo)率率B和和M的關(guān)系為的關(guān)系為 01rmmBMMk 各向同性線性磁介質(zhì)各向同性線性磁介質(zhì) , 1, 0m很很小小|mM和和B同向，順磁質(zhì)同向，順磁質(zhì), 1

2、, 0m很很小小|mM和和B反向，抗磁質(zhì)反向，抗磁質(zhì)真空中，真空中，M=0, 1, 0m0BH無磁化現(xiàn)象無磁化現(xiàn)象 磁化率磁化率 m m 對于對于各向同性線性介質(zhì)各向同性線性介質(zhì) m是沒有量綱的標量是沒有量綱的標量 均勻介質(zhì)均勻介質(zhì) m是常數(shù)是常數(shù) 非均勻介質(zhì)非均勻介質(zhì) m是介質(zhì)中各點坐標的函數(shù)，甚至是時間是介質(zhì)中各點坐標的函數(shù)，甚至是時間的函數(shù)的函數(shù) 對對各向異性磁介質(zhì)各向異性磁介質(zhì) m會因方位不同而不同，是會因方位不同而不同，是二階張量二階張量 如鐵磁質(zhì)如鐵磁質(zhì) M與與H不成正比關(guān)系，甚至也不是單值關(guān)系不成正比關(guān)系，甚至也不是單值關(guān)系 M與與H為為非線性單值非線性單值關(guān)系時，雖仍可用上述關(guān)

3、系式定關(guān)系時，雖仍可用上述關(guān)系式定義，但它們都不是恒量，而是義，但它們都不是恒量，而是H的函數(shù)，且的函數(shù)，且 m 1，其數(shù)量級為其數(shù)量級為102106地位和作用類似于地位和作用類似于 e e 3 兩類分子兩類分子 無外場無外場 有外場有外場 分子磁矩分子磁矩 m分子分子= 0 m分子分子=0 m分子分子 0 分子磁矩分子磁矩 m分子分子 0 m分子分子=0 m分子分子 00BB鐵鐵磁質(zhì)磁質(zhì)（鐵、鈷、鎳等）（鐵、鈷、鎳等）順磁質(zhì)順磁質(zhì) 0BB0BB抗抗磁質(zhì)磁質(zhì)（鋁、氧、錳等）（鋁、氧、錳等）（銅、鉍、氫等）（銅、鉍、氫等）弱磁質(zhì)弱磁質(zhì)2 磁介質(zhì)分類磁介質(zhì)分類強磁性強磁性5分子圓電流和磁矩分子圓電

4、流和磁矩 mI無外磁場無外磁場順順 磁磁 質(zhì)質(zhì) 的的 磁磁 化化0B有外磁場有外磁場sI0BBB順順磁質(zhì)內(nèi)磁場磁質(zhì)內(nèi)磁場二二 順磁質(zhì)的磁化順磁質(zhì)的磁化 抗磁質(zhì)分子的固有磁矩抗磁質(zhì)分子的固有磁矩m分子分子= 0 不存在固有磁矩規(guī)則取向引起的順磁效應(yīng)，不存在固有磁矩規(guī)則取向引起的順磁效應(yīng)，磁性來源？磁性來源？ 抗磁性起源于電子軌道運動在外磁場下的抗磁性起源于電子軌道運動在外磁場下的變化變化 電子軌道運動為什么會變化？原因：在外電子軌道運動為什么會變化？原因：在外磁場下受洛倫茲力磁場下受洛倫茲力 三三 抗磁質(zhì)的磁化抗磁質(zhì)的磁化7無外磁場時抗磁質(zhì)無外磁場時抗磁質(zhì)分子磁矩為零分子磁矩為零 0m0BBB抗

5、抗磁質(zhì)內(nèi)磁場磁質(zhì)內(nèi)磁場qv0B0,B 同同向向時時qv0,B 反反向向時時0BFmFmmm抗磁質(zhì)的磁化抗磁質(zhì)的磁化 在原子或分子內(nèi)，一般不止有一個電子在原子或分子內(nèi)，一般不止有一個電子 分子磁矩：所有電子的軌道磁矩和自旋分子磁矩：所有電子的軌道磁矩和自旋磁矩的矢量和磁矩的矢量和 電子軌道磁矩電子軌道磁矩lmiSn22eeveiTr2lemLm 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SemSm n若所有電子的總角動量為零，抗磁若所有電子的總角動量為零，抗磁n所有電子的總角動量不為零所有電子的總角動量不為零 ，順磁，順磁 2Lmr 考慮電子軌道運動，設(shè)電子角速度平行于外考慮電子

6、軌道運動，設(shè)電子角速度平行于外磁場磁場 求無外磁場時的角速度求無外磁場時的角速度 0 0( (電子只受庫侖力）電子只受庫侖力）加外磁場，電子受庫侖力、洛倫茲力（指向中加外磁場，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)），心），假設(shè)軌道的半徑不變（相當(dāng)于定態(tài)假設(shè)），一般有洛倫茲力遠小于庫侖力一般有洛倫茲力遠小于庫侖力rmrZe202024213020)4(mrZermrBerZe20202400,0202220000e rBmreBmrmrmrBerBerZe02000020224洛倫茲力遠小洛倫茲力遠小于庫侖力，高于庫侖力，高階小量，略階小量，略meB20 考慮電

7、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，的方向總與外磁場相同的方向總與外磁場相同 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 222024ere rmBm 總是與外總是與外磁場方向磁場方向相反相反 當(dāng)介質(zhì)處于磁場中時，每個電子磁矩都受到磁力矩當(dāng)介質(zhì)處于磁場中時，每個電子磁矩都受到磁力矩的作用的作用 0MmB一般情況下的討論，夾角為任意角一般情況下的討論，夾角為任意角0ldLMmBdt2lemLm SemSm lMmML旋進，拉摩進動，只改變角動量方向，不改變其大小旋進，拉摩進動，只改變角動量方向，不改變其大小d0BLmlSmmm以以軌

8、道角動量軌道角動量變化為例變化為例d0BLm00sin2sin2llddLmeddtLLmedLm BdtBm 0ldLMmBdtlMmML旋進，拉摩進動，只改變角動量方向旋進，拉摩進動，只改變角動量方向附加角速度附加角速度22lerm 和外加磁場反向和外加磁場反向完全抗磁性完全抗磁性 ：超導(dǎo)體：超導(dǎo)體 邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng) 超導(dǎo)重力儀超導(dǎo)重力儀B=0M=-H四四 鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律 2 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飽和磁化強度度和和飽和磁感應(yīng)強度飽和磁感應(yīng)強度 1 特點特點 其中其中M的值相當(dāng)大；的值相當(dāng)大； MH、BH之間的關(guān)系之間的關(guān)系非線性和

9、非單值。實驗表非線性和非單值。實驗表明，明，M和和H間的函數(shù)關(guān)系間的函數(shù)關(guān)系較復(fù)雜，且與磁化歷史有較復(fù)雜，且與磁化歷史有關(guān)。關(guān)。 M與與H、B的關(guān)系通常通過的關(guān)系通常通過實驗測定實驗測定 000,()rMBHHBHMM 14矯頑力矯頑力cH 當(dāng)外磁場由當(dāng)外磁場由 逐漸減小時，這種逐漸減小時，這種 B的變化落后于的變化落后于H的變的變化的現(xiàn)象，叫做化的現(xiàn)象，叫做磁滯磁滯現(xiàn)象現(xiàn)象 ，簡稱，簡稱磁滯磁滯.mHmBmHPrBcHmHPmBHBO磁滯回線磁滯回線Q 由于磁滯，由于磁滯， 時，時，磁感強度磁感強度 ， 叫做剩余磁感強叫做剩余磁感強度度( (剩磁剩磁) ).0H0BrB3 磁滯回線磁滯回線

10、4 磁滯損耗磁滯損耗 鐵磁質(zhì)在交變磁場下反復(fù)磁化時，由于磁滯鐵磁質(zhì)在交變磁場下反復(fù)磁化時，由于磁滯效應(yīng)，磁體要發(fā)熱而散失熱量，這種能量損效應(yīng)，磁體要發(fā)熱而散失熱量，這種能量損失稱為磁滯損耗。失稱為磁滯損耗。 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”代表在一個反復(fù)磁化的循環(huán)過程中單位代表在一個反復(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 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； 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 證明證明 ，計算電源要抵抗感應(yīng)電動勢做功，

11、計算電源要抵抗感應(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 設(shè)設(shè)dt時間內(nèi)，鐵時間內(nèi)，鐵芯芯中磁通改變?yōu)橹写磐ǜ淖優(yōu)閐 電源抵抗感應(yīng)電電源抵抗感應(yīng)電動勢做功動勢做功dIdtdtdIdtIdA000lNnnIH,0VHdBSlHdBNSdBlNHdIdA0NSBHdBVdAda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 磁磁 疇疇無外磁場無外磁場B有有外外磁磁場場5 鐵磁質(zhì)磁化機制鐵磁質(zhì)磁化機制 l實驗證明，鐵磁質(zhì)的磁性主要來源于電子自旋磁矩。未實驗證明，鐵磁質(zhì)的磁性主要來源于電子自旋磁矩。未有外磁場時鐵磁質(zhì)中電子自旋磁矩可以在小范圍

12、內(nèi)有外磁場時鐵磁質(zhì)中電子自旋磁矩可以在小范圍內(nèi)“自自發(fā)發(fā)”排列起來，形成小的排列起來，形成小的“自發(fā)磁化區(qū)自發(fā)磁化區(qū)”磁疇磁疇 l其原因是其原因是相鄰原子中電子間存在一種交換作用相鄰原子中電子間存在一種交換作用（一種量（一種量子效應(yīng)），使電子的子效應(yīng)），使電子的原子磁矩平行排列起來，從原子磁矩平行排列起來，從而自發(fā)而自發(fā)磁化磁化 磁化過程磁化過程 a：未磁化時狀態(tài)未磁化時狀態(tài) b：疇壁的可逆位移階段：疇壁的可逆位移階段OA段段 c：不可逆的磁化：不可逆的磁化AB段段 d：磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動：磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動BC段段 e：趨于飽和的階段：趨于飽和的階段CS段段在外磁場撤消后，鐵磁質(zhì)內(nèi)在外磁場撤消后，鐵

13、磁質(zhì)內(nèi)摻雜摻雜和和內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力或因為或因為介質(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) 影響鐵磁質(zhì)磁性的因素影響鐵磁質(zhì)磁性的因素 溫度，高過居里點鐵磁性就消失，變?yōu)轫槾刨|(zhì)。如純鐵的居溫度，高過居里點鐵磁性就消失，變?yōu)轫槾刨|(zhì)。如純鐵的居里點為里點為1043K，鏑的居里點為，鏑的居里點為89K； 強烈震動會瓦解磁疇強烈震動會瓦解磁疇 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 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

14、窩疇（L=75微米）；微米）； c 楔形疇楔形疇幾種鐵磁材料的磁疇結(jié)構(gòu)幾種鐵磁材料的磁疇結(jié)構(gòu)，a、b為為Ba鐵氧體單晶基面上的磁疇結(jié)構(gòu)，鐵氧體單晶基面上的磁疇結(jié)構(gòu)，L為為晶體厚度；晶體厚度；c 為鈷的兩個晶粒上的磁疇結(jié)構(gòu)為鈷的兩個晶粒上的磁疇結(jié)構(gòu)p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 此時磁性材料不再是具有疇壁的多磁疇結(jié)構(gòu)，而此時磁性材料不再是具有疇壁的多磁疇結(jié)構(gòu)，而是是沒有疇壁的單疇結(jié)構(gòu)沒有疇壁的單疇結(jié)構(gòu)，單疇的臨界尺度大約在，單疇的臨界尺度大約在納米級范圍，例如鐵的球形顆粒產(chǎn)生單疇的臨界納米級范圍，例如鐵的球形顆粒產(chǎn)生單疇的臨界直徑為直徑為28nm28nm，鈷為，鈷

15、為240nm240nm。 由于熱擾動的影響，使這些磁有序物質(zhì)系統(tǒng)表現(xiàn)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 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，納米量級材料的居里居里溫度低，矯頑力高溫度低，矯頑力高。磁性液體：用表面活性劑處理過的超細磁性微磁性液體：用表面活性劑處理過的超細磁性微粒高度分散在載液中形成一種磁性膠體溶液，粒高度分散在載液中形成一種磁性膠體溶液，呈現(xiàn)出超順磁性呈現(xiàn)出超順磁性 鐵磁性材料的分類及其應(yīng)用鐵磁性材料的分類及其應(yīng)用 硬磁材料硬磁材料 BR大，大，HC大，大， HC：10

16、4106A/m； 磁滯回線胖，磁滯磁滯回線胖，磁滯損耗大；損耗大； 撤外場后，仍能保撤外場后，仍能保持強磁性持強磁性。HBO軟軟磁材料磁材料HBO硬硬磁材料磁材料HBO矩矩磁鐵氧體材料磁鐵氧體材料 軟磁材料軟磁材料 矯頑力小，磁滯回線瘦，磁滯損耗??；矯頑力小，磁滯回線瘦，磁滯損耗?。?有的有的BR小，通電后立即磁化獲得強磁小，通電后立即磁化獲得強磁場，斷電立即退磁，適合用于強電場，斷電立即退磁，適合用于強電 有的起始磁導(dǎo)率大，適合用于弱電有的起始磁導(dǎo)率大，適合用于弱電在信息技術(shù)中的在信息技術(shù)中的應(yīng)用應(yīng)用 隨著信息時代的到來，多種磁性材料在信息高新技隨著信息時代的到來，多種磁性材料在信息高新技術(shù)

17、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 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：磁頭將電信號寫入過程：磁頭將電信號磁場磁場n讀出過程：將磁記錄介質(zhì)的磁場讀出過程：將磁記錄介質(zhì)的磁場電信號電信號n磁記錄介質(zhì)磁記錄介質(zhì)：內(nèi)存、外存、磁盤和：內(nèi)存、外存、磁盤和磁帶等磁帶等HBO矩矩磁鐵氧體材料磁鐵氧體材料磁性功能材料磁性功能材料 壓磁材料也叫磁致伸縮材料壓磁材料也叫磁致伸縮材料 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

18、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 磁電阻材料磁電阻材料 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)(MR) 磁電阻材料磁電阻材料(MR)(MR)： 巨磁電阻效應(yīng)（簡稱巨磁電阻效應(yīng)（簡稱GMRGMR） 超巨磁電阻材料超巨磁電阻材料 在小型化的在小型化的 微型化高密度磁記錄讀出磁頭、隨機存儲器和微型化高密度磁記錄讀出磁頭、隨機存儲器和微型傳感器中獲得重要應(yīng)用微型傳感器中獲得重要應(yīng)用 液體磁性液體磁性 既具有固體的強磁性，又具有液體的流動性既具有固體的強磁

19、性，又具有液體的流動性 %6%2/RR%50/達到RR631010/ RR 法國科學(xué)家阿爾貝法國科學(xué)家阿爾貝費爾和德國科學(xué)家彼費爾和德國科學(xué)家彼得得格林貝格爾因分別獨立發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)共獲格林貝格爾因分別獨立發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)共獲2007年諾貝爾物理學(xué)獎。年諾貝爾物理學(xué)獎。 諾貝爾評委會主席佩爾諾貝爾評委會主席佩爾卡爾松用兩張圖片卡爾松用兩張圖片的對比說明了巨磁阻的重大意義：一臺的對比說明了巨磁阻的重大意義：一臺1954年體年體積占滿整間屋子的電腦，和一個如今非常普通、積占滿整間屋子的電腦，和一個如今非常普通、手掌般大小的硬盤。正是巨磁阻的發(fā)現(xiàn)，單位面手掌般大小的硬盤。正是巨磁阻的發(fā)現(xiàn)，單位面積介質(zhì)存儲的信息量才得以大幅提升。積介質(zhì)存儲的信息量才得以大幅提升。 一位科研人員也說：一位科研人員也說：“看看你的計算機硬盤看看你的計算機硬盤存儲能力有多大，就知道他們的貢獻有多大了。存儲能力有多大，就知道他們的貢獻有多大了?！?我們司空見慣的筆記本電腦、我們司空見慣的筆記本電腦、MP3、U盤等消費盤等消費品，都閃爍著耀眼的科學(xué)光芒。諾貝爾獎并不總品，都