第16章物質的磁性-reduced

第16章物質的磁性前面兩章討論了真空中磁場的規(guī)律，本章我們將討論磁場中的物質和磁場相互作用的規(guī)律。1內容§16.1磁介質及其分類§16.2有磁介質時磁場的規(guī)律§16.3鐵磁質2§16.1磁介質及其分類

一、磁介質的分類

從電磁學角度看，原子、分子在總體上可以等效為一微小環(huán)形電流，而環(huán)形電流的磁性質可用磁矩來表示，這樣，所有由原子和分子組成的物質都具有磁性.1、物質磁性的概述構成物質的原子和分子中的電子有兩種運動：a.繞核的軌道運動——軌道磁矩b.電子的自旋——自旋磁矩3由于不同物質的原子所包含的電子數目不同，電子所處的狀態(tài)不同，所以由軌道磁矩和自旋磁矩合成的分子磁矩也不同。所以分子磁矩決定了物質的磁性。對于分子磁矩不為0的物質，其分子磁矩可以看成是由一個分子電流（環(huán)形電流）產生的。由于磁單極不存在，所以磁偶極子是研究物質磁性的基本單元，其磁矩或分子磁矩為：分子電流

磁偶極子4根據磁介質的磁化機制分為：順磁質；抗磁質；鐵磁質（1）順磁質對于順磁質來說，是其分子磁矩不為零的磁介質即：2、磁介質的磁化和分類前知

磁介質是能夠對磁場發(fā)生影響的物質5順磁質磁化微觀機制B0真空中介質的分子磁矩(分子中的電子自旋和繞核運動B無外場,磁矩隨機取向,相互抵消.順磁質的磁化微觀機制0B0BB施加,順磁質的與同向.,6如：Mn，Cr，O2，Al特點：總磁場附加磁場與外磁場方向相同，外磁場越強，附加磁場越強；當外磁場去掉時，又恢復原來的狀態(tài)；附加磁場較弱。7對于抗磁質來說，雖然原來分子磁矩為零（m＝0），但在外磁場作用下出現了附加磁矩，并總是沿與外磁場相反的方向排列起來，因而也顯示出宏觀磁性，這就是抗磁質的磁化。(2)抗磁質8抗磁質磁化微觀機制B0真空中抗磁質的磁化微觀機制B抗磁質的電子磁矩矢量和近乎零.(順磁質亦有此效應,其影響相對較小).0B0BB施加,引起感應分子電流(無阻),所形成的與反向.9如：汞、銅、鉍、氫、氯、銀、鋅和鉛等特點：總磁場

附加磁場與外磁場方向相反，外磁場越強，附加磁場越強；當外磁場去掉時，又恢復原來的狀態(tài)；附加磁場較弱。10（3）鐵磁質如：鐵、鈷、鎳和它們的合金，稀土鈷合金，釹-鐵-硼以及各種鐵氧體等都屬于此類。鐵磁質的分子磁矩不等于零。就單個分子而言，與順磁質沒有區(qū)別，但構成晶體后，此類物質的分子磁矩之間存在一種作用——交換作用。無外磁場時也能使分子磁矩平行排列，抵制熱運動的破壞，宏觀上顯示出很強的磁性。11磁化強度矢量表征宏觀磁性,定義為單位體積內分子磁矩的矢量和式中是體積內的分子磁矩或分子感生磁矩的矢量和。二、磁介質的磁化強度

磁化強度矢量是反映和描述磁介質的磁化狀態(tài)和磁化程度的物理量。磁介質在一定溫度和一定外磁場下，都將表現出一定的宏觀磁性，這就是磁化(magnetization)

。12如果磁介質中各處的磁化強度的大小和方向都一致就稱均勻磁化。在國際單位制中,磁場強度和磁化強度的單位都是Am-1。順磁質：M的大小很小，方向與外場的方向相同；抗磁質：M的大小很小，方向與外場的方向相反；鐵磁質：M的大小很大，方向與外場的方向相同。13在磁介質內任意一點上總有成對且方向相反的分子電流通過，效果上互相抵消，但在磁介質邊緣表面形成大的環(huán)形電流，稱磁化電流（束縛電流）。三、磁化的磁介質內的磁化電流14磁化電流B0表面形成磁化電流磁化電流l磁化電流I’

內部分子電流抵消15順磁質磁化電流的方向與螺線管中的傳導電流的方向相同，抗磁質相反。在磁化的磁介質內任意點B=B0+B，對于順磁質B與B0方向相同，因而B>B0；對于抗磁質，B與B0方向相反，因而B<B0。II’I四、磁化的磁介質內的磁感應強度16把附加磁場看作單位長度上電流為i的長直螺線管在其內部產生的磁場，B=0i=0

M

以長度為l的長直螺線管為例，傳導電流為I0。其內充滿磁介質，長度為l，橫截面積為S，磁化后表面單位長度的磁化電流為i(表面的總磁化電流為I=il)，總磁矩磁介質磁化強度大小I0五、磁感應強度與磁化強度的關系17對于任何磁介質，B的方向總與M方向一致，寫為矢量形式螺線管內部磁介質任一點,B0可由傳導電流I0和螺線管的繞組密度n求得。18六、磁化強度與磁化電流的關系

電介質極化后出現的極化強度和極化電荷(極化電荷面密度)是同一物理現象的不同描述。介質磁化后磁化強度M，同時介質表面出現磁化電流I

，二者是同一物理現象的不同表現。設磁介質內每個分子具有相同分子電流i,分子電流所包圍的面積都是a，則每個分子磁矩為：（在介質內每個分子磁矩都平行排列）MndlLSBA19MndlLSBA設：磁介質單位體積內的分子數為n，則介質的磁化強度為在磁介質中任取一曲面S，設其邊界為L?，F在求出由于磁化通過任意曲面S的磁化電流強度I’與M的關系：對I’

有貢獻的分子電流：環(huán)繞L的分子電流因此，求出環(huán)繞L的分子個數，再乘以分子電流的值便可求出I’。20取線元dl為軸a為底作一柱體，底面與dl夾角,柱體積：d=acosdl=adl,分子電流數目：nd

=nadl，環(huán)繞dl的分子電流:MndlLSBA磁化強度與磁化電流的普遍關系。環(huán)繞L的分子電流21在磁化強度為M的介質表面取一矩形環(huán)路abcda，

Mcos=Mt是磁化強度沿介質表面的切向分量，得到重要關系Mt=j

或者Mn=j

定義介質表面單位長度的磁化電流為磁化電流密度j

介質表面磁化電流密度只決定于磁化強度沿該表面的切向分量,與法向分量無關。bacdlMn表面2223§16.2有磁介質時磁場的規(guī)律

一、有介質時磁場的安培環(huán)路定理二、環(huán)路定理的應用舉例三、磁場的界面關系*靜磁屏蔽考慮到磁化電流，（1）式則需要修改。真空中的規(guī)律24j0為傳導電流密度，S以L為邊界的曲面。上式是有磁介質存在時的安培環(huán)路定理，安培環(huán)路定理的普遍形式。引入磁場強度H與在靜電場中存在電介質時引入輔助量電感應強度D的情形極為相似。

磁場強度矢量

一、有介質時磁場的安培環(huán)路定理1、磁介質的安培環(huán)路定理252、磁化率和磁導率實驗表明：各向同性的順磁質和抗磁質M=mHm稱為磁介質的磁化率，是描述磁介質性質的物理量。其中，磁介質的相對磁導率26：磁介質的絕對磁導率順磁質m

>0(～10-5-10-4)，r>1抗磁質m<0（～10-6-10-5），r<1鐵磁質，m（106）和真空中m=0,

r=1,=0,于是B=

0H

273.磁介質中的高斯定理由于磁化電流和傳導電流在產生磁效應上沒有本質的區(qū)別，磁感應線都是閉合曲線，因此，2829

二、環(huán)路定理的應用舉例解題步驟：(1)根據傳導電流的分布，利用安培環(huán)路定理的普遍形式求出磁場強度矢量H；(2)根據H與B的關系，求出磁感應強度B；(3)由各向同性非鐵磁介質的性質M=mH，求出磁介質中的磁化強度M。30例1：在相對磁導率r=1000的磁介質環(huán)上均勻繞著線圈,單位長度上的匝數為n=500m-1，通電流I=2.0A。求磁介質環(huán)內的磁場強度H、磁感應強度B和磁化強度M。解：利用安培環(huán)路定理可求得磁介質內的磁場強度H取介質環(huán)的平均周長(半徑為r)為積分路徑，得2rH=

2rnI31環(huán)內的磁場強度：H=nI=5002.0Am1=1.0103Am-1，B=0

r

H=410-71031.0103T=1.2T根據32例題2有一無限長螺線管，其中充塞著相對磁導率為r的各向同性的均勻順磁介質，螺線管單位長度的線圈匝數為n，所通電流為I。求管內介質中的磁場強度H、磁感應強度B和磁化強度M。

解：磁介質充滿整個無限長螺線管內部，具有所要求的對稱性，用安培環(huán)路定理求解。在這樣的螺線管內的磁場是勻強磁場，磁感應強度B0的方向與管軸平行，假設其指向為自左向右。33即在以上四項積分中，后三項等于零，第一項可以積分，并等于，故得H的方向自左向右(1)作矩形閉合回路abcda，其中ab與管軸線平行，并處于螺線管的內部，cd處于螺線管外部，bc和da與管軸線垂直。在這個閉合回路中，包圍的電流的代數和為，根據安培環(huán)路定理，應有34(2)對于各向同性的順磁介質，下面的關系成立：并且

r>0，所以B的方向與H的方向相同

另外，也可以由B0求B。B0為螺線管內為真空時的磁感應強度，已有：B0的方向由右手定則確定，我們已經假設自左指向右。在滿足所要求對稱性的情況下，磁介質內的磁感應強度可以表示為35(3)根據各向同性的均勻非鐵磁介質的性質，M與H成正比，故得也可以根據H的定義求M：M的方向：對于順磁質，m

>0，

r>1，所以M的方向與H的方向相同，即自左向右；對于抗磁質m<0，

r<1，所以M的方向與H的方向相反，即自右向左。36B線進入鐵磁質后其偏離法線非常大，使B線強烈地聚集在磁介質內，這就是所謂的“磁感應線沿鐵走”和“磁屏蔽”特別是對于鐵磁質，在實際應用中，精密探頭、顯像管等都需要磁屏蔽。把磁導率不同的磁介質放在磁場中，在介質交界面上磁場會發(fā)生突變，磁感應強度大小和方向都要發(fā)生變化而引起磁感線折射。這時磁感線對界面法線的偏離很大，產生強烈的收縮。磁屏蔽37對于鐵、鈷、鎳等元素以及它們與其他元素組成的合金，即使在弱磁場的作用下也可以使磁偶極子的排列達到很高的整齊程度，而且在外磁場停止作用后，仍保持磁化狀態(tài)。這類物質稱為鐵磁質。

一、自發(fā)磁化強度自發(fā)磁化：在沒有外磁場作用的情況下，分子磁矩已經自發(fā)地定向排列起來了自發(fā)磁化對應一定的磁化強度，稱為自發(fā)磁化強度

§16.3鐵磁質381、原子磁矩自發(fā)地定向排列，是電子自旋之間的一種靜電相互作用引起的，這種相互作用稱為交換作用。交換作用是一種量子效應，在經典范圍內不存在與之相對應的概念。我們只要知道，交換作用導致原子磁矩平行排列就夠了。2、正因為鐵磁質存在自發(fā)磁化的性質，所以一般鐵磁體在不太強的磁場作用下就很容易達到磁化飽和狀態(tài)。39二、居里溫度溫度超過某一臨界溫度時，交換作用不足以克服熱運動作用，鐵磁質自發(fā)磁化強度將消失。這個臨界溫度稱為鐵磁質的居里溫度或居里點。鐵磁質處于居里溫度以上鐵磁性轉變?yōu)轫槾判浴?/p>

2413690K釓鈷鐵鎳114K31K23K()C1140769C853C02C40三、鐵磁質內的磁疇結構每個小區(qū)域內原子或離子磁矩平行排列，而各磁疇取向平均抵消，因而整個鐵磁體對外不顯示磁性。在無外磁場作用的條件下，鐵磁質中自旋磁矩可以在小范圍內“自發(fā)地”分裂為很多小區(qū)域稱為磁疇磁疇近代科學證明，鐵磁質的磁性主要來源于電子的自旋磁矩。41純鐵硅鐵鈷磁疇可用金相顯微鏡和偏振光顯微鏡觀測。42Si-Fe單晶(001)面的磁疇結構箭頭表示磁化方向0.1mm43H0HHHH

各磁疇磁化方向混亂，整體不顯磁性.疇壁運動

磁疇的自發(fā)磁化方向與外場方向相同或相近的磁疇體積擴大,反之縮小.磁疇壁發(fā)生運動.磁疇轉向

磁疇的自發(fā)磁化方向轉向外場方向.飽和

全部磁疇方向均轉向外場方向.鐵磁體將通過兩種途徑實現磁化（疇壁運動和磁疇轉向）。44如果磁化達到飽和后再撤除外磁場，鐵磁體將重新分裂為很多磁疇，但每個磁疇狀況和磁化強度取向，并不恢復到原先沒加外磁場的情形。這就使鐵磁質的磁化過程表現出不可逆性。

四、磁滯