第16章物質(zhì)的磁性-reduced

第16章物質(zhì)的磁性前面兩章討論了真空中磁場(chǎng)的規(guī)律，本章我們將討論磁場(chǎng)中的物質(zhì)和磁場(chǎng)相互作用的規(guī)律。1內(nèi)容§16.1磁介質(zhì)及其分類§16.2有磁介質(zhì)時(shí)磁場(chǎng)的規(guī)律§16.3鐵磁質(zhì)2§16.1磁介質(zhì)及其分類

一、磁介質(zhì)的分類

從電磁學(xué)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(zhì)可用磁矩來(lái)表示，這樣，所有由原子和分子組成的物質(zhì)都具有磁性.1、物質(zhì)磁性的概述構(gòu)成物質(zhì)的原子和分子中的電子有兩種運(yùn)動(dòng)：a.繞核的軌道運(yùn)動(dòng)——軌道磁矩b.電子的自旋——自旋磁矩3由于不同物質(zhì)的原子所包含的電子數(shù)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(zhì)的磁性。對(duì)于分子磁矩不為0的物質(zhì)，其分子磁矩可以看成是由一個(gè)分子電流（環(huán)形電流）產(chǎn)生的。由于磁單極不存在，所以磁偶極子是研究物質(zhì)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(jù)磁介質(zhì)的磁化機(jī)制分為：順磁質(zhì)；抗磁質(zhì)；鐵磁質(zhì)（1）順磁質(zhì)對(duì)于順磁質(zhì)來(lái)說(shuō)，是其分子磁矩不為零的磁介質(zhì)即：2、磁介質(zhì)的磁化和分類前知

磁介質(zhì)是能夠?qū)Υ艌?chǎng)發(fā)生影響的物質(zhì)5順磁質(zhì)磁化微觀機(jī)制B0真空中介質(zhì)的分子磁矩(分子中的電子自旋和繞核運(yùn)動(dòng)B無(wú)外場(chǎng),磁矩隨機(jī)取向,相互抵消.順磁質(zhì)的磁化微觀機(jī)制0B0BB施加,順磁質(zhì)的與同向.,6如：Mn，Cr，O2，Al特點(diǎn)：總磁場(chǎng)附加磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)方向相同，外磁場(chǎng)越強(qiáng)，附加磁場(chǎng)越強(qiáng)；當(dāng)外磁場(chǎng)去掉時(shí)，又恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)；附加磁場(chǎng)較弱。7對(duì)于抗磁質(zhì)來(lái)說(shuō)，雖然原來(lái)分子磁矩為零（m＝0），但在外磁場(chǎng)作用下出現(xiàn)了附加磁矩，并總是沿與外磁場(chǎng)相反的方向排列起來(lái)，因而也顯示出宏觀磁性，這就是抗磁質(zhì)的磁化。(2)抗磁質(zhì)8抗磁質(zhì)磁化微觀機(jī)制B0真空中抗磁質(zhì)的磁化微觀機(jī)制B抗磁質(zhì)的電子磁矩矢量和近乎零.(順磁質(zhì)亦有此效應(yīng),其影響相對(duì)較小).0B0BB施加,引起感應(yīng)分子電流(無(wú)阻),所形成的與反向.9如：汞、銅、鉍、氫、氯、銀、鋅和鉛等特點(diǎn)：總磁場(chǎng)

附加磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)方向相反，外磁場(chǎng)越強(qiáng)，附加磁場(chǎng)越強(qiáng)；當(dāng)外磁場(chǎng)去掉時(shí)，又恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)；附加磁場(chǎng)較弱。10（3）鐵磁質(zhì)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(zhì)的分子磁矩不等于零。就單個(gè)分子而言，與順磁質(zhì)沒(méi)有區(qū)別，但構(gòu)成晶體后，此類物質(zhì)的分子磁矩之間存在一種作用——交換作用。無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)也能使分子磁矩平行排列，抵制熱運(yùn)動(dòng)的破壞，宏觀上顯示出很強(qiáng)的磁性。11磁化強(qiáng)度矢量表征宏觀磁性,定義為單位體積內(nèi)分子磁矩的矢量和式中是體積內(nèi)的分子磁矩或分子感生磁矩的矢量和。二、磁介質(zhì)的磁化強(qiáng)度

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

。12如果磁介質(zhì)中各處的磁化強(qiáng)度的大小和方向都一致就稱均勻磁化。在國(guó)際單位制中,磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁化強(qiáng)度的單位都是Am-1。順磁質(zhì)：M的大小很小，方向與外場(chǎng)的方向相同；抗磁質(zhì)：M的大小很小，方向與外場(chǎng)的方向相反；鐵磁質(zhì)：M的大小很大，方向與外場(chǎng)的方向相同。13在磁介質(zhì)內(nèi)任意一點(diǎn)上總有成對(duì)且方向相反的分子電流通過(guò)，效果上互相抵消，但在磁介質(zhì)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(zhì)內(nèi)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(nèi)部分子電流抵消15順磁質(zhì)磁化電流的方向與螺線管中的傳導(dǎo)電流的方向相同，抗磁質(zhì)相反。在磁化的磁介質(zhì)內(nèi)任意點(diǎn)B=B0+B，對(duì)于順磁質(zhì)B與B0方向相同，因而B(niǎo)>B0；對(duì)于抗磁質(zhì)，B與B0方向相反，因而B(niǎo)<B0。II’I四、磁化的磁介質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度16把附加磁場(chǎng)看作單位長(zhǎng)度上電流為i的長(zhǎng)直螺線管在其內(nèi)部產(chǎn)生的磁場(chǎng)，B=0i=0

M

以長(zhǎng)度為l的長(zhǎng)直螺線管為例，傳導(dǎo)電流為I0。其內(nèi)充滿磁介質(zhì)，長(zhǎng)度為l，橫截面積為S，磁化后表面單位長(zhǎng)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(zhì)磁化強(qiáng)度大小I0五、磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁化強(qiáng)度的關(guān)系17對(duì)于任何磁介質(zhì)，B的方向總與M方向一致，寫(xiě)為矢量形式螺線管內(nèi)部磁介質(zhì)任一點(diǎn),B0可由傳導(dǎo)電流I0和螺線管的繞組密度n求得。18六、磁化強(qiáng)度與磁化電流的關(guān)系

電介質(zhì)極化后出現(xiàn)的極化強(qiáng)度和極化電荷(極化電荷面密度)是同一物理現(xiàn)象的不同描述。介質(zhì)磁化后磁化強(qiáng)度M，同時(shí)介質(zhì)表面出現(xiàn)磁化電流I

，二者是同一物理現(xiàn)象的不同表現(xiàn)。設(shè)磁介質(zhì)內(nèi)每個(gè)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(gè)分子磁矩為：（在介質(zhì)內(nèi)每個(gè)分子磁矩都平行排列）MndlLSBA19MndlLSBA設(shè)：磁介質(zhì)單位體積內(nèi)的分子數(shù)為n，則介質(zhì)的磁化強(qiáng)度為在磁介質(zhì)中任取一曲面S，設(shè)其邊界為L(zhǎng)?，F(xiàn)在求出由于磁化通過(guò)任意曲面S的磁化電流強(qiáng)度I’與M的關(guān)系：對(duì)I’

有貢獻(xiàn)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(gè)數(shù)，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(shù)目：nd

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

Mcos=Mt是磁化強(qiáng)度沿介質(zhì)表面的切向分量，得到重要關(guān)系Mt=j

或者M(jìn)n=j

定義介質(zhì)表面單位長(zhǎng)度的磁化電流為磁化電流密度j

介質(zhì)表面磁化電流密度只決定于磁化強(qiáng)度沿該表面的切向分量,與法向分量無(wú)關(guān)。bacdlMn表面2223§16.2有磁介質(zhì)時(shí)磁場(chǎng)的規(guī)律

一、有介質(zhì)時(shí)磁場(chǎng)的安培環(huán)路定理二、環(huán)路定理的應(yīng)用舉例三、磁場(chǎng)的界面關(guān)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(dǎo)電流密度，S以L為邊界的曲面。上式是有磁介質(zhì)存在時(shí)的安培環(huán)路定理，安培環(huán)路定理的普遍形式。引入磁場(chǎng)強(qiáng)度H與在靜電場(chǎng)中存在電介質(zhì)時(shí)引入輔助量電感應(yīng)強(qiáng)度D的情形極為相似。

磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量

一、有介質(zhì)時(shí)磁場(chǎng)的安培環(huán)路定理1、磁介質(zhì)的安培環(huán)路定理252、磁化率和磁導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)表明：各向同性的順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)M=mHm稱為磁介質(zhì)的磁化率，是描述磁介質(zhì)性質(zhì)的物理量。其中，磁介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率26：磁介質(zhì)的絕對(duì)磁導(dǎo)率順磁質(zhì)m

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

r=1,=0,于是B=

0H

273.磁介質(zhì)中的高斯定理由于磁化電流和傳導(dǎo)電流在產(chǎn)生磁效應(yīng)上沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，磁感應(yīng)線都是閉合曲線，因此，2829

二、環(huán)路定理的應(yīng)用舉例解題步驟：(1)根據(jù)傳導(dǎo)電流的分布，利用安培環(huán)路定理的普遍形式求出磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量H；(2)根據(jù)H與B的關(guān)系，求出磁感應(yīng)強(qiáng)度B；(3)由各向同性非鐵磁介質(zhì)的性質(zhì)M=mH，求出磁介質(zhì)中的磁化強(qiáng)度M。30例1：在相對(duì)磁導(dǎo)率r=1000的磁介質(zhì)環(huán)上均勻繞著線圈,單位長(zhǎng)度上的匝數(shù)為n=500m-1，通電流I=2.0A。求磁介質(zhì)環(huán)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H、磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁化強(qiáng)度M。解：利用安培環(huán)路定理可求得磁介質(zhì)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H取介質(zhì)環(huán)的平均周長(zhǎng)(半徑為r)為積分路徑，得2rH=

2rnI31環(huán)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度：H=nI=5002.0Am1=1.0103Am-1，B=0

r

H=410-71031.0103T=1.2T根據(jù)32例題2有一無(wú)限長(zhǎng)螺線管，其中充塞著相對(duì)磁導(dǎo)率為r的各向同性的均勻順磁介質(zhì)，螺線管單位長(zhǎng)度的線圈匝數(shù)為n，所通電流為I。求管內(nèi)介質(zhì)中的磁場(chǎng)強(qiáng)度H、磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁化強(qiáng)度M。

解：磁介質(zhì)充滿整個(gè)無(wú)限長(zhǎng)螺線管內(nèi)部，具有所要求的對(duì)稱性，用安培環(huán)路定理求解。在這樣的螺線管內(nèi)的磁場(chǎng)是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B0的方向與管軸平行，假設(shè)其指向?yàn)樽宰笙蛴摇?3即在以上四項(xiàng)積分中，后三項(xiàng)等于零，第一項(xiàng)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(nèi)部，cd處于螺線管外部，bc和da與管軸線垂直。在這個(gè)閉合回路中，包圍的電流的代數(shù)和為，根據(jù)安培環(huán)路定理，應(yīng)有34(2)對(duì)于各向同性的順磁介質(zhì)，下面的關(guān)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(nèi)為真空時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，已有：B0的方向由右手定則確定，我們已經(jīng)假設(shè)自左指向右。在滿足所要求對(duì)稱性的情況下，磁介質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以表示為35(3)根據(jù)各向同性的均勻非鐵磁介質(zhì)的性質(zhì)，M與H成正比，故得也可以根據(jù)H的定義求M：M的方向：對(duì)于順磁質(zhì)，m

>0，

r>1，所以M的方向與H的方向相同，即自左向右；對(duì)于抗磁質(zhì)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(jìn)入鐵磁質(zhì)后其偏離法線非常大，使B線強(qiáng)烈地聚集在磁介質(zhì)內(nèi)，這就是所謂的“磁感應(yīng)線沿鐵走”和“磁屏蔽”特別是對(duì)于鐵磁質(zhì)，在實(shí)際應(yīng)用中，精密探頭、顯像管等都需要磁屏蔽。把磁導(dǎo)率不同的磁介質(zhì)放在磁場(chǎng)中，在介質(zhì)交界面上磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生突變，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小和方向都要發(fā)生變化而引起磁感線折射。這時(shí)磁感線對(duì)界面法線的偏離很大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的收縮。磁屏蔽37對(duì)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(chǎng)的作用下也可以使磁偶極子的排列達(dá)到很高的整齊程度，而且在外磁場(chǎng)停止作用后，仍保持磁化狀態(tài)。這類物質(zhì)稱為鐵磁質(zhì)。

一、自發(fā)磁化強(qiáng)度自發(fā)磁化：在沒(méi)有外磁場(chǎng)作用的情況下，分子磁矩已經(jīng)自發(fā)地定向排列起來(lái)了自發(fā)磁化對(duì)應(yīng)一定的磁化強(qiáng)度，稱為自發(fā)磁化強(qiáng)度

§16.3鐵磁質(zhì)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(yīng)，在經(jīng)典范圍內(nèi)不存在與之相對(duì)應(yīng)的概念。我們只要知道，交換作用導(dǎo)致原子磁矩平行排列就夠了。2、正因?yàn)殍F磁質(zhì)存在自發(fā)磁化的性質(zhì)，所以一般鐵磁體在不太強(qiáng)的磁場(chǎng)作用下就很容易達(dá)到磁化飽和狀態(tài)。39二、居里溫度溫度超過(guò)某一臨界溫度時(shí)，交換作用不足以克服熱運(yùn)動(dòng)作用，鐵磁質(zhì)自發(fā)磁化強(qiáng)度將消失。這個(gè)臨界溫度稱為鐵磁質(zhì)的居里溫度或居里點(diǎn)。鐵磁質(zhì)處于居里溫度以上鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判浴?/p>

2413690K釓鈷鐵鎳114K31K23K()C1140769C853C02C40三、鐵磁質(zhì)內(nèi)的磁疇結(jié)構(gòu)每個(gè)小區(qū)域內(nèi)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(gè)鐵磁體對(duì)外不顯示磁性。在無(wú)外磁場(chǎng)作用的條件下，鐵磁質(zhì)中自旋磁矩可以在小范圍內(nèi)“自發(fā)地”分裂為很多小區(qū)域稱為磁疇磁疇近代科學(xué)證明，鐵磁質(zhì)的磁性主要來(lái)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(cè)。42Si-Fe單晶(001)面的磁疇結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)

磁疇的自發(fā)磁化方向與外場(chǎng)方向相同或相近的磁疇體積擴(kuò)大,反之縮小.磁疇壁發(fā)生運(yùn)動(dòng).磁疇轉(zhuǎn)向

磁疇的自發(fā)磁化方向轉(zhuǎn)向外場(chǎng)方向.飽和

全部磁疇方向均轉(zhuǎn)向外場(chǎng)方向.鐵磁體將通過(guò)兩種途徑實(shí)現(xiàn)磁化（疇壁運(yùn)動(dòng)和磁疇轉(zhuǎn)向）。44如果磁化達(dá)到飽和后再撤除外磁場(chǎng)，鐵磁體將重新分裂為很多磁疇，但每個(gè)磁疇狀況和磁化強(qiáng)度取向，并不恢復(fù)到原先沒(méi)加外磁場(chǎng)的情形。這就使鐵磁質(zhì)的磁化過(guò)程表現(xiàn)出不可逆性。

四、磁滯