磁介质的磁化规律ppt课件.ppt

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1、问题问题 磁场强度是一个辅助矢量磁场强度是一个辅助矢量已知已知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的关系？的关系？0LH dlI一一 磁化率和磁导率磁化率和磁导率6-3 磁介质的磁化规律磁介质的磁化规律BBIMB1 磁介质的磁化规律磁介质的磁化规律习题：习题：6.3-26.3-2 6.3-4 6.3-4对于各向同性线性磁介质对于各向同性线性磁介质mMH0BHM00BHM00(1)mrHH 磁化率磁化率相相对对磁磁导导率率B和和M的关系为的关系为 01rmmBMMk 各向同性线性磁介质各向同性线性磁介质 , 1, 0m很很小小|mM和和B同向，顺磁质同向，顺磁质, 1

2、, 0m很很小小|mM和和B反向，抗磁质反向，抗磁质真空中，真空中，M=0, 1, 0m0BH无磁化现象无磁化现象 磁化率磁化率 m m 对于对于各向同性线性介质各向同性线性介质 m是没有量纲的标量是没有量纲的标量 均匀介质均匀介质 m是常数是常数 非均匀介质非均匀介质 m是介质中各点坐标的函数，甚至是时间是介质中各点坐标的函数，甚至是时间的函数的函数 对对各向异性磁介质各向异性磁介质 m会因方位不同而不同，是会因方位不同而不同，是二阶张量二阶张量 如铁磁质如铁磁质 M与与H不成正比关系，甚至也不是单值关系不成正比关系，甚至也不是单值关系 M与与H为为非线性单值非线性单值关系时，虽仍可用上述关

3、系式定关系时，虽仍可用上述关系式定义，但它们都不是恒量，而是义，但它们都不是恒量，而是H的函数，且的函数，且 m 1，其数量级为其数量级为102106地位和作用类似于地位和作用类似于 e e 3 两类分子两类分子 无外场无外场 有外场有外场 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铁铁磁质磁质（铁、钴、镍等）（铁、钴、镍等）顺磁质顺磁质 0BB0BB抗抗磁质磁质（铝、氧、锰等）（铝、氧、锰等）（铜、铋、氢等）（铜、铋、氢等）弱磁质弱磁质2 磁介质分类磁介质分类强磁性强磁性5分子圆电流和磁矩分子圆电

4、流和磁矩 mI无外磁场无外磁场顺顺 磁磁 质质 的的 磁磁 化化0B有外磁场有外磁场sI0BBB顺顺磁质内磁场磁质内磁场二二 顺磁质的磁化顺磁质的磁化 抗磁质分子的固有磁矩抗磁质分子的固有磁矩m分子分子= 0 不存在固有磁矩规则取向引起的顺磁效应，不存在固有磁矩规则取向引起的顺磁效应，磁性来源？磁性来源？ 抗磁性起源于电子轨道运动在外磁场下的抗磁性起源于电子轨道运动在外磁场下的变化变化 电子轨道运动为什么会变化？原因：在外电子轨道运动为什么会变化？原因：在外磁场下受洛伦兹力磁场下受洛伦兹力 三三 抗磁质的磁化抗磁质的磁化7无外磁场时抗磁质无外磁场时抗磁质分子磁矩为零分子磁矩为零 0m0BBB抗

5、抗磁质内磁场磁质内磁场qv0B0,B 同同向向时时qv0,B 反反向向时时0BFmFmmm抗磁质的磁化抗磁质的磁化 在原子或分子内，一般不止有一个电子在原子或分子内，一般不止有一个电子 分子磁矩：所有电子的轨道磁矩和自旋分子磁矩：所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和磁矩的矢量和 电子轨道磁矩电子轨道磁矩lmiSn22eeveiTr2lemLm 与与角动量方向相反角动量方向相反n电子自旋磁矩电子自旋磁矩SemSm n若所有电子的总角动量为零，抗磁若所有电子的总角动量为零，抗磁n所有电子的总角动量不为零所有电子的总角动量不为零 ，顺磁，顺磁 2Lmr 考虑电子轨道运动，设电子角速度平行于外考虑电子

6、轨道运动，设电子角速度平行于外磁场磁场 求无外磁场时的角速度求无外磁场时的角速度 0 0( (电子只受库仑力）电子只受库仑力）加外磁场，电子受库仑力、洛伦兹力（指向中加外磁场，电子受库仑力、洛伦兹力（指向中心），假设轨道的半径不变（相当于定态假设），心），假设轨道的半径不变（相当于定态假设），一般有洛伦兹力远小于库仑力一般有洛伦兹力远小于库仑力rmrZe202024213020)4(mrZermrBerZe20202400,0202220000e rBmreBmrmrmrBerBerZe02000020224洛伦兹力远小洛伦兹力远小于库仑力，高于库仑力，高阶小量，略阶小量，略meB20 考虑电

7、子角速度反平行于外磁场，有同考虑电子角速度反平行于外磁场，有同样结论，样结论，的方向总与外磁场相同的方向总与外磁场相同 电子角速度改变将引起电子磁矩改变电子角速度改变将引起电子磁矩改变 222024ere rmBm 总是与外总是与外磁场方向磁场方向相反相反 当介质处于磁场中时，每个电子磁矩都受到磁力矩当介质处于磁场中时，每个电子磁矩都受到磁力矩的作用的作用 0MmB一般情况下的讨论，夹角为任意角一般情况下的讨论，夹角为任意角0ldLMmBdt2lemLm SemSm lMmML旋进，拉摩进动，只改变角动量方向，不改变其大小旋进，拉摩进动，只改变角动量方向，不改变其大小d0BLmlSmmm以以轨

8、道角动量轨道角动量变化为例变化为例d0BLm00sin2sin2llddLmeddtLLmedLm BdtBm 0ldLMmBdtlMmML旋进，拉摩进动，只改变角动量方向旋进，拉摩进动，只改变角动量方向附加角速度附加角速度22lerm 和外加磁场反向和外加磁场反向完全抗磁性完全抗磁性 ：超导体：超导体 迈斯纳效应迈斯纳效应 超导重力仪超导重力仪B=0M=-H四四 铁磁质的磁化规律铁磁质的磁化规律 2 起始磁化曲线起始磁化曲线：Ms、Bs分别为分别为饱和磁化强饱和磁化强度度和和饱和磁感应强度饱和磁感应强度 1 特点特点 其中其中M的值相当大；的值相当大； MH、BH之间的关系之间的关系非线性和

9、非单值。实验表非线性和非单值。实验表明，明，M和和H间的函数关系间的函数关系较复杂，且与磁化历史有较复杂，且与磁化历史有关。关。 M与与H、B的关系通常通过的关系通常通过实验测定实验测定 000,()rMBHHBHMM 14矫顽力矫顽力cH 当外磁场由当外磁场由 逐渐减小时，这种逐渐减小时，这种 B的变化落后于的变化落后于H的变的变化的现象，叫做化的现象，叫做磁滞磁滞现象现象 ，简称，简称磁滞磁滞.mHmBmHPrBcHmHPmBHBO磁滞回线磁滞回线Q 由于磁滞，由于磁滞， 时，时，磁感强度磁感强度 ， 叫做剩余磁感强叫做剩余磁感强度度( (剩磁剩磁) ).0H0BrB3 磁滞回线磁滞回线

10、4 磁滞损耗磁滞损耗 铁磁质在交变磁场下反复磁化时，由于磁滞铁磁质在交变磁场下反复磁化时，由于磁滞效应，磁体要发热而散失热量，这种能量损效应，磁体要发热而散失热量，这种能量损失称为磁滞损耗。失称为磁滞损耗。 可以证明：可以证明：BH图中磁滞回线所包围的图中磁滞回线所包围的“面面积积”代表在一个反复磁化的循环过程中单位代表在一个反复磁化的循环过程中单位体积的铁芯内损耗的能量体积的铁芯内损耗的能量 磁滞回线越胖，曲线下面积越大，损耗越大；磁滞回线越胖，曲线下面积越大，损耗越大； 磁滞回线越瘦，曲线下面积越小，损耗越小磁滞回线越瘦，曲线下面积越小，损耗越小 证明证明 ，计算电源要抵抗感应电动势做功，

11、计算电源要抵抗感应电动势做功 证明：证明：以有闭合铁芯的螺绕环为例以有闭合铁芯的螺绕环为例 设设dt时间内，铁时间内，铁芯芯中磁通改变为中磁通改变为d 电源抵抗感应电电源抵抗感应电动势做功动势做功dIdtdtdIdtIdA000lNnnIH,0VHdBSlHdBNSdBlNHdIdA0NSBHdBVdAda积积”磁磁滞滞回回线线所所包包围围的的“面面磁滞回线磁滞回线HdBdaa 磁磁 畴畴无外磁场无外磁场B有有外外磁磁场场5 铁磁质磁化机制铁磁质磁化机制 l实验证明，铁磁质的磁性主要来源于电子自旋磁矩。未实验证明，铁磁质的磁性主要来源于电子自旋磁矩。未有外磁场时铁磁质中电子自旋磁矩可以在小范围

12、内有外磁场时铁磁质中电子自旋磁矩可以在小范围内“自自发发”排列起来，形成小的排列起来，形成小的“自发磁化区自发磁化区”磁畴磁畴 l其原因是其原因是相邻原子中电子间存在一种交换作用相邻原子中电子间存在一种交换作用（一种量（一种量子效应），使电子的子效应），使电子的原子磁矩平行排列起来，从原子磁矩平行排列起来，从而自发而自发磁化磁化 磁化过程磁化过程 a：未磁化时状态未磁化时状态 b：畴壁的可逆位移阶段：畴壁的可逆位移阶段OA段段 c：不可逆的磁化：不可逆的磁化AB段段 d：磁畴磁矩的转动：磁畴磁矩的转动BC段段 e：趋于饱和的阶段：趋于饱和的阶段CS段段在外磁场撤消后，铁磁质内在外磁场撤消后，铁

13、磁质内掺杂掺杂和和内应力内应力或因为或因为介质存在缺陷介质存在缺陷阻碍磁畴恢复阻碍磁畴恢复到原来的状态到原来的状态 影响铁磁质磁性的因素影响铁磁质磁性的因素 温度，高过居里点铁磁性就消失，变为顺磁质。如纯铁的居温度，高过居里点铁磁性就消失，变为顺磁质。如纯铁的居里点为里点为1043K，镝的居里点为，镝的居里点为89K； 强烈震动会瓦解磁畴强烈震动会瓦解磁畴 尺寸影响磁畴结构性尺寸影响磁畴结构性介观尺度下有新现象介观尺度下有新现象 介观尺度：即介于宏观尺度与微观尺度之间，一般为介观尺度：即介于宏观尺度与微观尺度之间，一般为0.1100nma 片形畴（片形畴（L=8微米）；微米）； b 蜂窝畴（蜂

14、窝畴（L=75微米）；微米）； c 楔形畴楔形畴几种铁磁材料的磁畴结构几种铁磁材料的磁畴结构，a、b为为Ba铁氧体单晶基面上的磁畴结构，铁氧体单晶基面上的磁畴结构，L为为晶体厚度；晶体厚度；c 为钴的两个晶粒上的磁畴结构为钴的两个晶粒上的磁畴结构p宏观铁磁体的尺寸减小到介观尺度宏观铁磁体的尺寸减小到介观尺度 此时磁性材料不再是具有畴壁的多磁畴结构，而此时磁性材料不再是具有畴壁的多磁畴结构，而是是没有畴壁的单畴结构没有畴壁的单畴结构，单畴的临界尺度大约在，单畴的临界尺度大约在纳米级范围，例如铁的球形颗粒产生单畴的临界纳米级范围，例如铁的球形颗粒产生单畴的临界直径为直径为28nm28nm，钴为，钴

15、为240nm240nm。 由于热扰动的影响，使这些磁有序物质系统表现由于热扰动的影响，使这些磁有序物质系统表现出特别的磁性质，如出特别的磁性质，如类似顺磁性的超顺磁性类似顺磁性的超顺磁性 与同类常规块状磁体相比，纳米量级材料的与同类常规块状磁体相比，纳米量级材料的居里居里温度低，矫顽力高温度低，矫顽力高。磁性液体：用表面活性剂处理过的超细磁性微磁性液体：用表面活性剂处理过的超细磁性微粒高度分散在载液中形成一种磁性胶体溶液，粒高度分散在载液中形成一种磁性胶体溶液，呈现出超顺磁性呈现出超顺磁性 铁磁性材料的分类及其应用铁磁性材料的分类及其应用 硬磁材料硬磁材料 BR大，大，HC大，大， HC：10

16、4106A/m； 磁滞回线胖，磁滞磁滞回线胖，磁滞损耗大；损耗大； 撤外场后，仍能保撤外场后，仍能保持强磁性持强磁性。HBO软软磁材料磁材料HBO硬硬磁材料磁材料HBO矩矩磁铁氧体材料磁铁氧体材料 软磁材料软磁材料 矫顽力小，磁滞回线瘦，磁滞损耗小；矫顽力小，磁滞回线瘦，磁滞损耗小； 有的有的BR小，通电后立即磁化获得强磁小，通电后立即磁化获得强磁场，断电立即退磁，适合用于强电场，断电立即退磁，适合用于强电 有的起始磁导率大，适合用于弱电有的起始磁导率大，适合用于弱电在信息技术中的在信息技术中的应用应用 随着信息时代的到来，多种磁性材料在信息高新技随着信息时代的到来，多种磁性材料在信息高新技术

17、中获得广泛而重要的应用术中获得广泛而重要的应用 磁记录：主要有存储装置和写入、读出设备。存储磁记录：主要有存储装置和写入、读出设备。存储装置是用永磁材料制成的设备，包括磁头和磁记录装置是用永磁材料制成的设备，包括磁头和磁记录介质介质 n磁头磁头n写入过程：磁头将电信号写入过程：磁头将电信号磁场磁场n读出过程：将磁记录介质的磁场读出过程：将磁记录介质的磁场电信号电信号n磁记录介质磁记录介质：内存、外存、磁盘和：内存、外存、磁盘和磁带等磁带等HBO矩矩磁铁氧体材料磁铁氧体材料磁性功能材料磁性功能材料 压磁材料也叫磁致伸缩材料压磁材料也叫磁致伸缩材料 铁磁质磁畴中磁化方向改变会导致介质中晶格间距的改

18、变铁磁质磁畴中磁化方向改变会导致介质中晶格间距的改变 磁电阻材料磁电阻材料 磁场可以使许多金属的电阻发生改变，这种现象称为磁电阻磁场可以使许多金属的电阻发生改变，这种现象称为磁电阻效应，相应的材料为磁电阻材料效应，相应的材料为磁电阻材料(MR)(MR) 磁电阻材料磁电阻材料(MR)(MR)： 巨磁电阻效应（简称巨磁电阻效应（简称GMRGMR） 超巨磁电阻材料超巨磁电阻材料 在小型化的在小型化的 微型化高密度磁记录读出磁头、随机存储器和微型化高密度磁记录读出磁头、随机存储器和微型传感器中获得重要应用微型传感器中获得重要应用 液体磁性液体磁性 既具有固体的强磁性，又具有液体的流动性既具有固体的强磁

19、性，又具有液体的流动性 %6%2/RR%50/达到RR631010/ RR 法国科学家阿尔贝法国科学家阿尔贝费尔和德国科学家彼费尔和德国科学家彼得得格林贝格尔因分别独立发现巨磁阻效应共获格林贝格尔因分别独立发现巨磁阻效应共获2007年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 诺贝尔评委会主席佩尔诺贝尔评委会主席佩尔卡尔松用两张图片卡尔松用两张图片的对比说明了巨磁阻的重大意义：一台的对比说明了巨磁阻的重大意义：一台1954年体年体积占满整间屋子的电脑，和一个如今非常普通、积占满整间屋子的电脑，和一个如今非常普通、手掌般大小的硬盘。正是巨磁阻的发现，单位面手掌般大小的硬盘。正是巨磁阻的发现，单位面积介质

20、存储的信息量才得以大幅提升。积介质存储的信息量才得以大幅提升。 一位科研人员也说：一位科研人员也说：“看看你的计算机硬盘看看你的计算机硬盘存储能力有多大，就知道他们的贡献有多大了。存储能力有多大，就知道他们的贡献有多大了。” 我们司空见惯的笔记本电脑、我们司空见惯的笔记本电脑、MP3、U盘等消费盘等消费品，都闪烁着耀眼的科学光芒。诺贝尔奖并不总品，都闪烁着耀眼的科学光芒。诺贝尔奖并不总是代表着深奥的理论和艰涩的知识，有时就在我是代表着深奥的理论和艰涩的知识，有时就在我们身边，在我们不曾留意的日常生活中。们身边，在我们不曾留意的日常生活中。25 例例1 有两个半径分别为有两个半径分别为 和和 的

21、的“无限无限长长”同轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁同轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁导率为导率为 的磁介质的磁介质.当两圆筒当两圆筒通有相反方向的电流通有相反方向的电流 时，时，试试 求求（1）磁介质中任意点磁介质中任意点 P 的磁感应强度的大小的磁感应强度的大小; （2）圆柱体外面一点圆柱体外面一点Q 的磁感强度的磁感强度.rrRIIrrdIR26RdrIlHldIHd2dIHB2r0解解IrrdIRRd 0IIlHld0,02HHd0HB0,Brd同理可求同理可求例例2 有一磁介质细铁环，外磁场撤有一磁介质细铁环，外磁场撤消后，仍处于磁化状态，磁化强度消后，仍处于磁化状态，磁化强度矢量的大小处处相同，方向如图，矢量的大小处处相同，方向如图，求环内磁场强度和磁感应强度。求环内磁场强度和磁感应强度。问：公式问：公式 是否适用？是否适用？答：答：不适用不适用，铁环属于铁磁质，铁环属于铁磁质可用可用 来讨论来讨论方法一方法一：用安培环路定理：用安培环路定理 求求HMB方法二方法二：MIBH 00LH dlI00BHM0BM iMnnIi 与螺绕环类比与螺绕环类比MB00iB和和M方向一致为方向一致为 MHB0000MBH00BHM0rBH