磁介质磁化规律.pptx

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1、对于各向同性线性磁介质磁化率相对磁导率B和和M的关系为的关系为 各向同性线性磁介各向同性线性磁介质质 M和和B同向，顺磁质同向，顺磁质M和和B反向，抗磁质反向，抗磁质真空中，真空中，M=0无磁化现象无磁化现象 第1页/共27页磁化率 m m对于各向同性线性介质 m是没有量纲的标量 均匀介质 m是常数非均匀介质 m是介质中各点坐标的函数，甚至是时间的函数 对各向异性磁介质 m会因方位不同而不同，是二阶张量 如铁磁质 M与H不成正比关系，甚至也不是单值关系M与H为非线性单值关系时，虽仍可用上述关系式定义，但它们都不是恒量，而是H的函数，且 m 1，其数量级为102106地位和作用类似于 e e 第

2、2页/共27页3 两类分子 无外场 有外场 分子磁矩 m分子=0 m分子=0 m分子 0 分子磁矩 m分子 0 m分子=0 m分子 0铁磁质（铁、钴、镍等）（铁、钴、镍等）顺磁质顺磁质 抗磁质（铝、氧、锰等）（铝、氧、锰等）（铜、铋、氢等）（铜、铋、氢等）弱磁质弱磁质2 磁介质分类强磁性第3页/共27页4分子圆电流和磁矩分子圆电流和磁矩 无外磁场无外磁场顺顺 磁磁 质质 的的 磁磁 化化有外磁场有外磁场顺磁质内磁场二二 顺磁质的磁化顺磁质的磁化第4页/共27页抗磁质分子的固有磁矩m分子=0不存在固有磁矩规则取向引起的顺磁效应，磁性来源？抗磁性起源于电子轨道运动在外磁场下的变化 电子轨道运动为什

3、么会变化？原因：在外磁场下受洛伦兹力 三三 抗磁质的磁化抗磁质的磁化第5页/共27页6无外磁场时抗磁质分子磁矩为零 抗磁质内磁场 同同向向时时 反反向向时时抗抗磁磁质质的的磁磁化化第6页/共27页在原子或分子内，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磁矩的矢量和 电子轨道磁矩与角动量方向相反n电子自旋磁矩电子自旋磁矩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 第7页/共27页考虑电子轨道运动，设电子角速度平行于外磁场求无外磁场时的角速度 0 0(电子只受库仑力）加外磁场，电子受库仑力、洛伦兹力（

4、指向中心）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），假设轨道的半径不变（相当于定态假设），一般一般有洛伦兹力远小于库仑力有洛伦兹力远小于库仑力第8页/共27页洛伦兹力远小于库仑力，高阶小量，略 考虑电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电子角速度改变将引起电子磁矩改变变 总是与外总是与外磁场方向磁场方向相反相反第9页/共27页当介质处于磁场中时，每个电子磁矩都受到磁力矩的作用 一般情况下的讨论，夹角为任意角一般情况下的讨论，夹角为任意角旋进

5、，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d以以轨道角动量轨道角动量变化为例变化为例第10页/共27页d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第11页/共27页四 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 其中M的值相当大；MH、BH之间的关系非线性和非单值。实验表明，M和H间的函数关系较

6、复杂，且与磁化历史有关。M与H、B的关系通常通过实验测定 第12页/共27页13矫顽力矫顽力 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.O磁滞回线磁滞回线 由于磁滞，时，磁感强度 ，叫做剩余磁感强度(剩磁).3 磁滞回线磁滞回线 第13页/共27页4 磁滞损耗 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，这种能量损失称为磁滞损耗。可以证明：BH图中磁滞回线所包围的“面积”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 磁滞回线越胖，曲线下面积越大，

7、损耗越大；磁滞回线越瘦，曲线下面积越小，损耗越小 证明，计算电源要抵抗感应电动势做功 第14页/共27页证明：以有闭合铁芯的螺绕环为例 设dt时间内，铁芯中磁通改变为d 电源抵抗感应电动势做功第15页/共27页 磁磁 畴畴无无外外磁磁场场有有外外磁磁场场5 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内有外磁场时铁磁质中电子自旋磁矩可以在小范围内“自发自发”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

8、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，从而自发磁而自发磁化化第16页/共27页 磁化过程 a：未磁化时状态b：畴壁的可逆位移阶段OA段c：不可逆的磁化AB段d：磁畴磁矩的转动BC段e：趋于饱和的阶段CS段在外磁场撤消后，铁磁质内在外磁场撤消后，铁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 第17页/共27页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。如纯铁的居里点为1043K，镝的居里点为89K；强烈震动会瓦解磁畴 尺寸

9、影响磁畴结构性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0.1100nma 片形畴（片形畴（L=8微米）；微米）；b 蜂窝畴（蜂窝畴（L=75微米）；微米）；c 楔形畴楔形畴几几种种铁铁磁磁材材料料的的磁磁畴畴结结构构，a、b为为Ba铁铁氧氧体体单单晶晶基基面面上上的的磁磁畴畴结结构构，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第18页/共27页p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，而是没有畴壁的单畴结构，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直径为28nm28nm，钴为2

10、40nm240nm。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，纳米量级材料的居里温度低，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 第19页/共27页 铁磁性材料的分类及其应用 硬磁材料 BR大，HC大，HC：104106A/m；磁滞回线胖，磁滞损耗大；撤外场后，仍能保持强磁性。O软软磁材料磁材料O硬硬磁材料磁材料O矩矩磁铁氧体材料磁铁氧体材料 软磁材料 矫顽力小，磁滞回线瘦，磁滞损耗小；有的BR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 有的起始磁导率大

11、，适合用于弱电第20页/共27页在信息技术中的应用随着信息时代的到来，多种磁性材料在信息高新技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。存储装置是用永磁材料制成的设备，包括磁头和磁记录介质 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读读出出过过程程：将将磁磁记记录录介介质质的的磁磁场场电信号电信号n磁磁记记录录介介质质：内内存存、外外存存、磁磁盘盘和和磁带等磁带等O矩矩磁铁氧体材料磁铁氧体材料第21页/共27页磁性功能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变 磁电阻材料磁场可以使许多金属的电阻发生改变，这种

12、现象称为磁电阻效应，相应的材料为磁电阻材料(MR)(MR)磁电阻材料(MR)(MR)：巨磁电阻效应（简称GMRGMR）超巨磁电阻材料 在小型化的 微型化高密度磁记录读出磁头、随机存储器和微型传感器中获得重要应用 液体磁性既具有固体的强磁性，又具有液体的流动性 第22页/共27页 法国科学家阿尔贝费尔和德国科学家彼得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。诺贝尔评委会主席佩尔卡尔松用两张图片的对比说明了巨磁阻的重大意义：一台1954年体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，单位面积介质存储的信息量才得以大幅提升。一位科研人员也说：“

13、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。”我们司空见惯的笔记本电脑、MP3、U盘等消费品，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，有时就在我们身边，在我们不曾留意的日常生活中。第23页/共27页24 例例1 有两个半径分别为有两个半径分别为 和和 的的“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.II第24页/共27页25解解II同理可求同理可求第25页/共27页例2 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。问：公式 是否适用？答：不适用，铁环属于铁磁质可用 来讨论方法一：用安培环路定理 求HMB方法二：MIBH 与螺绕环类比与螺绕环类比B和和M方向一致为方向一致为 第26页/共27页感谢您的观看！第27页/共27页