磁介质磁化规律和机理 铁电体.pptx

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1、1各种磁介质 p286 4-28、37、38磁介质分类磁介质分类弱磁性：顺磁质、抗磁质弱磁性：顺磁质、抗磁质强磁性：铁磁质强磁性：铁磁质一般有两类分子一般有两类分子 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=ml+ms0 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=ml+ms 0 m分子分子=0 m分子分子 0顺顺磁磁质质的磁化的磁化 分子在外磁场作用下趋向于外磁场排列分子在外磁场作用下趋向于外磁场排列热运动与磁场作用相抵抗热运动与磁场作用相抵抗 抗磁质顺磁质第1页/共19页2抗磁质 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=ml+ms0不存在由非零

2、的分子固有磁矩规则取向引起的顺磁效应。磁性来源？不存在由非零的分子固有磁矩规则取向引起的顺磁效应。磁性来源？抗磁质磁性起源于电子轨道运动在外磁场下的变化抗磁质磁性起源于电子轨道运动在外磁场下的变化 电子轨道运动为什么会变化？原因：在外磁场下受洛伦兹力电子轨道运动为什么会变化？原因：在外磁场下受洛伦兹力 第2页/共19页3分子磁矩的由来 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磁矩的矢量分子磁矩：所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和和m分子分子=ml+ms0 电子轨道磁矩电子轨道磁矩与角动量方向相反n电子自旋磁矩n若所有电子的总角动

3、量（含轨道和自旋）为零，抗磁n所有电子的总角动量（含轨道和自旋）不为零，顺磁 第3页/共19页4外磁场对电子轨道运动的影响 p240外磁场作用在一个抗磁原子上，考虑电子的轨道运动外磁场作用在一个抗磁原子上，考虑电子的轨道运动(设电子角速度平行于外磁场设电子角速度平行于外磁场)求无外磁场时的角速度求无外磁场时的角速度 0(电子只受库仑力）电子只受库仑力）n加外磁场B0，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），设洛伦兹力远小于库仑力第4页/共19页5洛伦兹力远小于库仑力，高阶无穷小，略n考虑电子角速度反平行于外磁场，有同样结论，的方向总是与外磁场B0相同 n电子角

4、速度改变将引起电子磁矩改变 总是与外磁场方向相反第5页/共19页6当介质处于磁场中时，每个电子磁矩都受到磁力矩的作用当介质处于磁场中时，每个电子磁矩都受到磁力矩的作用 第6页/共19页7铁磁质 n起始磁化曲线：Ms、Bs分别为饱和磁化强度和饱和磁感应强度 nMH、BH之间的关系是非线性和非单值的 特点特点 其中其中M的值相当大；的值相当大；M与与H不不成成正正比比关关系系，甚甚至至也也不不是是单单值值关关系系。实实验验表表明明，M和和H间间的的函函数数关关系系比比较较复复杂杂，且且与磁化的历史有关与磁化的历史有关。铁磁质的铁磁质的M与与H、B的关系通常通过实验测定的关系通常通过实验测定 第7页

5、/共19页8磁滞回线 MR：剩余磁化强度：剩余磁化强度BR:剩余磁感应强度剩余磁感应强度HC：矫顽力。：矫顽力。在在上上述述变变化化过过程程中中，M和和B的的变变化化总总是是落落后后于于H的的变变化化，这这一一现现象象称称为为磁磁滞滞现现象象;上上述述曲曲线线叫叫磁磁滞滞回回线。线。P244第8页/共19页9磁滞损耗 当铁磁质在交变磁场作用下，反复磁化是由于磁滞效应，磁体要发热而散失热量，当铁磁质在交变磁场作用下，反复磁化是由于磁滞效应，磁体要发热而散失热量，这种能量损失称为磁滞损耗。这种能量损失称为磁滞损耗。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“面积面积”代表在一

6、个反复磁化的循环过程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，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 p245，算，算电源要抵抗感应电动势做功电源要抵抗感应电动势做功 第9页/共19页10证明以有闭合铁芯的螺绕环为例 设设t时刻介质处于某一磁化状态时刻介质处于某一磁化状态P，此处，此处H0，B0dt内，内，PP，铁心中磁通改变量为，铁心中磁通改变量为d 电源抵抗感应电动势做功电源抵抗感应电动势做功周长第10页/共19页11铁

7、磁质磁化机制 自发磁化区自发磁化区 近代科学实验证明，铁磁质的磁性主要来源于电子自旋磁矩。在没有外磁场的条近代科学实验证明，铁磁质的磁性主要来源于电子自旋磁矩。在没有外磁场的条件下铁磁质中电子自旋磁矩可以在小范围内件下铁磁质中电子自旋磁矩可以在小范围内“自发地自发地”排列起来，形成一个个小排列起来，形成一个个小的的“自发磁化区自发磁化区”磁畴磁畴 自发磁化的原因是由于自发磁化的原因是由于相邻原子中电子之间存在着一种交换作用相邻原子中电子之间存在着一种交换作用（一种量子效应）（一种量子效应），使电子的，使电子的原子磁矩平行排列起来原子磁矩平行排列起来而达到自发磁化的饱和状态而达到自发磁化的饱和状

8、态 单晶和多晶磁畴结构的示意单晶和多晶磁畴结构的示意 第11页/共19页12磁化过程示意 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段段等于每个磁畴中原有的磁化强度 n在外磁场撤消后，铁磁质内掺杂和内应力或因为介质存在缺陷阻碍磁畴恢复到原来的状态 第12页/共19页13磁畴 影响铁磁质磁性的因素影响铁磁质磁性的因素 温度对磁性有影响温度对磁性有影响居里点高过居里点铁磁性就消失，变为顺磁居里点高过居里点铁磁性就消失，变为顺磁质。如纯铁的居里点为

9、质。如纯铁的居里点为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（L=8微米）；b 蜂窝畴（L=75微米）；c 楔形畴图 几种铁磁材料的磁畴结构，其中a、b为Ba铁氧体单晶基面上的磁畴结构，L为晶体厚度；c 为钴的两个晶粒上的磁畴结构第13页/共19页14宏观铁磁体的尺寸减小到介观尺度 此此时时磁磁性性材材料料不不再再是是具具有有畴畴壁壁的的多多磁磁畴畴结结构构，而而

10、是是没没有有畴畴壁壁的的单单畴畴结结构构，单单畴畴的的临临界界尺尺度度大大约约在在纳纳米米级级范范围围，例例如如铁铁（Fe）的的球球形形颗颗粒粒产产生生单单畴畴的的临临界界直直径径为为28nm，钴钴(Co)为为240nm。由由于于热热扰扰动动的的影影响响，使使这这些些磁磁有有序序物物质质系系统统表表现现出出特特别别的的磁磁性性质质，如如类类似似顺顺磁磁性性的的超超顺磁性顺磁性 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温度低，矫顽力高居里温度低，矫顽力高。磁磁性性液液体体：用用表表面面活活性性剂剂处处理理过过的的超超细细磁磁性性微微粒粒高高度度分分散散在在

11、载载液液中中形形成成一一种种磁磁性性胶体溶液，呈现出超顺磁性胶体溶液，呈现出超顺磁性 第14页/共19页15磁性材料的分类及其应用 按矫顽力大小分类按矫顽力大小分类软磁材料软磁材料 HC小小，磁磁滞滞回回线线瘦瘦，磁磁滞滞损损耗耗小；小；有有的的BR小小，通通电电后后立立即即磁磁化化获获得得强强磁磁场场，断断电电立立即即退退磁磁，适适合合用于强电用于强电有有的的 起起始始磁磁导导率率大大，适适合合用用于于弱电弱电硬磁材料硬磁材料 BR大，大，HC大，大，HC：104106A/m；磁滞回线胖，磁滞损耗大；磁滞回线胖，磁滞损耗大；撤外场后，仍能保持强磁性撤外场后，仍能保持强磁性。第15页/共19页

12、16磁性材料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料制成的设备，包括磁头和磁记录介质 n磁头：n写入过程中：磁头将电信号磁场n读出过程中：将磁记录介质的磁场转变为电信号n磁记录介质：内存、外存、磁盘和磁带等第16页/共19页17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

13、距的改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效应，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相应的材料为磁电阻材料(MR)磁电阻材料磁电阻材料(MR)：巨磁电阻效应（简称巨磁电阻效应（简称GMR）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、随机存储器和微型传感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17页/共19页18参考书目纳米材料和纳米结构纳米材料和纳米结构 张立德张立德 牟季美牟季美 科学出版社科学出版社固体物理基础固体物理基础阎守胜阎守胜 北京大学出版社（比较深）北京大学出版社（比较深）当代磁学当代磁学李国栋李国栋 编著编著 科大出版社科大出版社动物的磁性，太阳风暴 太阳风暴2第18页/共19页19感谢您的观看！第19页/共19页