电磁学 北大 王稼军 讲义 ppt 4.5各种磁介质

2020/3/25北京大学物理学院王稼军编各种磁介质p2864-28、37、38/p2904-25、34、35(1)(2)磁介质分类弱磁性：顺磁质、抗磁质强磁性：铁磁质一般有两类分子无外场有外场分子磁矩m分子=ml+ms＝0m分子=0m分子0分子磁矩m分子=ml+ms0m分子=0m分子0顺磁质的磁化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抗磁质顺磁质2020/3/25北京大学物理学院王稼军编抗磁质抗磁质分子的固有磁矩m分子=ml+ms＝0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电子轨道运动为什么会变化？原因：在外磁场下受洛伦兹力2020/3/25北京大学物理学院王稼军编分子磁矩的由来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m分子=ml+ms＝0电子轨道磁矩nmiSl22erevTeieLlmeLm2与角动量方向相反电子自旋磁矩SmmeS若所有电子的总角动量（含轨道和自旋）为零，抗磁所有电子的总角动量（含轨道和自旋）不为零，顺磁2020/3/25北京大学物理学院王稼军编外磁场对电子轨道运动的影响p240/p257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)求无外磁场时的角速度0(电子只受库仑力）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rmrZe202024213020)4(mrZermrBerZe20202400,020222020/3/25北京大学物理学院王稼军编emeBrmrBe00200rmrmrBerBerZe02000020224洛伦兹力远小于库仑力，高阶无穷小，略meB20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电子角速度改变将引起电子磁矩改变022242Bωmmreer总是与外磁场方向相反2020/3/25北京大学物理学院王稼军编当介质处于磁场中时，每个电子磁矩都受到磁力矩的作用成任何角度B与00BmMB2020/3/25北京大学物理学院王稼军编铁磁质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M～H、B～H之间的关系是非线性和非单值的特点其中M的值相当大；M与H不成正比关系，甚至也不是单值关系。实验表明，M和H间的函数关系比较复杂，且与磁化的历史有关。铁磁质的M与H、B的关系通常通过实验测定2020/3/25北京大学物理学院王稼军编磁滞回线MR：剩余磁化强度BR:剩余磁感应强度HC：矫顽力。在上述变化过程中，M和B的变化总是落后于H的变化，这一现象称为磁滞现象;上述曲线叫磁滞回线。P2442020/3/25北京大学物理学院王稼军编磁滞损耗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，这种能量损失称为磁滞损耗。可以证明：B－H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，损耗越大；磁滞回线越瘦，曲线下面积越小，损耗越小证明p245，算电源要抵抗感应电动势做功2020/3/25北京大学物理学院王稼军编证明以有闭合铁芯的螺绕环为例设t时刻介质处于某一磁化状态P，此处H0，B0dt内，P——P’，铁心中磁通改变量为d电源抵抗感应电动势做功dIdtdtdIdtIdA000lNnnIH,0VHdBSlHdBNSdBlNHdIdA0NSB周长HdBVdAda积”磁滞回线所包围的“面磁滞回线磁滞回线HdBdaa2020/3/25北京大学物理学院王稼军编铁磁质磁化机制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。在没有外磁场的条件下铁磁质中电子自旋磁矩可以在小范围内“自发地”排列起来，形成一个个小的“自发磁化区”——磁畴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（一种量子效应），使电子的原子磁矩平行排列起来而达到自发磁化的饱和状态单晶和多晶磁畴结构的示意2020/3/25北京大学物理学院王稼军编磁化过程示意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段等于每个磁畴中原有的磁化强度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2020/3/25北京大学物理学院王稼军编磁畴影响铁磁质磁性的因素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0.1——100nma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2020/3/25北京大学物理学院王稼军编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（Fe）的球形颗粒产生单畴的临界直径为28nm，钴(Co)为240nm。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2020/3/25北京大学物理学院王稼军编磁性材料的分类及其应用按矫顽力大小分类软磁材料HC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，适合用于弱电硬磁材料BR大，HC大，HC：104～106A/m；磁滞回线胖，磁滞损耗大；撤外场后，仍能保持强磁性。2020/3/25北京大学物理学院王稼军编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磁头：写入过程中：磁头将电信号——磁场读出过程中：将磁记录介质的磁场——转变为电信号磁记录介质：内存、外存、磁盘和磁带等2020/3/25北京大学物理学院王稼军编磁性功能材料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，这种现象称为磁电阻效应，相应的材料为磁电阻材料(MR)磁电阻材料(MR)：巨磁电阻效应（简称GMR）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%6%2~/RR%50/达到RR6310~10~/RR2020/3/25北京大学物理学院王稼军编参考书目《纳米材料和纳米结构》张立德牟季美科学出版社《固体物理基础》阎守胜北京大学出版社（比较深）《当代磁学》李国栋编著科大出版社动物的磁性，太阳风暴太阳风暴2