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1、理学院 物理系 陈强5-1. 5-1. 磁介质及其磁化磁介质及其磁化5-2.5-2.有磁介质时的恒定磁场有磁介质时的恒定磁场5-2. 5-2. 磁场的边界条件磁场的边界条件第第5章章 磁介质磁介质 电电 磁磁 学学1理学院 物理系 陈强磁场磁场 磁介质磁介质 磁化磁化 后果影响外场后果影响外场n场对介质的作用和介质的磁化互相影响、互相制场对介质的作用和介质的磁化互相影响、互相制约约 n研究方法研究方法 n磁荷观点磁荷观点 n分子电流分子电流观点观点( (本课程以此观点讨论本课程以此观点讨论) )n物质的磁性起源于原子的磁性物质的磁性起源于原子的磁性n原子磁性原子磁性 量子力学量子力学( (后续
2、内容后续内容) )n严格的磁学理论必须建立在量子力学基础上严格的磁学理论必须建立在量子力学基础上 5-1. 5-1. 磁介质及其磁化磁介质及其磁化5-1.5-1.磁介质及其磁化磁介质及其磁化 ( (研究方法与电介质类比）研究方法与电介质类比）2理学院 物理系 陈强磁性：磁性：物质的基本属性之一，即物质的磁学特性物质的基本属性之一，即物质的磁学特性吸铁石吸铁石天然磁体天然磁体 具有强磁性具有强磁性多数物质一般情况下没有明显的磁性多数物质一般情况下没有明显的磁性磁介质磁介质（magnetic mediummagnetic medium）：对磁场有一定响应对磁场有一定响应, ,并能反过来影响磁场的物
3、质并能反过来影响磁场的物质一般物质在较强磁场的作用下都显示出一定程度的磁性，一般物质在较强磁场的作用下都显示出一定程度的磁性，即都能对磁场的作用有所响应，所以都是磁介质即都能对磁场的作用有所响应，所以都是磁介质 磁化磁化（magnetizationmagnetization） ：在外磁场的作用下，原来没有磁性的物质，在外磁场的作用下，原来没有磁性的物质，变得变得具有磁具有磁性，简称磁化。磁介质被磁化后，会产生性，简称磁化。磁介质被磁化后，会产生附加磁场附加磁场，从，从而而改变改变原来空间磁场的分布原来空间磁场的分布 5-1. 5-1. 磁介质及其磁化磁介质及其磁化3理学院 物理系 陈强一、一、
4、“分子电流分子电流”模型模型问题的提出问题的提出 为什么物质对磁场有响应为什么物质对磁场有响应? ? 为什么不同类型的物质对磁场有不同的响应为什么不同类型的物质对磁场有不同的响应, ,即具有不同的磁性？即具有不同的磁性？ 与物质内部的电磁结构有着密切的联系与物质内部的电磁结构有着密切的联系分子电流分子电流安培的大胆假设安培的大胆假设 磁介质的磁介质的“分子分子”相当于一个环形电流相当于一个环形电流，是电，是电荷的某种运动形成的，它没有像导体中电流所荷的某种运动形成的，它没有像导体中电流所受的阻力，分子的环形电流具有磁矩受的阻力，分子的环形电流具有磁矩分子分子磁矩磁矩，在外磁场的作用下可以自由地
5、改变方向，在外磁场的作用下可以自由地改变方向 5-1. 5-1. 磁介质及其磁化磁介质及其磁化4理学院 物理系 陈强假设的重要性假设的重要性 把种种磁相互作用归结为电流把种种磁相互作用归结为电流电流相电流相互作用，建立了互作用，建立了安培定律安培定律磁作用理论磁作用理论 以以“分子电流分子电流”模型模型取代取代磁荷模型磁荷模型，从根，从根本上揭示了物质极化与磁化的内在联系本上揭示了物质极化与磁化的内在联系其实在安培时代，对于物质的分子、原子其实在安培时代，对于物质的分子、原子结构的认识还很肤浅，电子尚未发现，所结构的认识还很肤浅，电子尚未发现，所谓谓“分子分子”泛指介质的微观基本单元泛指介质的
6、微观基本单元 继续继续5-1. 5-1. 磁介质及其磁化磁介质及其磁化5理学院 物理系 陈强“磁荷磁荷”模型要点模型要点 磁荷有正、负，同号相斥，异号相吸磁荷有正、负，同号相斥，异号相吸磁荷遵循磁的库仑定律（类似于电库仑定律）磁荷遵循磁的库仑定律（类似于电库仑定律） 定义磁场强度定义磁场强度H为单位点磁荷所受的磁场力为单位点磁荷所受的磁场力 把磁介质分子看作磁偶极子把磁介质分子看作磁偶极子 认为磁化是大量分子磁偶极子规则取向使正、负认为磁化是大量分子磁偶极子规则取向使正、负磁荷聚集两端的过程，磁体间的作用源于其中的磁荷聚集两端的过程，磁体间的作用源于其中的磁荷磁荷 但没有单独的磁极存在但没有单
7、独的磁极存在？ 返回返回5-1. 5-1. 磁介质及其磁化磁介质及其磁化6理学院 物理系 陈强现代的观点现代的观点: : 分子磁矩分子磁矩 pm分子分子= ml+ ms （矢量和矢量和）轨道磁矩轨道磁矩ml ：由：由原子内各电子绕原子核的轨道原子内各电子绕原子核的轨道运动决定运动决定自旋磁矩自旋磁矩ms ：由：由核外各电子的自旋的运动决定核外各电子的自旋的运动决定所谓磁化：所谓磁化：就就是是在在外外磁磁场场B0作作用用下下，大大量量分分子子电电流流混混乱乱分分布（无序）布（无序） 整齐排列（有序）整齐排列（有序）每一个分子电流提供一个分子磁矩每一个分子电流提供一个分子磁矩pm分子分子磁化了的介
8、质内分子磁矩矢量和磁化了的介质内分子磁矩矢量和 pm分子分子 0分分子子磁磁矩矩的的整整齐齐排排列列贡贡献献宏宏观观上上的的磁磁化化电电流流I，进而产生附加磁场，进而产生附加磁场B ，总磁场总磁场 B=B0+B5-1. 5-1. 磁介质及其磁化磁介质及其磁化7理学院 物理系 陈强5-1. 5-1. 磁介质及其磁化磁介质及其磁化电介质中电介质中 总是与总是与 反向，即恒有：反向，即恒有：磁磁介介质质中中 与与 可可能能同同向向, ,也也可可能能反反向向，即即磁磁介介质质中中可能有可能有B B0，也可能是也可能是B B0 。二、磁介质的分类二、磁介质的分类磁介质的相对磁导率磁介质的相对磁导率磁介质
9、的磁导率磁介质的磁导率8理学院 物理系 陈强1. 顺磁质：顺磁质：如锰，铬，氧等。如锰，铬，氧等。如水银，铜，氢等。如水银，铜，氢等。但在上述两类磁介质中，都有：但在上述两类磁介质中，都有：此时介质中总场显著增强且具有其它一些特殊此时介质中总场显著增强且具有其它一些特殊性质。如铁，钴，镍等。性质。如铁，钴，镍等。它们统称为它们统称为弱磁质弱磁质。2. 抗磁质：抗磁质：3. 铁磁质：铁磁质：5-1. 5-1. 磁介质及其磁化磁介质及其磁化9理学院 物理系 陈强5-1. 5-1. 磁介质及其磁化磁介质及其磁化1. 顺磁质和抗磁质的分子电结构区别顺磁质和抗磁质的分子电结构区别研究表明研究表明: :
10、对每个分子的对每个分子的分子磁矩分子磁矩 三、介质磁化的微观机制三、介质磁化的微观机制10理学院 物理系 陈强(1)无无外外磁磁场场时时，顺顺磁磁物物质质和和抗抗磁磁物物质质在在宏宏观观上上对对外外都都不显磁性。在外磁场中，它们会表现出不同磁性。不显磁性。在外磁场中，它们会表现出不同磁性。(2) 在外磁场在外磁场 作用下，作用下， 分分子子磁磁距距受受外外磁磁场场 的的磁磁力力矩矩的的作作用用,使使分分子子磁磁距距转转向向外外磁磁场场方方向向排排列列,则则沿沿外外磁磁场场产产生生一一附附加加磁磁场场 。2. 顺磁质和抗磁质的磁化机理顺磁质和抗磁质的磁化机理BpmI11理学院 物理系 陈强 外磁
11、场外磁场 使分子磁矩使分子磁矩 产生一个产生一个附加磁矩附加磁矩 ,且且 的方向与外磁场的方向与外磁场 方向相反。方向相反。OI分分pmFmB0v L pmFmI分分pmvB0 pm L受到力矩作用受到力矩作用e进动进动圆电流圆电流附加磁矩附加磁矩(恒与恒与 反向反向)12理学院 物理系 陈强故有：故有：对顺磁质，附加磁矩对顺磁质，附加磁矩 Tc时顺磁时顺磁居里温度居里温度15理学院 物理系 陈强 变化滞后于变化滞后于I0或或磁滞回线磁滞回线I0 I0 I0 0I0 如图如图. O S R C S SSRI0CSOOS: 起始磁化曲线起始磁化曲线，BR: 剩磁剩磁:人造磁铁人造磁铁, 磁带磁带
12、, 磁盘等磁盘等磁滞回线的面积磁滞回线的面积 功耗功耗5-1. 5-1. 磁介质及其磁化磁介质及其磁化按磁滞回线的形状，铁磁质可分为按磁滞回线的形状，铁磁质可分为软磁质：磁头、交流电器铁芯等软磁质：磁头、交流电器铁芯等硬磁质：永久磁铁（天然人造）硬磁质：永久磁铁（天然人造）16理学院 物理系 陈强铁磁体的磁致伸缩铁磁体的磁致伸缩*：磁畴方向改变磁畴方向改变晶格间距改变晶格间距改变铁磁体长度和体积改变。铁磁体长度和体积改变。长度相对改变：约长度相对改变：约10-5量级；量级； 可用于激振器，超声发生器等可用于激振器，超声发生器等对铁磁质以后不再详细讨论。对铁磁质以后不再详细讨论。 SRI0CSO
13、5-1. 5-1. 磁介质及其磁化磁介质及其磁化17理学院 物理系 陈强铁磁材料的分类及其应用铁磁材料的分类及其应用 软磁材料软磁材料BR小，小，HC小，磁滞回线瘦，小，磁滞回线瘦，磁滞损耗小；磁滞损耗小；通电后立即磁化获得强磁场，通电后立即磁化获得强磁场，断电立即退磁。断电立即退磁。磁头、交流电器铁芯等磁头、交流电器铁芯等硬磁材料硬磁材料 BR大，大，HC大大，HC：104106A/m；磁滞回线胖磁滞回线胖, ,磁滞损耗大；磁滞损耗大；撤去外场后仍能保持强磁性撤去外场后仍能保持强磁性永久磁铁（天然人造）永久磁铁（天然人造）5-2.5-2.有磁介质时的恒定磁场有磁介质时的恒定磁场18理学院 物
14、理系 陈强磁性材料在信息技术中的应用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中获得广泛而重要的应用 磁记录：主要有磁记录：主要有( (用永磁材料制成的用永磁材料制成的) )存储装置和写入、存储装置和写入、读出设备。存储装置包括磁头和磁记录介质读出设备。存储装置包括磁头和磁记录介质 n磁头磁头：n写入过程中：磁头将电信号写入过程中：磁头将电信号磁场磁场n读出过程中：将磁记录介质的磁场读出过程中：将磁记录介质的磁场 转变为电信号转变为电信号n磁记录介质磁记录介质：内存、外存、磁盘和磁带等：内存、外存
15、、磁盘和磁带等5-2.5-2.有磁介质时的恒定磁场有磁介质时的恒定磁场19理学院 物理系 陈强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阻效应，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
16、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性，又具有液体的流动性 5-2.5-2.有磁介质时的恒定磁场有磁介质时的恒定磁场20理学院 物理系 陈强参考书目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 北京大学出版社北京大学出版社 （比较深）（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21理学院 物理系 陈强类比电极化的讨论类比电极化的讨论, 定义定义磁化强度磁化强度: 抗磁质抗磁质SI: A/m I为所有未抵消的为所有未抵消的分子电流代数和分子电流代数和, 与与载载 流子无关流子无关，称为，称为磁化电流磁化电流或或束缚电流束缚电流。5-1. 5-1. 磁介质及其磁化磁介质及其磁化均匀磁介质：均匀磁介质： 内部各处小分子电流相内部各处小分子电流相互抵消；表面未被抵消互抵消；表面未被抵消磁化面电流磁化面电流。Bp
