63磁介质的磁化规律

问题─磁场强度是一个辅助矢量─已知I0，先求H，─利用H求B，需要知道H和B的关系？0LHdlI一磁化率和磁导率6-3磁介质的磁化规律''BBIMB1磁介质的磁化规律习题：6.3-26.3-4对于各向同性线性磁介质mMH0BHM00BHM00(1)mrHH磁化率相对磁导率B和M的关系为01rmmBMMk各向同性线性磁介质,1,0m很小||mM和B同向，顺磁质,1,0m很小||mM和B反向，抗磁质真空中，M=0,1,0m0BH无磁化现象磁化率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m1，其数量级为102～106地位和作用类似于e3两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00BB铁磁质（铁、钴、镍等）顺磁质0BB0BB抗磁质（铝、氧、锰等）（铜、铋、氢等）弱磁质2磁介质分类强磁性5分子圆电流和磁矩mI无外磁场顺磁质的磁化0B有外磁场sI'0BBB顺磁质内磁场二顺磁质的磁化•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•电子轨道运动为什么会变化？原因：在外磁场下受洛伦兹力三抗磁质的磁化7无外磁场时抗磁质分子磁矩为零0m'0BBB抗磁质内磁场qv0B0,B同向时qv0,B反向时0BF'mF'm'm'm抗磁质的磁化•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ˆlmiSn22eeveiTr2lemLm与角动量方向相反电子自旋磁矩SemSm若所有电子的总角动量为零，抗磁所有电子的总角动量不为零，顺磁2Lmr•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(电子只受库仑力）─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），一般有洛伦兹力远小于库仑力rmrZe202024213020)4(mrZermrBerZe20202400,0202220000erBmreBmrmrmrBerBerZe02000020224洛伦兹力远小于库仑力，高阶小量，略meB20−考虑电子角速度反平行于外磁场，有同样结论，的方向总与外磁场相同电子角速度改变将引起电子磁矩改变222024erermBm总是与外磁场方向相反•当介质处于磁场中时，每个电子磁矩都受到磁力矩的作用0MmB一般情况下的讨论，夹角为任意角0ldLMmBdt2lemLmSemSmlMmML旋进，拉摩进动，只改变角动量方向，不改变其大小d0BLmlSmmm以轨道角动量变化为例d0BLm00sin2sin2llddLmeddtLLmedLmBdtBm0ldLMmBdtlMmML旋进，拉摩进动，只改变角动量方向附加角速度22lerm和外加磁场反向完全抗磁性：超导体迈斯纳效应超导重力仪B=0M=-H四铁磁质的磁化规律2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1特点–其中M的值相当大；–M～H、B～H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000,()rMBHHBHMM14矫顽力cH当外磁场由逐渐减小时，这种B的变化落后于H的变化的现象，叫做磁滞现象，简称磁滞.mHmBmHPrBcHmH'PmBHBO磁滞回线Q由于磁滞，时，磁感强度，叫做剩余磁感强度(剩磁).0H0BrB3磁滞回线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：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，计算电源要抵抗感应电动势做功证明：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dIdtdtdIdtIdA000lNnnIH,0VHdBSlHdBNSdBlNHdIdA0NSBHdBVdAda积”磁滞回线所包围的“面磁滞回线磁滞回线HdBdaa磁畴无外磁场B有外磁场5铁磁质磁化机制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“自发”排列起来，形成小的“自发磁化区”——磁畴其原因是相邻原子中电子间存在一种交换作用（一种量子效应），使电子的原子磁矩平行排列起来，从而自发磁化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•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楔形畴几种铁磁材料的磁畴结构，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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28nm，钴为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铁磁性材料的分类及其应用•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。HBO软磁材料HBO硬磁材料HBO矩磁铁氧体材料•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，适合用于弱电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：磁头将电信号——磁场读出过程：将磁记录介质的磁场——电信号磁记录介质：内存、外存、磁盘和磁带等HBO矩磁铁氧体材料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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：“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。25例1有两个半径分别为和的“无限长”同轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁导率为的磁介质.当两圆筒通有相反方向的电流时，试求（1）磁介质中任意点P的磁感应强度的大小;（2）圆柱体外面一点Q的磁感强度.rrRIIrrdIR26RdrIlHldIHdπ2dIHBπ2r0解IrrdIRRd0IIlHld0,0π2HHd0HB0,Brd同理可求例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H—M—B方法二：M——I’——B——H00LHdlI00BHM0BMˆ'iMnnIi'与螺绕环类比MB00'iB和M方向一致为MHB0000MBH00BHM0rBH