磁介質(zhì)磁化規(guī)律和機(jī)理鐵電體實用教案

1、1各種( zhn)磁介質(zhì) p286 4-28、37、38 磁介質(zhì)分類磁介質(zhì)分類 弱磁性：順磁質(zhì)、抗磁質(zhì)弱磁性：順磁質(zhì)、抗磁質(zhì) 強(qiáng)磁性：鐵磁質(zhì)強(qiáng)磁性：鐵磁質(zhì) 一般有兩類分子一般有兩類分子(fnz) 無外場無外場 有外場有外場 分子分子(fnz)磁矩磁矩 m分子分子(fnz)= ml+ ms0 m分子分子(fnz)=0 m分子分子(fnz)0 分子分子(fnz)磁矩磁矩 m分子分子(fnz)= ml+ ms 0 m分子分子(fnz)=0 m分子分子(fnz)0 順磁質(zhì)的磁化順磁質(zhì)的磁化 分子分子(fnz)在外磁場作用下趨向于外磁場排列在外磁場作用下趨向于外磁場排列 熱運(yùn)動與磁場作用相抵抗熱運(yùn)動與磁

2、場作用相抵抗 抗磁質(zhì)順磁質(zhì)第1頁/共19頁第一頁，共20頁。2抗磁質(zhì) 抗磁質(zhì)分子的固有磁矩抗磁質(zhì)分子的固有磁矩m分子分子= ml+ ms0 不存在由非零的分子固有磁矩規(guī)則取向引起的順磁效應(yīng)。磁性來源？不存在由非零的分子固有磁矩規(guī)則取向引起的順磁效應(yīng)。磁性來源？ 抗磁質(zhì)磁性起源于電子軌道運(yùn)動在外磁場抗磁質(zhì)磁性起源于電子軌道運(yùn)動在外磁場(cchng)下的變化下的變化 電子軌道運(yùn)動為什么會變化？原因：在外磁場電子軌道運(yùn)動為什么會變化？原因：在外磁場(cchng)下受洛倫茲力下受洛倫茲力 第2頁/共19頁第二頁，共20頁。3分子磁矩的由來 在原子或分子內(nèi)，一般不止有一個電子在原子或分子內(nèi)，一般不止有一

3、個電子 分子磁矩：所有分子磁矩：所有(suyu)電子的軌道磁矩和自旋磁矩電子的軌道磁矩和自旋磁矩的矢量和的矢量和m分子分子= ml+ ms0 電子軌道磁矩電子軌道磁矩nmiSl22erevTeieLlmeLm2與角動量方向(fngxing)相反n電子(dinz)自旋磁矩SmmeSn若所有電子的總角動量（含軌道和自旋）為零，抗磁n所有電子的總角動量（含軌道和自旋）不為零 ，順磁 第3頁/共19頁第三頁，共20頁。4外磁場對電子軌道運(yùn)動(yndng)的影響 p240 外磁場作用在一個抗磁原子上，考慮電子的軌道外磁場作用在一個抗磁原子上，考慮電子的軌道(gudo)(gudo)運(yùn)動運(yùn)動( (設(shè)電子角速

4、度平行于設(shè)電子角速度平行于外磁場外磁場) ) 求無外磁場時的角速度求無外磁場時的角速度 0(0(電子只受庫侖力）電子只受庫侖力）n加外磁場B0，電子受庫侖力、洛倫茲力（指向中心(zhngxn)），假設(shè)軌道的半徑不變（相當(dāng)于定態(tài)假設(shè)），設(shè)洛倫茲力遠(yuǎn)小于庫侖力rmrZe202024213020)4(mrZermrBerZe20202400,02022第4頁/共19頁第四頁，共20頁。5emeBrmrBe00200rmrmrBerBerZe02000020224洛倫茲力遠(yuǎn)小于庫侖(kln)力，高階無窮小，略meB20n考慮(kol)電子角速度反平行于外磁場，有同樣結(jié)論，的方向總是與外磁場B0相同 n

5、電子角速度改變將引起電子磁矩改變 022242Bmmreer總是與外磁場(cchng)方向相反第5頁/共19頁第五頁，共20頁。6 當(dāng)介質(zhì)處于當(dāng)介質(zhì)處于(chy)(chy)磁場中時，每個電子磁矩都受到磁力矩的作用磁場中時，每個電子磁矩都受到磁力矩的作用 成任何角度成任何角度B與00BmMB第6頁/共19頁第六頁，共20頁。7鐵磁質(zhì) n起始磁化曲線(qxin)：Ms、Bs分別為飽和磁化強(qiáng)度和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 nMH、BH之間的關(guān)系是非線性和非單值的 特點特點 其中其中M的值相當(dāng)大；的值相當(dāng)大； M與與H不成正比關(guān)系，甚至也不是單值關(guān)系。實驗表不成正比關(guān)系，甚至也不是單值關(guān)系。實驗表明，明，M和和H

6、間的函數(shù)關(guān)系比較復(fù)雜，且與磁化的歷史間的函數(shù)關(guān)系比較復(fù)雜，且與磁化的歷史(lsh)有關(guān)。有關(guān)。 鐵磁質(zhì)的鐵磁質(zhì)的M與與H、B的關(guān)系通常通過實驗測定的關(guān)系通常通過實驗測定 第7頁/共19頁第七頁，共20頁。8磁滯回線 MR：剩余磁化強(qiáng)度：剩余磁化強(qiáng)度 BR: 剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度 HC：矯頑力。：矯頑力。 在上述變化過程在上述變化過程(guchng)中，中，M和和B的變化總是的變化總是落后于落后于H的變化，這一現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象的變化，這一現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象;上述曲上述曲線叫磁滯回線。線叫磁滯回線。 P244第8頁/共19頁第八頁，共20頁。9磁滯(c zh)損耗 當(dāng)鐵磁質(zhì)在交變當(dāng)鐵磁質(zhì)在交

7、變(jio bin)磁場作用下，反復(fù)磁化是由于磁滯效應(yīng)，磁體要發(fā)熱而磁場作用下，反復(fù)磁化是由于磁滯效應(yīng)，磁體要發(fā)熱而散失熱量，這種能量損失稱為磁滯損耗。散失熱量，這種能量損失稱為磁滯損耗。 可以證明：可以證明：BH圖中磁滯回線所包圍的圖中磁滯回線所包圍的“面積面積”代表在一個反復(fù)磁化的循環(huán)過程代表在一個反復(fù)磁化的循環(huán)過程中單位體積的鐵芯內(nèi)損耗的能量中單位體積的鐵芯內(nèi)損耗的能量 磁滯回線越胖，曲線下面積越大，損耗越大；磁滯回線越胖，曲線下面積越大，損耗越大； 磁滯回線越瘦，曲線下面積越小，損耗越小磁滯回線越瘦，曲線下面積越小，損耗越小 證明證明 p245，算電源要抵抗感應(yīng)電動勢做功，算電源要抵抗

8、感應(yīng)電動勢做功 第9頁/共19頁第九頁，共20頁。10證明(zhngmng)以有閉合鐵芯的螺繞環(huán)為例 設(shè)設(shè)t時刻介質(zhì)處于某一磁化狀態(tài)時刻介質(zhì)處于某一磁化狀態(tài)P，此處，此處H0，B0 dt內(nèi)，內(nèi)， PP ，鐵心中磁通改變量為，鐵心中磁通改變量為d 電源抵抗感應(yīng)電源抵抗感應(yīng)(gnyng)電動勢做功電動勢做功dIdtdtdIdtIdA000lNnnIH,0VHdBSlHdBNSdBlNHdIdA0NSB周長(zhu chn)HdBVdAda積積”磁磁滯滯回回線線所所包包圍圍的的“面面磁滯回線磁滯回線HdBdaa第10頁/共19頁第十頁，共20頁。11鐵磁質(zhì)磁化(chu)機(jī)制 自發(fā)磁化區(qū)自發(fā)磁化區(qū) 近

9、代科學(xué)實驗證明，鐵磁質(zhì)的磁性主要來源于電子自旋磁矩。在沒有外磁場的條件下近代科學(xué)實驗證明，鐵磁質(zhì)的磁性主要來源于電子自旋磁矩。在沒有外磁場的條件下鐵磁質(zhì)中電子自旋磁矩可以在小范圍內(nèi)鐵磁質(zhì)中電子自旋磁矩可以在小范圍內(nèi)“自發(fā)地自發(fā)地”排列起來，形成一個個小的排列起來，形成一個個小的“自發(fā)自發(fā)磁化區(qū)磁化區(qū)”磁疇磁疇 自發(fā)磁化的原因是由于相鄰原子中電子之間存在著一種交換作用（一種量子效應(yīng)），自發(fā)磁化的原因是由于相鄰原子中電子之間存在著一種交換作用（一種量子效應(yīng)），使電子的原子磁矩平行使電子的原子磁矩平行(pngxng)(pngxng)排列起來而達(dá)到自發(fā)磁化的飽和狀態(tài)排列起來而達(dá)到自發(fā)磁化的飽和狀態(tài) 單

10、晶和多晶磁疇結(jié)構(gòu)的示意單晶和多晶磁疇結(jié)構(gòu)的示意 第11頁/共19頁第十一頁，共20頁。12磁化(chu)過程示意 a：未磁化時狀態(tài) b：疇壁的可逆位移階段OA段 c：不可逆的磁化AB段 d：磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動(zhun dng)BC段 e：趨于飽和的階段CS段等于(dngy)每個磁疇中原有的磁化強(qiáng)度 n在外磁場撤消后，鐵磁質(zhì)內(nèi)摻雜和內(nèi)應(yīng)力或因為介質(zhì)存在缺陷阻礙磁疇恢復(fù)到原來的狀態(tài) 第12頁/共19頁第十二頁，共20頁。13磁疇 影響鐵磁質(zhì)磁性的因素影響鐵磁質(zhì)磁性的因素 溫度對磁性有影響溫度對磁性有影響居里點高過居里點鐵磁性就消失，變?yōu)轫槾刨|(zhì)。如居里點高過居里點鐵磁性就消失，變?yōu)轫槾刨|(zhì)。如純鐵的居里

11、點為純鐵的居里點為1043K，鏑的居里點為，鏑的居里點為89K； 強(qiáng)烈震動會瓦解磁疇強(qiáng)烈震動會瓦解磁疇 尺寸影響磁疇結(jié)構(gòu)性尺寸影響磁疇結(jié)構(gòu)性介觀尺度下有新現(xiàn)象介觀尺度下有新現(xiàn)象 介觀尺度：即介于介觀尺度：即介于(ji y)宏觀尺度與微觀尺度之間，一般為宏觀尺度與微觀尺度之間，一般為0.1100nma 片形疇（L=8微米）； b 蜂窩疇（L=75微米）； c 楔形疇圖 幾種鐵磁材料的磁疇結(jié)構(gòu)，其中a、b為Ba鐵氧體單晶基面上的磁疇結(jié)構(gòu)，L為晶體厚度(hud)；c 為鈷的兩個晶粒上的磁疇結(jié)構(gòu)第13頁/共19頁第十三頁，共20頁。14宏觀(hnggun)鐵磁體的尺寸減小到介觀尺度 此時磁性材料不再是

12、具有疇壁的多磁疇結(jié)構(gòu)，而是沒有疇壁的單疇結(jié)構(gòu)，單疇的臨界此時磁性材料不再是具有疇壁的多磁疇結(jié)構(gòu)，而是沒有疇壁的單疇結(jié)構(gòu)，單疇的臨界尺度大約在納米級范圍，例如鐵（尺度大約在納米級范圍，例如鐵（Fe）的球形顆粒產(chǎn)生單疇的臨界直徑為）的球形顆粒產(chǎn)生單疇的臨界直徑為28nm，鈷，鈷(Co)為為240nm。 由于熱擾動的影響，使這些磁有序物質(zhì)系統(tǒng)表現(xiàn)出特別的磁性質(zhì)，如類似順磁性的超由于熱擾動的影響，使這些磁有序物質(zhì)系統(tǒng)表現(xiàn)出特別的磁性質(zhì)，如類似順磁性的超順磁性順磁性 與同類常規(guī)與同類常規(guī)(chnggu)塊狀磁體相比，納米量級材料的居里溫度低，矯頑力高。塊狀磁體相比，納米量級材料的居里溫度低，矯頑力高。

13、磁性液體：用表面活性劑處理過的超細(xì)磁性微粒高度分散在載液中形成一種磁性膠體磁性液體：用表面活性劑處理過的超細(xì)磁性微粒高度分散在載液中形成一種磁性膠體溶液，呈現(xiàn)出超順磁性溶液，呈現(xiàn)出超順磁性 第14頁/共19頁第十四頁，共20頁。15磁性材料的分類(fn li)及其應(yīng)用 按矯頑力大小分類按矯頑力大小分類 軟磁材料軟磁材料(cilio) (cilio) HCHC小，磁滯回線瘦，磁滯損耗??；小，磁滯回線瘦，磁滯損耗??； 有的有的BRBR小，通電后立即磁化獲得強(qiáng)磁小，通電后立即磁化獲得強(qiáng)磁場，斷電立即退磁，適合用于強(qiáng)電場，斷電立即退磁，適合用于強(qiáng)電 有的有的 起始磁導(dǎo)率大，適合用于弱電起始磁導(dǎo)率大，適

14、合用于弱電 硬磁材料硬磁材料(cilio) (cilio) BRBR大，大，HCHC大，大， HCHC：104104106A/m106A/m； 磁滯回線胖，磁滯損耗大；磁滯回線胖，磁滯損耗大； 撤外場后，仍能保持強(qiáng)磁性。撤外場后，仍能保持強(qiáng)磁性。第15頁/共19頁第十五頁，共20頁。16磁性材料(c xn ci lio)在信息技術(shù)中的應(yīng)用 隨著信息時代的到來隨著信息時代的到來(doli)(doli)，多種磁性材料在信息高新技術(shù)中獲得廣，多種磁性材料在信息高新技術(shù)中獲得廣泛而重要的應(yīng)用泛而重要的應(yīng)用 磁記錄：主要有存儲裝置和寫入、讀出設(shè)備。存儲裝置是用永磁材料制磁記錄：主要有存儲裝置和寫入、讀出

15、設(shè)備。存儲裝置是用永磁材料制成的設(shè)備，包括磁頭和磁記錄介質(zhì)成的設(shè)備，包括磁頭和磁記錄介質(zhì) n磁頭：n寫入過程中：磁頭將電信號磁場n讀出過程中：將磁記錄介質(zhì)(jizh)的磁場轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杗磁記錄介質(zhì)(jizh)：內(nèi)存、外存、磁盤和磁帶等第16頁/共19頁第十六頁，共20頁。17磁性(cxng)功能材料 壓磁材料也叫磁致伸縮材料壓磁材料也叫磁致伸縮材料 鐵磁質(zhì)磁疇中磁化方向改變會導(dǎo)致介質(zhì)中晶格間距的改變鐵磁質(zhì)磁疇中磁化方向改變會導(dǎo)致介質(zhì)中晶格間距的改變 磁電阻材料磁電阻材料 磁場磁場(cchng)可以使許多金屬的電阻發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為磁電阻可以使許多金屬的電阻發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為磁電阻效應(yīng)，

16、相應(yīng)的材料為磁電阻材料效應(yīng)，相應(yīng)的材料為磁電阻材料(MR) 磁電阻材料磁電阻材料(MR)： 巨磁電阻效應(yīng)（簡稱巨磁電阻效應(yīng)（簡稱GMR） 超巨磁電阻材料超巨磁電阻材料 在小型化的在小型化的 微型化高密度磁記錄讀出磁頭、隨機(jī)存儲器和微型傳感器微型化高密度磁記錄讀出磁頭、隨機(jī)存儲器和微型傳感器中獲得重要應(yīng)用中獲得重要應(yīng)用 液體磁性液體磁性 既具有固體的強(qiáng)磁性，又具有液體的流動性既具有固體的強(qiáng)磁性，又具有液體的流動性 %6%2/RR%50/達(dá)到RR631010/ RR第17頁/共19頁第十七頁，共20頁。18參考書目 納米材料和納米結(jié)構(gòu)納米材料和納米結(jié)構(gòu)(jigu)(jigu) 張立德張立德 牟季美牟季美 科學(xué)出版社科學(xué)出版社 固體物理基礎(chǔ)閻守勝固體物理基礎(chǔ)閻守勝 北京大學(xué)出版社（比較深）北京大學(xué)出版社（比較深） 當(dāng)代磁學(xué)李國棟當(dāng)代磁學(xué)李國棟 編著編著 科大出版社科大出版社動物(dngw)的磁性，太陽風(fēng)暴 太陽風(fēng)暴2第18頁/共19頁第十八頁，共20頁。19感謝您的觀看(