第15章物質(zhì)磁性

1、第15章物質(zhì)磁性一、一、 磁介質(zhì)的概念磁介質(zhì)的概念 磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響磁介質(zhì)磁介質(zhì)在考慮物質(zhì)受磁場(chǎng)影響或它對(duì)磁場(chǎng)的在考慮物質(zhì)受磁場(chǎng)影響或它對(duì)磁場(chǎng)的影響時(shí)，物質(zhì)統(tǒng)稱(chēng)為磁介質(zhì)。影響時(shí)，物質(zhì)統(tǒng)稱(chēng)為磁介質(zhì)。磁化磁化磁介質(zhì)在磁場(chǎng)作用下所發(fā)生的變化磁介質(zhì)在磁場(chǎng)作用下所發(fā)生的變化實(shí)驗(yàn)：長(zhǎng)直螺線管，實(shí)驗(yàn)：長(zhǎng)直螺線管，沿導(dǎo)線通入電流沿導(dǎo)線通入電流I I。0rBB 管內(nèi)為真空或空氣時(shí)，測(cè)出磁感應(yīng)強(qiáng)度為管內(nèi)為真空或空氣時(shí)，測(cè)出磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0 管內(nèi)充滿某種磁介質(zhì)時(shí)，測(cè)出磁感應(yīng)強(qiáng)度為管內(nèi)充滿某種磁介質(zhì)時(shí)，測(cè)出磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 則有：則有：磁介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率，磁介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率，隨磁介質(zhì)的種類(lèi)或狀態(tài)隨磁

2、介質(zhì)的種類(lèi)或狀態(tài)的不同而不同。的不同而不同。 RI（2 2）順磁質(zhì)：）順磁質(zhì)： r r 是略大于是略大于1 1的常數(shù)的磁介質(zhì)的常數(shù)的磁介質(zhì)（3 3）鐵磁質(zhì)：）鐵磁質(zhì)： r r 比比1 1大得多，且隨大得多，且隨B B0 0的大小發(fā)生的大小發(fā)生變化的磁介質(zhì)變化的磁介質(zhì)（1 1）抗磁質(zhì)：）抗磁質(zhì)： r r 是略小于是略小于1 1的常數(shù)的磁介質(zhì)的常數(shù)的磁介質(zhì)根據(jù)根據(jù) r r 的大小可將磁介質(zhì)分為三大類(lèi)的大小可將磁介質(zhì)分為三大類(lèi) ：二、二、 磁介質(zhì)的分類(lèi)磁介質(zhì)的分類(lèi)如汞，銅（如汞，銅（293K）等，對(duì)磁場(chǎng)影響很?。┑?，對(duì)磁場(chǎng)影響很小如氧（如氧（293K），鋁，鉑等，對(duì)磁場(chǎng)影響很?。X，鉑等，對(duì)磁場(chǎng)影

3、響很小如純鐵，硅鋼。對(duì)磁場(chǎng)的影響很大，在電工技術(shù)如純鐵，硅鋼。對(duì)磁場(chǎng)的影響很大，在電工技術(shù)方面有廣泛應(yīng)用。方面有廣泛應(yīng)用。猜測(cè)：一定在介質(zhì)中產(chǎn)生了某種電流，從而產(chǎn)生猜測(cè)：一定在介質(zhì)中產(chǎn)生了某種電流，從而產(chǎn)生 了一附加磁場(chǎng)了一附加磁場(chǎng) ，使，使B=BB=B0 0+B+B =r rB B0 0BA A環(huán)繞原子核的電子高速旋轉(zhuǎn)；環(huán)繞原子核的電子高速旋轉(zhuǎn)；B B電子自身要自旋。電子自身要自旋。iN NS S相當(dāng)于相當(dāng)于一一磁偶極磁偶極子子 原子的磁矩原子的磁矩與磁介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)與磁介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)磁矩：磁矩：nmSIe 一、分子磁矩一、分子磁矩1、電子軌道運(yùn)動(dòng)的磁矩、電子軌道運(yùn)動(dòng)的磁矩假設(shè)電子在

4、半徑為假設(shè)電子在半徑為 r 的圓周上以恒定速率的圓周上以恒定速率 v 繞原繞原子核運(yùn)動(dòng)，則其形成的軌道電流為：子核運(yùn)動(dòng)，則其形成的軌道電流為：22QeeevITTr vr分子電流分子電流- -每個(gè)分子中電荷運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的磁效應(yīng)的每個(gè)分子中電荷運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的磁效應(yīng)的等效電流。等效電流。分子磁矩分子磁矩- -分子電流所產(chǎn)生的磁矩，分子電流所產(chǎn)生的磁矩，又稱(chēng)為固有磁矩又稱(chēng)為固有磁矩電子軌道運(yùn)動(dòng)的磁矩為：電子軌道運(yùn)動(dòng)的磁矩為：222nevevrmSIemrr 2、電子的內(nèi)稟自旋磁矩、電子的內(nèi)稟自旋磁矩249.27 10/2eemJ Tm 電子自旋磁矩為：電子自旋磁矩為：3、原子核磁矩、原子核磁矩原子核磁矩

5、非常小，只有電子磁矩的千分之一。原子核磁矩非常小，只有電子磁矩的千分之一。電子軌道運(yùn)動(dòng)的磁矩為：電子軌道運(yùn)動(dòng)的磁矩為：2evrm 電子軌道運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量為：電子軌道運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量為：eLm vr 電子軌道磁矩：電子軌道磁矩：2eemLm (1)0,1,2.;Ll ll 4、分子磁距（固有磁矩）、分子磁距（固有磁矩）一個(gè)分子中所有電子軌道磁矩和自旋磁距以及核的一個(gè)分子中所有電子軌道磁矩和自旋磁距以及核的自旋磁矩的矢量和。自旋磁矩的矢量和。二、磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生影響的微觀解釋二、磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生影響的微觀解釋?zhuān)? 2）順磁質(zhì)：）順磁質(zhì)： r r 是略大于是略大于1 1（3 3）鐵磁質(zhì)：）鐵磁質(zhì)： r r

6、 遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于1 1（1 1）抗磁質(zhì)：）抗磁質(zhì)： r r 是略小于是略小于1 1分子磁矩（固有磁矩）為零。分子磁矩（固有磁矩）為零。在外磁場(chǎng)中產(chǎn)生和外磁場(chǎng)相反的感生磁矩。在外磁場(chǎng)中產(chǎn)生和外磁場(chǎng)相反的感生磁矩。分子磁矩（固有磁矩）不為零。分子磁矩（固有磁矩）不為零。在外磁場(chǎng)中，固有磁距受磁場(chǎng)力矩作用，使分子在外磁場(chǎng)中，固有磁距受磁場(chǎng)力矩作用，使分子磁矩的方向轉(zhuǎn)向與外磁場(chǎng)方向一致。外磁場(chǎng)越強(qiáng)，磁矩的方向轉(zhuǎn)向與外磁場(chǎng)方向一致。外磁場(chǎng)越強(qiáng)，分子磁矩排列越整齊。分子磁矩排列越整齊。順磁質(zhì)的一種特殊情況，晶體內(nèi)電子的自旋之間順磁質(zhì)的一種特殊情況，晶體內(nèi)電子的自旋之間存在著一種特殊的相互作用，使之具有極強(qiáng)磁

7、性存在著一種特殊的相互作用，使之具有極強(qiáng)磁性三、感生磁矩三、感生磁矩 在外磁場(chǎng)作用下，電子與原子核運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生變?cè)谕獯艌?chǎng)作用下，電子與原子核運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生變化，在固有磁矩化，在固有磁矩 的基礎(chǔ)上產(chǎn)生一附加磁矩的基礎(chǔ)上產(chǎn)生一附加磁矩 ，且不管原有磁矩方向如何，且不管原有磁矩方向如何， 的方向都和外加磁的方向都和外加磁場(chǎng)的方向相反。場(chǎng)的方向相反。 這些附加磁矩的矢量和就是一個(gè)分子在外加磁這些附加磁矩的矢量和就是一個(gè)分子在外加磁場(chǎng)產(chǎn)生的感生磁矩。場(chǎng)產(chǎn)生的感生磁矩。 感生磁矩比因有磁矩小感生磁矩比因有磁矩小5 5個(gè)數(shù)量級(jí)以下，在順磁個(gè)數(shù)量級(jí)以下，在順磁質(zhì)中它的效果可忽略不計(jì)。質(zhì)中它的效果可忽略不計(jì)。m m

8、分子磁矩分子磁矩軌道磁矩軌道磁矩自旋磁矩自旋磁矩電子繞核的軌道運(yùn)動(dòng)電子繞核的軌道運(yùn)動(dòng)電子本身自旋電子本身自旋等效于圓電流等效于圓電流分子電流分子電流1 1、順磁質(zhì)及其磁化、順磁質(zhì)及其磁化分子的固有磁矩不為零分子的固有磁矩不為零0m 無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)，由無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，分于分子的熱運(yùn)動(dòng)，分子磁矩取向各不相同子磁矩取向各不相同, ,整個(gè)介質(zhì)不顯磁性。整個(gè)介質(zhì)不顯磁性。分分子子磁磁矩矩0m 物質(zhì)的磁化物質(zhì)的磁化 有外磁場(chǎng)時(shí)，分子磁矩要有外磁場(chǎng)時(shí)，分子磁矩要受到一個(gè)力矩的作用，使分子受到一個(gè)力矩的作用，使分子磁矩轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)的方向。磁矩轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)的方向。mp0B0BpMm M 分子磁矩產(chǎn)

9、生的磁場(chǎng)方向和外磁場(chǎng)方向一致，分子磁矩產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向和外磁場(chǎng)方向一致，順磁質(zhì)磁化結(jié)果，使介質(zhì)內(nèi)部磁場(chǎng)增強(qiáng)。順磁質(zhì)磁化結(jié)果，使介質(zhì)內(nèi)部磁場(chǎng)增強(qiáng)。0BB 0BB I0B 順磁質(zhì)：固有磁矩沿磁場(chǎng)方向取向，每個(gè)分子小順磁質(zhì)：固有磁矩沿磁場(chǎng)方向取向，每個(gè)分子小圓電流的面法向都與外磁場(chǎng)方向相同。圓電流的面法向都與外磁場(chǎng)方向相同。宏觀效果：磁介質(zhì)內(nèi)部電流抵消。外面部分沿相同宏觀效果：磁介質(zhì)內(nèi)部電流抵消。外面部分沿相同方向流通?？傂Ч喈?dāng)于在介質(zhì)圓柱體表面上有一方向流通。總效果相當(dāng)于在介質(zhì)圓柱體表面上有一層電流流過(guò)，稱(chēng)為束縛電流，也叫磁化電流。層電流流過(guò)，稱(chēng)為束縛電流，也叫磁化電流。束縛電流是分子內(nèi)電荷運(yùn)動(dòng)一

10、段段接合成成，不同束縛電流是分子內(nèi)電荷運(yùn)動(dòng)一段段接合成成，不同于金屬中自由電子定向運(yùn)動(dòng)形成的傳導(dǎo)電流于金屬中自由電子定向運(yùn)動(dòng)形成的傳導(dǎo)電流(自由自由電流電流)。sI0I束縛電流束縛電流2 2、抗磁質(zhì)及其磁化、抗磁質(zhì)及其磁化分子的固有磁矩為零分子的固有磁矩為零在外磁場(chǎng)中，抗磁質(zhì)分子會(huì)產(chǎn)生附加磁矩在外磁場(chǎng)中，抗磁質(zhì)分子會(huì)產(chǎn)生附加磁矩( (感生磁矩感生磁矩) )電子的附加磁矩總是削弱外磁場(chǎng)的作用。電子的附加磁矩總是削弱外磁場(chǎng)的作用。抗磁性是一切磁介質(zhì)共同具有的特性?？勾判允且磺写沤橘|(zhì)共同具有的特性。0BB I0B sI0I束縛電流束縛電流3 3、磁介質(zhì)的磁化、磁介質(zhì)的磁化由于順磁質(zhì)分子的固有磁矩在磁

11、場(chǎng)中定向排由于順磁質(zhì)分子的固有磁矩在磁場(chǎng)中定向排列或的抗磁質(zhì)分子在磁場(chǎng)中產(chǎn)生了感生磁矩，列或的抗磁質(zhì)分子在磁場(chǎng)中產(chǎn)生了感生磁矩，因而在磁介質(zhì)的表面上出現(xiàn)了束縛電流的現(xiàn)因而在磁介質(zhì)的表面上出現(xiàn)了束縛電流的現(xiàn)象叫磁介質(zhì)的磁化。象叫磁介質(zhì)的磁化。順磁質(zhì)的束縛電流的方向與外磁場(chǎng)方向有右順磁質(zhì)的束縛電流的方向與外磁場(chǎng)方向有右手螺旋關(guān)系，它產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)加強(qiáng)了磁介手螺旋關(guān)系，它產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)加強(qiáng)了磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)。質(zhì)中的磁場(chǎng)?？勾刨|(zhì)的束縛電流的方向與外磁場(chǎng)方向有左抗磁質(zhì)的束縛電流的方向與外磁場(chǎng)方向有左手螺旋關(guān)系，它產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)減弱了磁介手螺旋關(guān)系，它產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)減弱了磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)。質(zhì)中的磁場(chǎng)。 H矢量

12、及其環(huán)路定理矢量及其環(huán)路定理當(dāng)磁場(chǎng)中充滿磁介質(zhì)時(shí)，實(shí)驗(yàn)指出：當(dāng)磁場(chǎng)中充滿磁介質(zhì)時(shí)，實(shí)驗(yàn)指出：0rBB 改寫(xiě)一下：改寫(xiě)一下：000rBB 對(duì)任意閉合路徑對(duì)任意閉合路徑L積分：積分：000LLrBBdrdr 安培環(huán)路定理：安培環(huán)路定理：0intLB drI 0,int0LrBdrI 閉合路徑閉合路徑L包圍包圍的自由電流的自由電流定義：定義：0,int0LrBdrI 0rBBH 0r 磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度上式改寫(xiě)為：上式改寫(xiě)為：0,intLH drI H的環(huán)路定理的環(huán)路定理注意：對(duì)于磁場(chǎng)并未被磁介質(zhì)充滿的一般情況，注意：對(duì)于磁場(chǎng)并未被磁介質(zhì)充滿的一般情況，H矢量的環(huán)路定理仍然

13、成立矢量的環(huán)路定理仍然成立 在穩(wěn)恒磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量沿任一閉合路徑在穩(wěn)恒磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量沿任一閉合路徑的線積分（即環(huán)流）等于包圍在環(huán)路內(nèi)各傳導(dǎo)電流的線積分（即環(huán)流）等于包圍在環(huán)路內(nèi)各傳導(dǎo)電流電流的代數(shù)和，而與磁化電流無(wú)關(guān)。電流的代數(shù)和，而與磁化電流無(wú)關(guān)。例例1、一環(huán)形螺線管，管內(nèi)充滿磁導(dǎo)率為、一環(huán)形螺線管，管內(nèi)充滿磁導(dǎo)率為，相對(duì)磁導(dǎo)，相對(duì)磁導(dǎo)率為率為r的順磁質(zhì)。環(huán)的橫截面半徑遠(yuǎn)小于環(huán)的半徑。的順磁質(zhì)。環(huán)的橫截面半徑遠(yuǎn)小于環(huán)的半徑。單位長(zhǎng)度上的導(dǎo)線匝數(shù)為單位長(zhǎng)度上的導(dǎo)線匝數(shù)為n。 求：環(huán)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度求：環(huán)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度rHl dHL 2 NI rNIH 2 nI HH

14、Br 0 rO解：解：例例2、一無(wú)限長(zhǎng)載流圓柱體，通有電流、一無(wú)限長(zhǎng)載流圓柱體，通有電流I ，設(shè)電流，設(shè)電流 I 均勻分布在整個(gè)橫截面上。柱體的磁導(dǎo)率為均勻分布在整個(gè)橫截面上。柱體的磁導(dǎo)率為，柱，柱外為真空。外為真空。求：柱內(nèi)外各區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度。求：柱內(nèi)外各區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度。解：解：IR0 I rH Rr rHl dHL 2 I IRr22 22 RIrH 22 RIrB 在分界面上在分界面上H 連續(xù)連續(xù), B 不連續(xù)不連續(xù)Rr IrH 2rIH 2 rIB 20 IR0 Hr HRrRI 2OBRrRI 2ORI 20電介質(zhì)中的電介質(zhì)中的高斯定理高斯定理磁介質(zhì)中的磁介質(zhì)

15、中的安培環(huán)路定理安培環(huán)路定理 SiSqqSdE)(01 LsLLIIl dB00 l dMIl dBLLL 00 LLIl dMB)(0 MBH 0 LLIl dH SSSSdPqSdE0011 SSqSdPE)(0 PED 0 VeSdVSdD 1 1、磁化曲線磁化曲線裝置裝置：環(huán)形螺繞環(huán)：環(huán)形螺繞環(huán); ; 鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)Fe,Co,NiFe,Co,Ni及及稀釷族元素的化合物，能被強(qiáng)烈地磁化稀釷族元素的化合物，能被強(qiáng)烈地磁化2NIHR 實(shí)驗(yàn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)測(cè)量B B, ,如用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)量測(cè)量或用小線圈在縫口處測(cè)量；或用小線圈在縫口處測(cè)量；Hr roBH 由由 得出得出 曲線曲線鐵磁質(zhì)的

16、鐵磁質(zhì)的 不一定是個(gè)常數(shù)，不一定是個(gè)常數(shù)，它是它是 的函數(shù)的函數(shù)Hr 原理原理: : 勵(lì)磁電流勵(lì)磁電流 I; I; 用安培定理得用安培定理得H HRIIHr HBHr,B 鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)初始磁初始磁化曲線化曲線a. . .bcdBOH. . .SBSHe. . .rB fCHSB . .SH 矯頑力矯頑力CH 飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度磁滯回線磁滯回線剩剩 磁磁rB2、磁滯效應(yīng)磁滯效應(yīng)與磁滯回線與磁滯回線磁滯回線磁滯回線不同材料磁滯回線HBcHcH rBSBB的變化落后于的變化落后于H，從而具有剩磁，從而具有剩磁，即磁滯效應(yīng)。每個(gè)即磁滯效應(yīng)。每個(gè)H對(duì)應(yīng)不同的對(duì)應(yīng)不同的B與磁化的歷史有關(guān)。與磁化

17、的歷史有關(guān)。磁滯回線磁滯回線-不可逆過(guò)程不可逆過(guò)程在交變電流的勵(lì)磁下反復(fù)磁化使其溫度升高的在交變電流的勵(lì)磁下反復(fù)磁化使其溫度升高的磁滯損耗與磁滯回線所包圍的面積成正比。磁滯損耗與磁滯回線所包圍的面積成正比。鐵磁體于鐵電體類(lèi)似；在交變場(chǎng)的作用下，它的形狀鐵磁體于鐵電體類(lèi)似；在交變場(chǎng)的作用下，它的形狀會(huì)隨之變化，稱(chēng)為磁致伸縮（會(huì)隨之變化，稱(chēng)為磁致伸縮（10-5數(shù)量級(jí)）它可用做數(shù)量級(jí)）它可用做換能器，在超聲及檢測(cè)技術(shù)中大有作為。換能器，在超聲及檢測(cè)技術(shù)中大有作為。3 3、磁疇、磁疇 根據(jù)現(xiàn)代理論，鐵磁質(zhì)相鄰原子的電子之間存在根據(jù)現(xiàn)代理論，鐵磁質(zhì)相鄰原子的電子之間存在很強(qiáng)的很強(qiáng)的“交換耦合作用交換耦合

18、作用”，使得在無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)，使得在無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)，電子自旋磁矩能在小區(qū)域內(nèi)自發(fā)地平行排列，形，電子自旋磁矩能在小區(qū)域內(nèi)自發(fā)地平行排列，形成自發(fā)磁化達(dá)到飽和狀態(tài)的微小區(qū)域。成自發(fā)磁化達(dá)到飽和狀態(tài)的微小區(qū)域。 這些區(qū)域稱(chēng)為這些區(qū)域稱(chēng)為“磁疇磁疇”多晶磁疇結(jié)構(gòu)多晶磁疇結(jié)構(gòu) 示意圖示意圖顯示磁疇結(jié)構(gòu)的鐵粉圖形顯示磁疇結(jié)構(gòu)的鐵粉圖形純鐵純鐵硅鐵硅鐵鈷鈷三種鐵磁性物質(zhì)的磁疇三種鐵磁性物質(zhì)的磁疇Si-Fe單晶單晶( (001) )面的面的磁疇結(jié)構(gòu)磁疇結(jié)構(gòu)箭頭表示箭頭表示磁化方向磁化方向4 4、臨界溫度、臨界溫度( (鐵磁質(zhì)的居里點(diǎn)鐵磁質(zhì)的居里點(diǎn)) ) 每種磁介質(zhì)當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，由高磁每種磁介質(zhì)當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，由高磁導(dǎo)率、磁滯、磁致伸縮等一系列特殊狀態(tài)全部消失，導(dǎo)率、磁滯、磁致伸縮等一系列特殊狀態(tài)全部消失，而變?yōu)轫槾判?。而變?yōu)轫槾判?。不同鐵磁質(zhì)具有不同的轉(zhuǎn)變溫度不同鐵磁質(zhì)具有不同的轉(zhuǎn)變溫度如：鐵為如：鐵為 10401040K K，鈷為，鈷為 13901390K K， 鎳為鎳為 630630K K 用磁疇理