第16章 物質(zhì)的磁性-reduced

1、1第第16章章 物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性 前面兩章討論了真空中磁場(chǎng)的規(guī)律，本章我們前面兩章討論了真空中磁場(chǎng)的規(guī)律，本章我們將討論磁場(chǎng)中的物質(zhì)和磁場(chǎng)相互作用的規(guī)律。將討論磁場(chǎng)中的物質(zhì)和磁場(chǎng)相互作用的規(guī)律。2內(nèi)內(nèi) 容容16.1 磁介質(zhì)及其分類磁介質(zhì)及其分類16.2 有磁介質(zhì)時(shí)磁場(chǎng)的規(guī)律有磁介質(zhì)時(shí)磁場(chǎng)的規(guī)律16.3 鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)316.1 磁介質(zhì)及其分類磁介質(zhì)及其分類 一、磁介質(zhì)的分類一、磁介質(zhì)的分類 從電磁學(xué)角度看，原子、分子在總體上可以等從電磁學(xué)角度看，原子、分子在總體上可以等效為一微小環(huán)形電流，而環(huán)形電流的磁性質(zhì)可用磁效為一微小環(huán)形電流，而環(huán)形電流的磁性質(zhì)可用磁矩來(lái)表示，這樣，矩來(lái)表示，這樣，所有

2、由原子和分子組成的物質(zhì)都所有由原子和分子組成的物質(zhì)都具有磁性具有磁性.1、物質(zhì)磁性的概述、物質(zhì)磁性的概述構(gòu)成物質(zhì)的原子和分子中的電子有兩種運(yùn)動(dòng)：構(gòu)成物質(zhì)的原子和分子中的電子有兩種運(yùn)動(dòng)：a. 繞核的軌道運(yùn)動(dòng)繞核的軌道運(yùn)動(dòng)軌道磁矩軌道磁矩iL b. 電子的自旋電子的自旋自旋磁矩自旋磁矩iS 4 由于不同物質(zhì)的原子所包含的電子數(shù)目不同，電由于不同物質(zhì)的原子所包含的電子數(shù)目不同，電子所處的狀態(tài)不同，所以由軌道磁矩和自旋磁矩合子所處的狀態(tài)不同，所以由軌道磁矩和自旋磁矩合成的分子磁矩也不同。所以成的分子磁矩也不同。所以分子磁矩決定了物質(zhì)的分子磁矩決定了物質(zhì)的磁性磁性。 對(duì)于分子磁矩不為對(duì)于分子磁矩不為0的

3、物質(zhì)，其分子磁矩可以看成的物質(zhì)，其分子磁矩可以看成是由一個(gè)分子電流（環(huán)形電流）產(chǎn)生的。是由一個(gè)分子電流（環(huán)形電流）產(chǎn)生的。 由于磁單極不存在，所以磁偶極子是研究物質(zhì)磁由于磁單極不存在，所以磁偶極子是研究物質(zhì)磁性的基本單元，其磁矩或分子磁矩為：性的基本單元，其磁矩或分子磁矩為：0mISnIS 分子電流分子電流 磁偶極子磁偶極子5根據(jù)磁介質(zhì)的磁化機(jī)制分為根據(jù)磁介質(zhì)的磁化機(jī)制分為：順磁質(zhì)；抗磁質(zhì)；鐵：順磁質(zhì)；抗磁質(zhì)；鐵磁質(zhì)磁質(zhì)（1）順磁質(zhì)）順磁質(zhì)對(duì)于順磁質(zhì)來(lái)說(shuō)，是其對(duì)于順磁質(zhì)來(lái)說(shuō)，是其分子磁矩不為零的磁介質(zhì)分子磁矩不為零的磁介質(zhì) 即：即：0m 2、磁介質(zhì)的磁化和分類、磁介質(zhì)的磁化和分類EEEEqE0

4、0電介質(zhì)前知前知 磁介質(zhì)磁介質(zhì)是能夠?qū)Υ艌?chǎng)發(fā)生影響的物質(zhì)是能夠?qū)Υ艌?chǎng)發(fā)生影響的物質(zhì)6順磁質(zhì)磁化微觀機(jī)制7如：如： Mn，Cr，O2，Al特點(diǎn)特點(diǎn)：總磁場(chǎng)：總磁場(chǎng) 附加磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)方向相同，外磁場(chǎng)越強(qiáng)，附加磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)方向相同，外磁場(chǎng)越強(qiáng)， 附加磁場(chǎng)越強(qiáng)；附加磁場(chǎng)越強(qiáng)； 當(dāng)外磁場(chǎng)去掉時(shí)，又恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)；當(dāng)外磁場(chǎng)去掉時(shí)，又恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)； 附加磁場(chǎng)較弱。附加磁場(chǎng)較弱。BBB08 對(duì)于抗磁質(zhì)來(lái)說(shuō)，雖然對(duì)于抗磁質(zhì)來(lái)說(shuō)，雖然原來(lái)分子磁矩為零原來(lái)分子磁矩為零（m0），但在外磁場(chǎng)作用下出現(xiàn)了），但在外磁場(chǎng)作用下出現(xiàn)了附加磁矩，并總是附加磁矩，并總是沿與外磁場(chǎng)相反的方向排列起來(lái)沿與外磁場(chǎng)相反的方向排列起來(lái)，

5、因而也顯示出宏，因而也顯示出宏觀磁性，這就是抗磁質(zhì)的磁化。觀磁性，這就是抗磁質(zhì)的磁化。 (2) 抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)9抗磁質(zhì)磁化微觀機(jī)制10如：汞、銅、鉍、氫、氯、銀、鋅和鉛等如：汞、銅、鉍、氫、氯、銀、鋅和鉛等特點(diǎn)特點(diǎn)：總磁場(chǎng)：總磁場(chǎng) 附加磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)方向相反附加磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)方向相反，外磁場(chǎng)越強(qiáng)，外磁場(chǎng)越強(qiáng)， 附加磁場(chǎng)越強(qiáng)；附加磁場(chǎng)越強(qiáng)； 當(dāng)外磁場(chǎng)去掉時(shí)，又恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)；當(dāng)外磁場(chǎng)去掉時(shí)，又恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)； 附加磁場(chǎng)較弱。附加磁場(chǎng)較弱。BBB011（3）鐵磁質(zhì)）鐵磁質(zhì)如：如：鐵、鈷、鎳和它們的合金，稀土鈷合金，釹鐵、鈷、鎳和它們的合金，稀土鈷合金，釹-鐵鐵-硼以及各種鐵氧體等都屬于此類。硼以及各種鐵

6、氧體等都屬于此類。 鐵磁質(zhì)的分子磁矩不等于零。鐵磁質(zhì)的分子磁矩不等于零。就單個(gè)分子而言，就單個(gè)分子而言，與順磁質(zhì)沒有區(qū)別，但構(gòu)成晶體后，此類物質(zhì)的分與順磁質(zhì)沒有區(qū)別，但構(gòu)成晶體后，此類物質(zhì)的分子磁矩之間存在一種作用子磁矩之間存在一種作用交換作用交換作用。無(wú)外磁場(chǎng)無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)也能使分子磁矩平行排列，抵制熱運(yùn)動(dòng)的破壞，時(shí)也能使分子磁矩平行排列，抵制熱運(yùn)動(dòng)的破壞，宏觀上顯示出很強(qiáng)的磁性。宏觀上顯示出很強(qiáng)的磁性。12磁化強(qiáng)度矢量磁化強(qiáng)度矢量表征宏觀磁性表征宏觀磁性,定義定義為單位體積內(nèi)分子磁矩的矢量和為單位體積內(nèi)分子磁矩的矢量和mM 式中式中 是體積是體積 內(nèi)的分子磁矩或分子內(nèi)的分子磁矩或分子感生磁矩的

7、矢量和。感生磁矩的矢量和。 m二、磁介質(zhì)的磁化強(qiáng)度二、磁介質(zhì)的磁化強(qiáng)度 磁化強(qiáng)度矢量磁化強(qiáng)度矢量 是反映和描述磁介質(zhì)的磁化是反映和描述磁介質(zhì)的磁化狀態(tài)和磁化程度的物理量。狀態(tài)和磁化程度的物理量。 M 磁介質(zhì)在一定溫度和一定外磁場(chǎng)下，都將表現(xiàn)磁介質(zhì)在一定溫度和一定外磁場(chǎng)下，都將表現(xiàn)出一定的宏觀磁性，這就是出一定的宏觀磁性，這就是磁化磁化(magnetization) 。 13 如果磁介質(zhì)中各處的磁化強(qiáng)度的大小和方向都一如果磁介質(zhì)中各處的磁化強(qiáng)度的大小和方向都一致就稱致就稱均勻磁化均勻磁化。在國(guó)際單位制中。在國(guó)際單位制中, 磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁化磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁化強(qiáng)度的單位都是強(qiáng)度的單位都是A m-1。 順磁

8、質(zhì)：順磁質(zhì)：M的大小很小，的大小很小，方向與外場(chǎng)的方向相同；方向與外場(chǎng)的方向相同；抗磁質(zhì)：抗磁質(zhì)：M的大小很小，的大小很小，方向與外場(chǎng)的方向相反；方向與外場(chǎng)的方向相反；鐵磁質(zhì)：鐵磁質(zhì)：M的大小很大，的大小很大，方向與外場(chǎng)的方向相同。方向與外場(chǎng)的方向相同。14 在磁介質(zhì)內(nèi)任意一點(diǎn)上總有成對(duì)且方向相反的在磁介質(zhì)內(nèi)任意一點(diǎn)上總有成對(duì)且方向相反的分子電流通過(guò)，效果上互相抵消，但在磁介質(zhì)邊分子電流通過(guò)，效果上互相抵消，但在磁介質(zhì)邊緣表面形成大的環(huán)形電流，稱緣表面形成大的環(huán)形電流，稱磁化電流（束縛電磁化電流（束縛電流）流）。三、磁化的磁介質(zhì)內(nèi)的磁化電流三、磁化的磁介質(zhì)內(nèi)的磁化電流15磁化電流16 順磁質(zhì)磁

9、化電流的方向順磁質(zhì)磁化電流的方向與螺線管中的傳導(dǎo)電流的與螺線管中的傳導(dǎo)電流的方向相同，抗磁質(zhì)相反。方向相同，抗磁質(zhì)相反。 在磁化的磁介質(zhì)內(nèi)任意點(diǎn)在磁化的磁介質(zhì)內(nèi)任意點(diǎn)B=B0+B ，對(duì)于順磁，對(duì)于順磁質(zhì)質(zhì)B 與與B0方向相同，因而方向相同，因而B B0；對(duì)于抗磁質(zhì)，；對(duì)于抗磁質(zhì)，B 與與B0方向相反，因而方向相反，因而B 0 (10-5-10-4)， r1抗磁質(zhì)抗磁質(zhì) m0 （10-6-10-5），）， r 0，所以，所以B的方向與的方向與H的方向相同的方向相同 另外，另外，也可以由也可以由B0求求B。B0為螺線管內(nèi)為真空時(shí)為螺線管內(nèi)為真空時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，已有：的磁感應(yīng)強(qiáng)度，已有： 00BnI

10、 B0的方向由右手定則確定，我們已經(jīng)假設(shè)自左的方向由右手定則確定，我們已經(jīng)假設(shè)自左指向右。在滿足所要求對(duì)稱性的情況下，磁介質(zhì)指向右。在滿足所要求對(duì)稱性的情況下，磁介質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以表示為內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以表示為r00rBBnI 36(3) 根據(jù)各向同性的均勻非鐵磁介質(zhì)的性質(zhì)，根據(jù)各向同性的均勻非鐵磁介質(zhì)的性質(zhì)，M與與H成正比，故得成正比，故得mr(1)MHnI也可以根據(jù)也可以根據(jù)H的定義求的定義求M：rr0(1)BMHnInInIM的方向的方向：對(duì)于順磁質(zhì)，：對(duì)于順磁質(zhì)， m 0， r 1，所以，所以M的方向與的方向與H的方向相同，即自左向右；對(duì)于抗磁質(zhì)的方向相同，即自左向右；對(duì)于抗磁質(zhì) m 0， r 102A m-1)剩磁大，剩磁大，磁滯回線的面積大，損耗大磁滯回線的面積大，損耗大BHHc-Hc 用于磁電式電表中的永磁鐵，耳機(jī)中的永久磁用于磁電式電表中的永磁鐵，耳機(jī)中的永久磁鐵，永磁揚(yáng)聲器。鐵，永磁揚(yáng)聲器。493.作存儲(chǔ)記憶元件的矩磁材料作存儲(chǔ)記憶元件的矩磁材料: 三氧化二鐵或二三氧化二鐵或二氧化鉻粉層、鋰錳鐵氧體等。氧化鉻粉層、鋰錳鐵氧體等