1、2006.4北京大學物理學院王稼軍編各種磁介質各種磁介質n磁介質分類磁介質分類n弱磁性：順磁質、抗磁質弱磁性：順磁質、抗磁質n強磁性：鐵磁質強磁性：鐵磁質n一般有兩類分子一般有兩類分子 無外場無外場 有外場有外場 n無磁矩分子無磁矩分子 m分子分子= ml+ ms0 m分子分子=0 m分子分子 0 n有磁矩分子有磁矩分子m分子分子= ml+ ms 0 m分子分子=0 m分子分子 0n順順磁磁質質的磁化的磁化 n分子在外磁場作用下趨向于外磁場排列分子在外磁場作用下趨向于外磁場排列n熱運動與磁場作用相抵抗熱運動與磁場作用相抵抗 抗磁質抗磁質順磁質順磁質2006.4北京大學物理學院王稼軍編抗磁質抗磁

2、質 n抗磁質分子的固有磁矩抗磁質分子的固有磁矩m分子分子= ml+ ms0n不存在由非零分子固有磁矩規則取向引起不存在由非零分子固有磁矩規則取向引起的順磁效應。磁性來源？的順磁效應。磁性來源？ n抗磁質磁性抗磁質磁性起源于電子軌道運動在外磁場起源于電子軌道運動在外磁場下的變化下的變化 n電子軌道運動為什么會變化？原因：在外電子軌道運動為什么會變化？原因：在外磁場下受洛倫茲力磁場下受洛倫茲力 2006.4北京大學物理學院王稼軍編分子磁矩的由來分子磁矩的由來 n在原子或分子內，一般不止有一個電在原子或分子內，一般不止有一個電子子 n分子磁矩：所有電子的軌道磁矩和自分子磁矩：所有電子的軌道磁矩和自旋

3、磁矩的矢量和旋磁矩的矢量和 m分子分子= ml+ ms0 n電子軌道磁矩電子軌道磁矩nmiSl2eeifeT eLlmeLm2與與角動量方向相反角動量方向相反n電子自旋磁矩電子自旋磁矩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）不為零所有電子的總角動量（含軌道和自旋）不為零 ，順磁，順磁 2006.4北京大學物理學院王稼軍編外磁場對電子軌道運動的影響外磁場對電子軌道運動的影響 n外磁場作用在一個抗磁原子上，考慮電子的軌外磁場作用在一個抗磁原子上，考慮電子的軌道運動道運動( (設電子角速度平行于外磁場

4、設電子角速度平行于外磁場) )n求無外磁場時的角速度求無外磁場時的角速度 0(電子只受庫侖力）電子只受庫侖力）n加外磁場加外磁場B0，電子受庫侖力、洛倫茲力（指向中，電子受庫侖力、洛倫茲力（指向中心），假設軌道的半徑不變（相當于定態假設），設心），假設軌道的半徑不變（相當于定態假設），設洛倫茲力遠小于庫侖力洛倫茲力遠小于庫侖力rmrZe202024213020)4(mrZermrBerZe20202400,020222006.4北京大學物理學院王稼軍編emeBrmrBe00200rmrmrBerBerZe02000020224洛倫茲力遠小洛倫茲力遠小于庫侖力，高于庫侖力，高階無窮小，略階無窮小

5、，略meB20n考慮電子角速度反平行于外磁場，有同考慮電子角速度反平行于外磁場，有同樣結論，樣結論，的方向總是與外磁場的方向總是與外磁場B0相同相同 n電子角速度改變將引起電子磁矩改變電子角速度改變將引起電子磁矩改變 022242Bmmreer總是與外總是與外磁場方向磁場方向相反相反2006.4北京大學物理學院王稼軍編n當介質處于磁場中時，每個電子磁矩都受到當介質處于磁場中時，每個電子磁矩都受到磁力矩的作用磁力矩的作用 成任何角度成任何角度B與00BmMB5.3 5.3 鐵磁質鐵磁質 n起始磁化曲線起始磁化曲線：Ms、Bs分別為分別為飽和磁化強度飽和磁化強度和和飽和磁感應強度飽和磁感應強度 n

6、MH、BH之間的關之間的關系是非線性和非單值的系是非線性和非單值的 n特點特點 n其中其中M的值相當大；的值相當大； nM與與H不成正比關系，甚至也不是不成正比關系，甚至也不是單值關系。實驗表明，單值關系。實驗表明，M和和H間的間的函數關系比較復雜，且與磁化的歷函數關系比較復雜，且與磁化的歷史有關史有關。n鐵磁質的鐵磁質的M與與H、B的關系通常通過的關系通常通過實驗測定實驗測定 2006.4北京大學物理學院王稼軍編磁滯回線磁滯回線 nMR：剩余磁化強度：剩余磁化強度nBR: 剩余磁感應強度剩余磁感應強度nHC：矯頑力。：矯頑力。n在上述變化過程中，在上述變化過程中，M和和B的變化總是落后于的變

7、化總是落后于H的變的變化，這一現象稱為磁滯現化，這一現象稱為磁滯現象象;上述曲線叫磁滯回線。上述曲線叫磁滯回線。（a a）硬磁材料）硬磁材料( (用于耳機、揚聲用于耳機、揚聲器、錄音機中的永器、錄音機中的永磁體磁體) )（b b）軟磁材料）軟磁材料（常用于交流線（常用于交流線圈中的鐵芯）圈中的鐵芯）鐵磁質的分類：鐵磁質的分類：2006.4北京大學物理學院王稼軍編磁滯損耗磁滯損耗 n當鐵磁質在交變磁場作用下，反復磁化是由當鐵磁質在交變磁場作用下，反復磁化是由于磁滯效應，磁體要發熱而散失熱量，這種于磁滯效應，磁體要發熱而散失熱量，這種能量損失稱為磁滯損耗。能量損失稱為磁滯損耗。 n可以證明：可以證

8、明：BH圖中磁滯回線所包圍的圖中磁滯回線所包圍的“面面積積”代表在一個反復磁化的循環過程中單位代表在一個反復磁化的循環過程中單位體積的鐵芯內損耗的能量體積的鐵芯內損耗的能量 n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；n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 2006.4北京大學物理學院王稼軍編鐵磁質鐵磁質磁化機制磁化機制 n自發磁化區自發磁化區 n近代科學實驗證明，鐵磁質的磁性主要來源于電子近代科學實驗證明，鐵磁質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中電子自自旋磁矩。在沒有外磁場的條件下鐵磁質中電

9、子自旋磁矩可以在小范圍內旋磁矩可以在小范圍內“自發地自發地”排列起來，形成排列起來，形成一個個小的一個個小的“自發磁化區自發磁化區”磁疇磁疇 n自發磁化的原因是由于自發磁化的原因是由于相鄰原子中電子之間存在著相鄰原子中電子之間存在著一種交換作用一種交換作用（一種量子效應），使電子的（一種量子效應），使電子的原子磁原子磁矩平行排列起來矩平行排列起來而達到自發磁化的飽和狀態而達到自發磁化的飽和狀態 n單晶和多晶磁疇結構的示意單晶和多晶磁疇結構的示意 2006.4北京大學物理學院王稼軍編磁化過程示意磁化過程示意 na：未磁化時狀態未磁化時狀態nb：疇壁的可逆位移階段：疇壁的可逆位移階段OA段段nc：

10、不可逆的磁化：不可逆的磁化AB段段nd：磁疇磁矩的轉動：磁疇磁矩的轉動BC段段ne：趨于飽和的階段：趨于飽和的階段CS段段等于每個磁疇中等于每個磁疇中原有的磁化強度原有的磁化強度 n在外磁場撤消后，鐵磁質內在外磁場撤消后，鐵磁質內摻雜摻雜和和內應力內應力或因為或因為介質存在缺陷介質存在缺陷阻礙磁疇恢復阻礙磁疇恢復到原來的狀態到原來的狀態 磁磁疇疇 a a 片形疇（片形疇（L=8L=8微米）；微米）；b b 蜂窩疇（蜂窩疇（L=75L=75微米）；微米）； c c 楔形疇楔形疇其中其中a a、b b為為BaBa鐵氧體單晶基面上的磁疇結構，鐵氧體單晶基面上的磁疇結構，L L為為晶體厚度；晶體厚度；

11、c c 為鈷的兩個晶粒上的磁疇結構為鈷的兩個晶粒上的磁疇結構幾種鐵磁材料的磁疇結構，幾種鐵磁材料的磁疇結構，n影響鐵磁質磁性的因素影響鐵磁質磁性的因素 n 溫度對磁性有影響溫度對磁性有影響溫度高過居溫度高過居里點鐵磁性就消失，變為順磁質。里點鐵磁性就消失，變為順磁質。如純鐵的居里點為如純鐵的居里點為1043K1043K。（。（當溫度當溫度升高時，微觀粒子的運動加劇，當升高時，微觀粒子的運動加劇，當溫度升高到某一臨界值后，熱運動溫度升高到某一臨界值后，熱運動的劇烈程度大到足以使磁疇瓦解，的劇烈程度大到足以使磁疇瓦解，使鐵磁性消失，該臨界溫度稱為鐵使鐵磁性消失，該臨界溫度稱為鐵磁質的居里點磁質的居

12、里點）n強烈震動會瓦解磁疇強烈震動會瓦解磁疇 2006.4北京大學物理學院王稼軍編磁性材料在信息技術中的應用磁性材料在信息技術中的應用n隨著信息時代的到來，多種磁性材料在信息高新技隨著信息時代的到來，多種磁性材料在信息高新技術中獲得廣泛而重要的應用術中獲得廣泛而重要的應用 n磁記錄：主要有存儲裝置和寫入、讀出設備。存儲磁記錄：主要有存儲裝置和寫入、讀出設備。存儲裝置是用永磁材料制成的設備，包括磁頭和磁記錄裝置是用永磁材料制成的設備，包括磁頭和磁記錄介質介質 n磁頭磁頭：n寫入過程中：磁頭將電信號寫入過程中：磁頭將電信號磁場磁場n讀出過程中：將磁記錄介質的磁場讀出過程中：將磁記錄介質的磁場轉變為

13、電信號轉變為電信號n磁記錄介質磁記錄介質：內存、外存、磁盤和磁：內存、外存、磁盤和磁帶等帶等2006.4北京大學物理學院王稼軍編磁性功能材料磁性功能材料n壓磁材料也叫磁致伸縮材料（檢測微小機械振動）壓磁材料也叫磁致伸縮材料（檢測微小機械振動） n鐵磁質磁疇中磁化方向改變會導致介質中晶格間距的改變鐵磁質磁疇中磁化方向改變會導致介質中晶格間距的改變 n 磁電阻材料磁電阻材料n磁場可以使許多金屬的電阻發生改變，這種現象稱為磁電磁場可以使許多金屬的電阻發生改變，這種現象稱為磁電阻效應，相應的材料為磁電阻材料阻效應，相應的材料為磁電阻材料(MR) n磁電阻材料磁電阻材料(MR)： n巨磁電阻效應（簡稱巨

14、磁電阻效應（簡稱GMR） n超巨磁電阻材料超巨磁電阻材料 n在小型化的在小型化的 微型化高密度磁記錄讀出磁頭、隨機存儲器和微型化高密度磁記錄讀出磁頭、隨機存儲器和微型傳感器中獲得重要應用微型傳感器中獲得重要應用 %6%2/RR%50/達到RR631010/ RR2006.5北京大學物理學院王稼軍編磁路磁路一、鐵磁質與非鐵磁一、鐵磁質與非鐵磁質界面處磁場分布質界面處磁場分布對于軟磁材料，由于磁滯回線很窄，一般可當初線性材料，即滿足B=H，可視為常量。1122tantanrr在非鐵磁質中，在非鐵磁質中，B和和H近似垂直于它與鐵磁質的界面近似垂直于它與鐵磁質的界面根據：和B在界面法線的連續n鐵芯的磁

15、導率很大鐵芯的磁導率很大,有使磁感應通量集中到有使磁感應通量集中到內部的作用內部的作用.n鐵芯邊界構成磁感應管形成磁路鐵芯邊界構成磁感應管形成磁路.2006.5北京大學物理學院王稼軍編0mLH dlNI000i iii iBi iimiiiririiiH lBlllSS 磁動勢磁動勢各段磁路的通各段磁路的通量一樣量一樣磁阻磁阻Rmn由于有鐵磁質時磁感應強度由于有鐵磁質時磁感應強度B線的分布于線的分布于導體中電流密度導體中電流密度j線的分布相似，提供了線的分布相似，提供了一種分析計算磁場分布的簡單方法一種分析計算磁場分布的簡單方法-磁磁路定律：路定律：磁勢降磁勢降2006.5北京大學物理學院王稼軍編歐姆定律歐姆定律 磁路定理磁路定理 n空氣中，磁阻大，通量小空氣中，磁阻大，通量小 n鐵磁介質中，磁阻小，通量大，磁通量較鐵磁介質中，磁阻小，通量大，磁通量較多通過鐵磁介質，磁力線集中在鐵芯內。多通過鐵磁介質，磁力線集中在鐵芯內。iiiiiiIRIRlIS0mmmimmiiimiiiRRlS 2006.5北京大學物理學院王稼軍編串聯磁路：無分支磁路串聯磁路：無分支磁路 n高磁阻空氣隙在整個磁路中起主要作用高磁阻空氣隙在整個磁路中起主要作用 并聯磁路：有分支磁路（書并聯磁路：有分支磁路（書233233頁）頁） n對于分支節點，忽略漏磁，滿足對于分支節點，忽略漏磁，滿足1