电磁学_电磁介质_4.5 各种磁介质-磁介质的分类

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（Fe）的球形颗粒产 生单畴的临界直径为 28nm ，钴 (Co) 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。
0与B成任何角度

当介质处于磁场中时，每个电子磁矩都受到 磁力矩的作用 M B m B0

特点
其中M的值相当大； M 与 H 不成正比关系，甚至也不是单值 关系。实验表明， M 和 H 间的函数关系 比较复杂，且与磁化的历史有关。 铁磁质的M与H、B的关系通常通过实验 测定 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 M～H、B～H之间的关 系是非线性和非单值的

影响铁磁质磁性的因素



温度对磁性有影响——居里点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—— 100nm
宏观铁磁体的尺寸减小到介观尺度
a
磁滞回线
da HdB 磁滞回线所包围的“面积”
磁滞回线
铁Fra Baidu bibliotek质 磁化机制

自发磁化区
近代科学实验证明，铁磁质的磁性主要来源于电子 自旋磁矩。在没有外磁场的条件下铁磁质中电子自 旋磁矩可以在小范围内“自发地”排列起来，形成 一个个小的“自发磁化区”——磁畴 自发磁化的原因是由于相邻原子中电子之间存在着 一种交换作用（一种量子效应），使电子的原子磁 矩平行排列起来而达到自发磁化的饱和状态 单晶和多晶磁畴结构的示意
各种磁介质 p286 4-28、37、38

磁介质分类
弱磁性：顺磁质、抗磁质 强磁性：铁磁质

抗磁质

一般有两类分子

顺磁质
无外场
有外场
分子磁矩 m分子= ml+ ms＝0 m分子=0 m分子0 分子磁矩 m分子= ml+ ms 0 m分子=0 m分子0

顺磁质的磁化

磁化过程示意
等于每个磁畴中 原有的磁化强度




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
磁 畴
a 片形畴（L=8微米）； b 蜂窝畴（L=75微米）； c 楔形畴 图 几种铁磁材料的磁畴结构，其中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

证明以有闭合铁芯的螺绕环为例

设t时刻介质处于某一磁化状态P， 此处H>0，B>0 dt内， P——P’ ，铁心中磁通改变 量为d 电源抵抗感应电动势做功 NSB
周长
d N dA I 0dt I 0 dt I 0 d H nI 0 , n l dt H dA dA I 0 d NSdB SlHdB VHdB da HdB V N l

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
分子磁矩的由来



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m分子= ml+ ms＝0 e ev e i 电子轨道磁矩 m iSn
l
T
2r
2
e 与角动量方向相反 ml LeL 2m e 电子自旋磁矩 mS S m 若所有电子的总角动量（含轨道和自旋）为零，抗磁 所有电子的总角动量（含轨道和自旋）不为零 ，顺磁

铁磁质
磁滞回线
MR：剩余磁化强度 BR: 剩余磁感应强度 HC：矫顽力。 在上述变化过程中，M和B 的变化总是落后于 H 的变 化，这一现象称为磁滞现 象;上述曲线叫磁滞回线。 P244

磁滞损耗
当铁磁质在交变磁场作用下，反复磁化是由 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 p245，算电源要抵抗感应电动势做功

分子在外磁场作用下趋向于外磁场排列 热运动与磁场作用相抵抗
抗磁质
抗磁质分子的固有磁矩m分子= ml+ ms＝0 不存在由非零的分子固有磁矩规则取向引 起的顺磁效应。磁性来源？ 抗磁质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

外磁场对电子轨道运动的影响 p240

外磁场作用在一个抗磁原子上，考虑电子的轨 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）
Ze
2 2
4 0 r
2 m 0 r
1 Ze 2 2 0 ( ) 4 0 m r3
加外磁场B0，电子受库仑力、洛伦兹力（指向中
Ze2 2 e rB e rB m 0 0 0 0 r 2m 0 r 2 4 0 r
eB 0 2m
考虑电子角速度反平行于外磁场，有同
样结论，的方向总是与外磁场B0相同
总是与外 磁场方向 相反
电子角速度改变将引起电子磁矩改变
er 2 e2r 2 m ω B0 2 4m
心），假设轨道的半径不变（相当于定态假设），设 洛伦兹力远小于库仑力 0 , 0
Ze 2 2 e rB m r 0 2 4 0 r
2 2 0 20
m0 erB0 m0 r eB0 e
2
洛伦兹力远小 于库仑力，高 阶无穷小，略