4.5 磁介质的磁化规律和机理 铁电体

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 erB0 m 2 r 2 4 0 r
2 2 0 20
5
m0 erB0 m0 r eB0 e
2
洛伦兹力远小 于库仑力，高 阶无穷小，略


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
2
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
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分子磁矩的由来
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参考书目

《纳米材料和纳米结构》 张立德 牟季美 科学出版社 《固体物理基础》阎守胜 北京大学出版社（比较深） 《当代磁学》李国栋 编著 科大出版社
动物的磁性，太阳风暴 太阳风暴2
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a
磁滞回线
da HdB 磁滞回线所包围的“面积”
磁滞回线
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铁磁质 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
电磁学电子教案
使用教材：
赵凯华、陈熙谋: 新概念物理学—电磁学
主讲：周贵德
沧州师范学院物电系
2012年2月制作
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各种磁介质 p286 4-28、37、38



磁介质分类 弱磁性：顺磁质、抗磁质 抗磁质 强磁性：铁磁质 一般有两类分子 无外场 有外场 顺磁质 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



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。 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
Ze2 2 e 0 rB0 erB0 m0 r 2m 0 r 4 0 r 2
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
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磁性材料的分类及其应用


按矫顽力大小分类 软磁材料 HC 小，磁滞回线瘦，磁滞损耗小 ； 有的BR 小，通电后立即磁化获得 强磁场，断电立即退磁，适合用 于强电 有的 起始磁导率大，适合用于弱 电 硬磁材料 BR大，HC大， HC：104～106A/m； 磁滞回线胖，磁滞损耗大； 撤外场后，仍能保持强磁性。
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
铁磁质
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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
9
磁滞损耗



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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
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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


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 电子轨道磁矩
ml iSn
e ev e i 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
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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
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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
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
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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
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磁性材料在信息技术中的应用


随着信息时代的到来，多种磁性材料在信息高新技术中获得广泛而重要 的应用 磁记录：主要有存储装臵和写入、读出设备。存储装臵是用永磁材料制 成的设备，包括磁头和磁记录介质
磁头： 写入过程中：磁头将电信号——磁场 读出过程中：将磁记录介质的磁场—
—转变为电信号 磁记录介质：内存、外存、磁盘和磁 带等

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
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Байду номын сангаас
宏观铁磁体的尺寸减小到介观尺度
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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 0 ( ) 2 4 0 m r3
加外磁场B0，电子受库仑力、洛伦兹力（指向中
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磁性功能材料


压磁材料也叫磁致伸缩材料 铁磁质磁畴中磁化方向改变会导致介质中晶格间距的改变 磁电阻材料 磁场可以使许多金属的电阻发生改变，这种现象称为磁电阻效应，相应 的材料为磁电阻材料(MR) 磁电阻材料(MR)： 巨磁电阻效应（简称GMR） R / R ~ 2% 6% 超巨磁电阻材料 R / R达到 50% 在小型化的 微型化高密度磁记录读出磁头、随机存储器和微型传感器中 获得重要应用 R / R ~ 103 ~ 106 液体磁性 既具有固体的强磁性，又具有液体的流动性