4.5 各种磁介质-磁介质的分类
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磁介质及其分类
4
第15章 物质的磁性
3) 原子核的磁矩
整个原子核的自旋磁矩
r Pg
e
r I
2mp
r I
为核的自旋角动量， 因子g由原子核决定。
由上可知，核磁矩远小于电子磁矩。
4) 分子磁矩和分子电流
I分
电子轨道磁矩
电子自旋磁矩
分子磁矩
r P分
等效
S分 r P分
分子电流I分
原子核的磁矩
5
第15章 物质的磁性
2. 磁介质的磁化
rr
B r B0
μr ─相对磁导率
rr r B B0 B
B0 B
I0
长直密绕螺线管
▲ 弱磁质， r 1
•顺磁质
r 1
如：Mn ，Al，O2，N2 ，…
g，Cl2，H2， …
▲ 铁磁质 r 1 如：Fe，Co，Ni， …
2
第15章 物质的磁性
二、 磁介质的磁化
第 i 个电子受的磁力矩 rr r Mi Pm,i B0
电子轨道磁矩受磁力矩方向垂直纸面向内
r
Mi
r
电子轨道角动量增量
rr
r
Li
d Li Mi dt Li
轨道角动量绕磁场旋进
∴ 电子旋进，它引起的感应
r
r
r
磁矩 Δ Pm,i 反平行于 B0
Pm,i
这种效应在顺磁质中也有，不过与分
子固有磁矩的转向效应相比弱得多。
电子轨道半径不变
当外场方向与原子磁矩反方向时
f Pm (Pm )
7
第15章 物质的磁性
B0
Pm
o
r
e
f
Pm
v
磁介质_1
磁 质
说明
v 与磁介质相互作用， 外磁场 B 与磁介质相互作用，使 0 其产生新的磁矩， 其产生新的磁矩，或者说附加的磁 v 这过程为磁化。 场 B' ,这过程为磁化。 这过程为磁化
* 磁化强度 磁化强度:
符号
v M = lim
∆V →0
v ∑pmi
i
表征物质的宏观磁性或介质的磁化程度， 表征物质的宏观磁性或介质的磁化程度， 定义磁化强度矢量： 定义磁化强度矢量： 单位体积内分子磁矩的矢量和
v B
I0
I0
∴lH = nlI 0
v B
L
a
d
∴H = nI0 ∴B = µ0µr H = µ0µr nI0µ0Leabharlann v −MLb
c
v QH =
∴M = (µr −1)nI0
顺磁质 µr >1, iS > 0
∴iS = (µr −1)nI0 抗磁质 µr <1, iS < 0
束缚电流与传导电流反向
• 磁化曲线
在外磁场较弱时， 在外磁场较弱时，自发磁化方向与外磁场方向相同 或相近的那些磁畴逐渐增大（畴壁位移） 或相近的那些磁畴逐渐增大（畴壁位移）；在外磁 场较强时，磁畴自发磁化方向作为一个整体，不同 场较强时，磁畴自发磁化方向作为一个整体， 磁畴方向的转动） 程度地转向外磁场方向 （磁畴方向的转动）。
当全部磁畴都沿外磁场方向时， 当全部磁畴都沿外磁场方向时，铁磁质的磁化就达到 饱和状态。饱和磁化强度M 饱和状态。饱和磁化强度 S等于每个磁畴中原来的磁 化强度，该值很大，这就是铁磁质磁性µr大的原因。 化强度，该值很大， 大的原因。 现象是由于掺杂和内应力等的作用， 磁滞 (hysteresis) 现象是由于掺杂和内应力等的作用， 当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状， 当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状， 而表现出来。 而表现出来。 磁滞伸缩 (magnetostriction) 是因磁畴在 外磁场中的取向， 外磁场中的取向，改变了晶格间距而引 起的。 起的。 当温度升高时，热运动会瓦解磁畴内磁矩的规则排列； 当温度升高时，热运动会瓦解磁畴内磁矩的规则排列； 在临界温度（相变温度Tc ）时，铁磁质完全变成了顺 在临界温度（相变温度 磁质。 磁质。居里点 Tc (Curie Point)
§4-5 磁介质的磁化规律和机理 铁电体
若分子中所有电子磁矩（分子固有磁矩）不为零，顺磁质
若分子中所有电子磁矩（分子固有磁矩）为零，抗磁质
顺磁质的磁化规律
顺磁效应：顺磁物质中，分子具有固有磁矩，在外 磁场作用下，分子磁矩在一定程度上沿外场排列起 来。温度越高，顺磁效应越弱。
抗磁质的磁化规律
外磁场对电子轨道运动的影响
外磁场作用在一个抗磁原子上，考虑电子的轨 道运动(先假设电子角速度平行于外磁场)
M-H曲线上任何一点联到原点O的直线的斜率
代表该磁化状态下的磁化率
m
M H
B-H曲线
在铁磁质中，M的数值比
H大得多 （102-106）倍
B
0
(H
M
)
0
M
B-H曲线的外貌与M-H曲线差不多
B-H曲线上任何一点联到原点O的直线的斜率代
表该磁化状态下的磁导率
0
B H
求无外磁场时的角速度ω0(电子只受库仑力）
Ze 2
4 r 2
m
2 0
r
0
0
Ze 2 (
4 mr 3
)1/ 2
0
加不太大的外磁场B<< m0 ，电子受库仑力、
e
洛伦兹力（指向中心），假设轨道的半径不变
（相当于定态假设），且此时洛伦兹力远小于
库仑力（见P257解释）
0 0
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
铁磁质的磁化
磁畴
影响铁磁质磁性的因素
温度对磁性有影响——温度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 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
磁介质
µ = µ0 µr叫磁介质的磁导率。 H 叫磁场强度。 叫磁介质的磁导率。 叫磁场强度。
的环路积分: 考虑 H 的环路积分
H ⋅ dl = ∫ ∫
L
B
µ0 µ r L
⋅ dl =
1
µ0
∫µ
L
B
r
⋅ dl
=
1
µ0
∫B
L
0
⋅ dl = I 0,int
∫ H ⋅ dl = I
L
0 ,int
H 的环路定理
B = B0 + B′ > B0
µr > 1
磁化电流 Is 可产生附加磁场，但无热效应，因为 可产生附加磁场，但无热效应， 无宏观电荷的移动，磁化电流束缚在介质表面上， 无宏观电荷的移动，磁化电流束缚在介质表面上，不 可引出，因此，磁化电流也称为束缚电流 束缚电流。 可引出，因此，磁化电流也称为束缚电流。
µ 当磁介质为铁磁质时， 当磁介质为铁磁质时， r
j' = (µr −1)nI
管内磁场基本上由束缚电流产生， 管内磁场基本上由束缚电流产生，这时的自由电流 往往被叫做励磁电流 励磁电流。 往往被叫做励磁电流。
3.磁场强度矢量及其环路定理。 3.磁场强度矢量及其环路定理。 磁场强度矢量及其环路定理 在真空中的安培环路定理中： 在真空中的安培环路定理中：
2）抗磁质的磁化机制 对抗磁介质来说，无外磁场时， 对抗磁介质来说，无外磁场时， 各电子的磁矩矢量和为 0，分子磁 分子不显磁性。 矩 分子不显磁性。 ∑ m,= 0
B0
ω
v
f核
fL
i
加外磁场后，电子受的向心力 加外磁场后， 为核力和洛仑兹力的叠加， 为核力和洛仑兹力的叠加，
9-磁介质 大学物理
当线圈中通入电流后，在磁化场的力矩作用下， 当线圈中通入电流后，在磁化场的力矩作用下，各分子环 流的磁矩在一定程度上沿着场的方向排列起来，此时， 流的磁矩在一定程度上沿着场的方向排列起来，此时，软 铁棒被磁化了。 铁棒被磁化了。
对于各向同性的均匀介质，介质内部各分子电流相互抵消， 对于各向同性的均匀介质，介质内部各分子电流相互抵消， 而在介质表面，各分子电流相互叠加， 而在介质表面，各分子电流相互叠加，在磁化圆柱的表面出 磁化面电流（ 现一层电流，好象一个载流螺线管，称为磁化面电流 现一层电流，好象一个载流螺线管，称为磁化面电流（或安 培表面电流） 培表面电流）。
(2)电子自旋磁矩 (2)电子自旋磁矩 实验证明： 实验证明：电子有自旋磁矩
ps = 0.927×10-23 A⋅m2 0.927×
(3)分子磁矩 (3)分子磁矩 分子磁矩是分子中所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩 与所有核磁矩的矢量和。 与所有核磁矩的矢量和。 三.顺磁质与抗磁质的磁化 顺磁质与抗磁质的磁化 1、顺磁质及其磁化（如铝、 1、顺磁质及其磁化（如铝、铂、氧) 分 子 磁 矩 分子的固有磁矩不为零 pm ≠ 0 无外磁场作用时， 无外磁场作用时，由 于分子的热运动， 于分子的热运动，分 子磁矩取向各不相同, 子磁矩取向各不相同 整个介质不显磁性。 整个介质不显磁性。
B0
I0 Is
Is——磁化电流 磁化电流 js——沿轴线单位长度上的磁 沿轴线单位长度上的磁 化电流（磁化面电流密度） 化电流（磁化面电流密度）
3、磁化强度和磁化电流密度之间的关系： 磁化强度和磁化电流密度之间的关系：
以长直螺线管中的圆柱形磁介质来说明它们的关系。 以长直螺线管中的圆柱形磁介质来说明它们的关系。
磁场中的磁介质
磁场中磁介质
磁介质的分类
顺磁性介质
抗磁性介质
铁磁性介质
反铁磁性介质
在磁场中容易被磁化的 物质，如铝、铂等。
在磁场中不容易被磁化 的物质，如铜、金等。
在磁场中极易被磁化的 物质，如铁、钴、镍等。
在磁场中具有反铁磁性 的物质，如锰、铬等。
02
磁场对磁介质的影响
磁场对磁介质的作用
磁化现象
磁场对磁介质产生作用，使其内 部磁矩定向排列，形成磁化现象。
剩余磁化强度
当磁场去除后，磁介质仍会保留一部分磁化强度， 称为剩余磁化强度。
磁介质的磁导率
相对磁导率
描述磁介质在磁场中的导磁能力与真空导磁能 力的比值。
最大磁导率
在一定磁场强度下，磁介质的磁导率达到最大 值。
温度系数
表示磁导率随温度变化的系数，某些材料的温度系数较大，对温度变化较为敏 感。
03
磁介质的性质与特点
磁滞现象
磁介质在磁化过程中会出现滞后现 象，即当磁场反向时，磁介质的磁 化强度不会立即消失，而是逐渐减 小。
磁损耗
在交变磁场中，磁介质会因为磁滞 现象和涡流效应产生能量损耗。
磁介质的磁化过程
起始磁化
磁介质在磁场中开始被磁化的过程，起始磁化曲 线通常是非线性的。
磁饱和
随着磁场强度的增加，磁介质的磁化强度逐渐达 到饱和状态，此时磁导率不再变化。
3
磁滞损耗
由于磁滞现象产生的能量损耗，通常表现为热量。
磁介质的损耗特性
介电损耗
01
由于电场作用在磁介质上产生的能量损耗，通常表现为热量。
涡流损耗
02
由于磁场变化产生的涡旋电流在磁介质中产生的能量损耗，通
常表现为热量。
磁介质 (2)
来，由分子电流形成的分子磁矩趋向外场排列，这就是顺磁效应的 来源。由分子电流等效的表面束缚电流 i形成附加磁场 B。热运
动是对磁矩的排列起干扰作用的，所以温度越高，顺磁效应越弱。
2 抗磁质磁化机理 在抗磁性物质中，每个分子在整体上无固有磁矩，这是因为其
中各个电子原有的磁矩方向不同，相互抵消了。在加入了外场后， 每个电子的感生磁矩却都与外场的方向相反，整个分子内将产生与 外磁场相反的感生磁矩。这便是抗磁效应的起源。
M
解 H nI N I
2r
或先求 B0 ，再求 H , B
B
r
SB
0 H
m r 1
r
o
II
M
m
H
磁介质
s
第三节
一 磁化曲线 实验证明，
B
磁饱和
Bs
铁磁质
r
max
O
H
i
o
H
I
起始磁化曲线
H 曲线
解释：
M
M sat
B
H
0r
二 磁滞回线
不在是线性关系
H
演示
磁滞回线 B
剩磁
Br
HC o
比较
电介质
n
p
p i i 1
lim V V 0
Pi 为体元内一分子电矩。
磁介质
mi
M
lim
V 0
V
mi 为体元内的一分子磁矩。
四 磁化强度矢量与磁化面电流
磁介质
设介质均匀磁化。
i 单位长度内的磁化电流
磁矩为
i M
s
ils Mlsi M
l
第二节 磁介质中的安培环路定理 磁场强度
动是对磁矩的排列起干扰作用的，所以温度越高，顺磁效应越弱。
2 抗磁质磁化机理 在抗磁性物质中，每个分子在整体上无固有磁矩，这是因为其
中各个电子原有的磁矩方向不同，相互抵消了。在加入了外场后， 每个电子的感生磁矩却都与外场的方向相反，整个分子内将产生与 外磁场相反的感生磁矩。这便是抗磁效应的起源。
M
解 H nI N I
2r
或先求 B0 ，再求 H , B
B
r
SB
0 H
m r 1
r
o
II
M
m
H
磁介质
s
第三节
一 磁化曲线 实验证明，
B
磁饱和
Bs
铁磁质
r
max
O
H
i
o
H
I
起始磁化曲线
H 曲线
解释：
M
M sat
B
H
0r
二 磁滞回线
不在是线性关系
H
演示
磁滞回线 B
剩磁
Br
HC o
比较
电介质
n
p
p i i 1
lim V V 0
Pi 为体元内一分子电矩。
磁介质
mi
M
lim
V 0
V
mi 为体元内的一分子磁矩。
四 磁化强度矢量与磁化面电流
磁介质
设介质均匀磁化。
i 单位长度内的磁化电流
磁矩为
i M
s
ils Mlsi M
l
第二节 磁介质中的安培环路定理 磁场强度
磁介质
- --
++ + +
V
定义：介质中某一点的磁化强度矢量等于这 一点处单位体积的分子磁矩的矢量和。
回顾电极化强度
极化前 , p
i
任何电介质中，任一体积元内
分
0
极化后, p
i
分
0
1、定义
P
Pe V
库仑 单位： 2 米
Pe -
一般情况: P P( x, y, z)
磁介质的磁化的宏观效果
磁介质在外磁场的作用下,产生磁化现象, 出现磁化电流 i '
' 产生附加磁场 B 影响原磁场 B 0
磁介质
B0
有磁介质存在时的磁场: B B0 B
B ' 的方向，随磁介质的不同而不同。
有电介质存在时的静电场
导体在外电场的作用下,产生极化
现象, 出现极化电荷 q
电流集中分布在无厚度的面上
l
定义面电流密度
方向:与电流流动方向一致 面电流 与 大小: 垂直的单位长度上的电流
I l
2、磁化强度与磁感应强度的关系
当磁介质置于外磁场 B0中,产生磁化
1).引入
现象,显然外磁场越强,磁化程度越高 磁化由外磁场引起,但磁化强度并不 仅由外电场 B 决定 ? 当磁介质置于 外磁场 B 中
如何研究电介质的极化？ 思 路：
对电介质的电结构作出 简化假设，建立模型 提出极化现象的 微观机制
电偶极子
确立描绘极化 的相关物理量
寻找极化相关规律
二、磁介质磁化的微观机制
1、分子电流和分子磁矩 分子电流--每个分子中电子运动 所产生的磁效应 的等效电流。 分子磁矩--分子电流所产生的磁矩， 又称为固有磁矩 pm 根据物质结构理论,分子中的电子绕核运动, 同时又自旋。这两种运动都产生磁效应。 把分子看作一个整体，分子中各个电子对 外产生的磁效应的总和可用一个圆电流来 等效。这个等效的圆电流称为分子电流,相 应的磁矩pm称为分子的固有磁矩。
磁介质
介质中用环路定理求解的一般步骤：
H
B M
js
14.5 铁磁质
铁磁质的磁化机制 1.磁畴: 铁磁质内部存在着分区自发磁化的小区域.
2.磁化机制:无外场时,各磁畴排列无序,对外不显磁性 有外场时,各磁畴的磁矩趋于沿外磁场排列—磁化. 铁磁质的一般特性. 1.在外磁场的作用下产生的附加磁场B>>B0. 2.磁导率不是恒量,一般有 = (H) 3.外场撤除后,仍有剩磁存在. 4.居里温度:当温度超过某温度时,铁磁质变为顺磁质.
磁化曲线 对铁磁质， 随外磁场H变化而变化. 即对B = H 关系 不是常量. 因此B与H的关系非线性.
B Bm
铁磁质
•N •
M
P
•
顺磁质 抗磁质
max
i
O H
O
H
从图可见: H, B到M点; H, B到N点; 最后到饱和P点.
磁滞回线 当外场H由0增加时，磁介 质内B非线性增加到P 当H变小时,B并不原路返回 Br － H 而是沿PQP 变化. m 当H= 0时,B =Br 叫剩磁 当H反向=Hc时, B =0
R1 R2
0 r R1
Io
r
LH dl 2 rH
Ir H 2 2 R1
o Ir B o H 2 2R1
I 2 r 2 R1
R1 r R2
H dl H 2 r I
L
R2 r
o r I B o r H 2 r o I B o H 2 r
pm 0
顺磁性介质 抗磁性介质
1.顺磁质
特点：存在分子固有磁矩。
Pm
分子圆电流和磁矩
磁介质
H d l Ic
L
Ic——穿过回路L的传导电流 (自由电流)的代数和
—— H的环路定理
§15.4 铁磁质(ferromagnetic substance) 一、铁磁质的特性 1、具有很大的μr (μr>>1)， 可达102～105. μr μr是变量，它随H而变。 μ m i ─ 起始磁导率； m ─ 最大磁导率。 μi 2、有磁化饱和及剩磁现象。 H 0 B BS H增至一定值，B=BS，不再 增加——达到饱和状态。
起始磁化曲线
0
H
BS ─ 饱和磁感应强度
达到饱和状态后，使H ，
0
当H=0时，B=Br≠0——剩 余磁感应强度（简称“剩 磁”） 3、有磁滞现象 B落后于H的变化，称 为磁滞现象。
4、都有一个临界温度——居里点 当温度高于居里点时，铁磁质→普通的顺磁质。
二、磁滞回线(B-H回线) 1、矫顽力(coercive force) 欲去掉剩磁(使B →0)，须加 反向磁化场，其场强的量值 Hc——矫顽力。 不同铁磁质磁滞回线的主要 区别就在于Hc的大小。 2、磁滞损耗(hysteresis loss) : 铁磁质反复磁化时发热而耗散的能量。 （变化的磁场产生涡电流，涡电流有热效应。） 可以证明：磁滞损耗与B-H回线包围的面积成 正比。
B0
Ic
Ic
B
μr ——相对磁导率 (relative permeability)
二、磁介质的分类 1、顺磁质： B与B0同向，因而 B B0 . r （但 1 r 1） . 如O2、N2、Al、Na等。 2、抗磁质： B与B0反向，因而 B B0 . r （但 1 r 1） . 如H2、Au、Ag、Cu等。 以上两类磁介质统称为弱磁质。 对真空， µ r= 1；对空气， µ r ≈ 1. 3、铁磁质： µ r>> 1且为变量的特殊顺磁质。 B与B0同向， B B0 . 是一种强磁质。 如Fe、Co、Ni及其合金、氧化物等。
磁介质的分类,铁磁质及其应用
软磁材料
H小C；小，磁滞回线瘦，磁滞损耗 有得的强B磁R场小，，断通电电立后即立退即磁磁，化适获
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。
2013/4/22
磁性材料在信息技术中的应用
超巨磁电阻材料
R / R ~ 103 ~ 106
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
液体磁性
既具有固体的强磁性，又具有液体的流动性
2013/4/22
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）
铁磁质
2013/4/22
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
2013/4/22
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。
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
Ze2
4 0r 2
e0rB0
erB0
m02r
2m0r
H小C；小，磁滞回线瘦，磁滞损耗 有得的强B磁R场小，，断通电电立后即立退即磁磁，化适获
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。
2013/4/22
磁性材料在信息技术中的应用
超巨磁电阻材料
R / R ~ 103 ~ 106
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
液体磁性
既具有固体的强磁性，又具有液体的流动性
2013/4/22
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）
铁磁质
2013/4/22
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
2013/4/22
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。
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
Ze2
4 0r 2
e0rB0
erB0
m02r
2m0r
磁介质
B0 = 0
每个分子磁矩
P ≠0 m
但由于分子的热运动，
ΔV内 Pm = 0 ∑
B0 ≠ 0时，Pm 受力矩作用 (M = Pm × B0 ), 使Pm转向B0方向
——
产生与B0同方向的 ′ B
B0
——
B > B0
pm
B0
B’
B
M
3.抗磁质的磁化
每个电子磁矩
P ≠0 电子
分子磁矩
∑P
电子
= Pm = 0
二.磁介质的磁化的微观机制
1.分子磁矩与分子电流 自旋运动————自旋磁矩 电子
等效圆形电流
轨道运动————轨道磁矩 分子:
P 电子
pm
I
∑P
电子
= Pm ——分子磁矩
分子电流
电介质分子: 有固有电矩——有极分子 无固有电矩——无极分子
磁介质分子: 有固有磁矩——顺磁质 无固有磁矩——抗磁质
2.顺磁质的磁化
分析： ⋅ dl = μ 0 ∑ ( I + I s ) ∫B
L
∫ H ⋅dl = ∑ I ⇒ H
L
L
I
B
B = μH
L
R
解： r < R
μ μ
0
I 2 ′= ∫L H1 ⋅ d l = H1 2πr = I πR 2 πr
H
I´ r
Ir 得： H 1 = 2 πR
2
μ Ir B1 = μ H 1 = 2 πR 2
方向相同 B ′方向与 B 0 方向相反 B ′方向与 B 0
三、磁化强度 磁化电流
1、磁化强度矢量 M =
∑
pm
ΔV 2、磁化面电流 Is——在均匀外磁场中，各向同性均匀的磁 介质被磁化，沿着柱面流动未被抵消的分子电流。
每个分子磁矩
P ≠0 m
但由于分子的热运动，
ΔV内 Pm = 0 ∑
B0 ≠ 0时，Pm 受力矩作用 (M = Pm × B0 ), 使Pm转向B0方向
——
产生与B0同方向的 ′ B
B0
——
B > B0
pm
B0
B’
B
M
3.抗磁质的磁化
每个电子磁矩
P ≠0 电子
分子磁矩
∑P
电子
= Pm = 0
二.磁介质的磁化的微观机制
1.分子磁矩与分子电流 自旋运动————自旋磁矩 电子
等效圆形电流
轨道运动————轨道磁矩 分子:
P 电子
pm
I
∑P
电子
= Pm ——分子磁矩
分子电流
电介质分子: 有固有电矩——有极分子 无固有电矩——无极分子
磁介质分子: 有固有磁矩——顺磁质 无固有磁矩——抗磁质
2.顺磁质的磁化
分析： ⋅ dl = μ 0 ∑ ( I + I s ) ∫B
L
∫ H ⋅dl = ∑ I ⇒ H
L
L
I
B
B = μH
L
R
解： r < R
μ μ
0
I 2 ′= ∫L H1 ⋅ d l = H1 2πr = I πR 2 πr
H
I´ r
Ir 得： H 1 = 2 πR
2
μ Ir B1 = μ H 1 = 2 πR 2
方向相同 B ′方向与 B 0 方向相反 B ′方向与 B 0
三、磁化强度 磁化电流
1、磁化强度矢量 M =
∑
pm
ΔV 2、磁化面电流 Is——在均匀外磁场中，各向同性均匀的磁 介质被磁化，沿着柱面流动未被抵消的分子电流。
磁介质概述
附加磁矩ΔPm。
5
P
m ,e
v
P
m ,e
dP e
T
(1)轨道磁矩为 P 的电子的进动：
P
m ,e
设电子轨道运动的磁矩为 P ，因为电 m ,e
e
子 量
带Pe负与电磁、矩所P以m,e电反子方向运（动如的图轨）道。角
动
B 0
电子的进动
在外磁场作用 下、电子受磁力矩 T P B
m,e
0
根据角动量定理，此力矩等于电子轨道角动量
3
二、弱磁物质的磁化机制
1 、 分子磁矩：
pm
i S
各个电子绕核转动的轨道圆电流－－轨道磁矩 电子绕自转轴转动的自旋圆电流－－自旋磁矩 矢量和
若把分子看成一个整体，这种分子电流具有的磁矩，称为分 子固有磁矩或称分子磁矩，用Pm表示。
顺磁物质：轨道磁矩与自旋磁矩相互加强形成分子磁矩P
抗
磁
物
质：轨道磁
ＩＳ
s
is
l
2、磁化电流与磁化强度的关系
利用充满顺磁质的长直载流螺线管可以证明，其顺磁质表
面单位长度圆形磁化电流（即磁化电流密度）Js=M、M为顺磁
质内磁化强度大小。
证明如下： 设磁介质横截面积s、长度l，介质表面单位长度
圆形磁化电流Js。则在长度l上圆形磁化电流Is=Js·l，因此在磁介
质总体积s·l上磁化电流的总磁矩为
而只有 B 0(H M ) 成立。
2、存在“磁滞现象”(如:在外场撤除后有剩磁)：
３、居里温度： 对应于每一种铁磁物质都有一个临界温度（居里点），超过
这个温度，铁磁物质就变成了顺磁物质。如铁的居里温度为 1034K。
磁介质
1. 磁畴 —— 磁化微观机理 铁磁质中自发磁化的小区域叫磁畴， 铁磁质中自发磁化的小区域叫磁畴，磁畴中电子的自旋磁矩 v 整齐排列。 整齐排列。
v 无 B —— 整个铁磁质的总磁矩为零 0 v v 磁化方向与 B 同向的磁畴扩大 0 有B v 0 磁化方向转向 B 的方向 0
使磁场大大增强 外场撤去， 外场撤去，被磁化的铁磁质受体内杂质和 内应力的阻碍，不能恢复磁化前的状态。 内应力的阻碍，不能恢复磁化前的状态。
B 0
磁畴的磁 化方向
2. 宏观磁化现象 —— 磁滞回线 铁磁质中
B⇔H 不是线性关系
B~ H
B 剩磁 r
矫顽力
B
B
b
a
f
µr ~ H
o
讨论
H C
H
c
H
o
e
d
(1) 实验证明：各种铁磁质的磁化曲线都是“不可逆”的， 实验证明：各种铁磁质的磁化曲线都是“不可逆” 具有磁滞现象 (2) 不同材料，矫顽力不同 不同材料，
v v v 在边界L上取一线元 dl ,由于dl 足够小, 所以dl 处 v v 的磁化强度 M不变.以dl 为母线, 分子电流所围的面
v v 积S为上下底面做一斜圆柱 体, 体积为 : dV = S ⋅ dl
那 中 落 柱 内 分 电 一 被dl穿 . 些 心 在 体 的 子 流 定 过 因 ,要 算 绕 的 子 流 只 求 柱 中 分 此 计 环 dl 分 电 , 要 出 体 的 子 即 数 可
(3) 铁磁质温度高于某一温度 C 时, 铁磁质转化为顺磁质 此 3 铁磁质温度高于某一温度T 铁磁质转化为顺磁质, 临界温度称为居里点。 临界温度称为居里点。 (4) 铁磁材料的应用
磁介质的分类
磁介质的分类
磁介质是一类特殊的物质，它具有良好的磁性能，可以用于制作磁性记录材料、磁存储材料等。
根据其性质和用途的不同，可将磁介质分为多种类型。
第一类：金属磁性材料
这类磁介质是由铁、镍、钴等元素组成的。
其磁性能很高，广泛应用于电机、发电机、变压器等磁场环境下的应用。
这类磁介质还可用于制作磁碟、磁带等存储材料，具有速度快、容量大、可靠性高等优点。
第二类：氧化物磁性材料
这类磁介质是由氧化铁、氧化镁等金属氧化物组成的。
其磁性能不如金属磁性材料，但具有较好的化学稳定性和耐热性，适用于高温环境下的应用，如声波传感器、磁存储材料等。
第三类：聚合物磁性材料
这类磁介质是由聚合物分子中掺杂磁性颗粒制成的。
其磁性能较差，但具有轻便、柔软、易加工等特点，适用于生产磁封、磁贴、磁带等。
第四类：仿生磁性材料
这类磁介质是通过仿生学的方法，模仿生物体内的磁性物质，如鸟类的磁颗粒和磁感受器等制成的。
其磁性能较弱，但可以应用于磁医学、生物学等领域的研究中，为相关研究提供便利。
以上是磁介质的主要分类。
选择合适的磁介质可以保证应用效果和稳定性。
此外，磁介质的高质量生产和加工也是保证应用效果和稳定性的重要因素。
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eB0 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
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
抗磁质
p256
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
分子磁矩的由来 p256
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
磁滞回线
p261
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。
磁滞损耗 p262
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 p262，算电源要抵抗感应电动势做功
Ze 2 erB0 m 2 r 2 4 0 r
2 2 0 2 0
m0 erB0 m0 r eB0 e
2
洛伦兹力远小 于库仑力，高 阶无穷小，略
Ze 2 2 e 0 rB0 erB0 m 0 r 2m 0 r 4 0 r 2
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
外磁场对电子轨道运动的影响 p257
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)
磁电阻材料
液体磁性
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
磁性材料的分类及其应用 p263
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
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
铁磁质 p259
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
*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 nI0 , n l dt H dA dA I 0 d NSdB SlHdB VHdB da HdB V N l
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
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) R / R ~ 2% 6% 磁电阻材料(MR)： 巨磁电阻效应（简称GMR） R / R达到 50% 超巨磁电阻材料 R / R ~ 103 ~ 10 6 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 既具有固体的强磁性，又具有液体的流动性
磁化过程示意p266
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
p266 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
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。
硬磁材料
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
各种磁介质
p255
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
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
a
磁滞回线
积” da HdB 磁滞回线所包围的“面
磁滞回线
铁磁质 p265 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
求无外磁场时的角速度 0(电子只受库仑力）
Ze
2 2
4 0 r
m r
2 0
1 Ze 2 0 ( ) 2 4 0 mr 3
加外磁场B0，电子受库仑力、洛伦兹力（指向中
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