第十五章-物质的磁性课件.ppt

1、第十五章第十五章物质的磁性物质的磁性第三篇第三篇 电磁学电磁学（一）物质对磁场的影响（一）物质对磁场的影响 （二）原子的磁矩（二）原子的磁矩（三）物质的磁化（三）物质的磁化（四）（四）H矢量及其环路定理矢量及其环路定理 （五）铁磁质（五）铁磁质 主要内容主要内容15-1 物质对磁场的影响15-2 原子的磁矩 一、磁介质对磁场的影响一、磁介质对磁场的影响u 磁介质对磁场的影响磁介质对磁场的影响0BB0BBrr磁介质的相对磁导率磁介质的相对磁导率 BBB0 B磁介质激发的附加磁感磁介质激发的附加磁感应强度应强度u 磁介质的分类磁介质的分类锰、铬、铂、氮锰、铬、铂、氮水银、铜、硫、氢、金、银水银、铜

2、、硫、氢、金、银铁、镍、钴、铁氧体铁、镍、钴、铁氧体顺磁质顺磁质 抗磁质抗磁质铁磁质铁磁质01BB,r01BB,r01BB,r弱磁物质弱磁物质：顺磁质、抗磁质顺磁质、抗磁质强磁物质强磁物质：铁磁质铁磁质一、磁介质对磁场的影响一、磁介质对磁场的影响二、原子的磁矩二、原子的磁矩各电子磁矩各电子磁矩+-+1m2ml 分子磁矩分子磁矩+分子磁矩分子磁矩mneISm圆形轨道电流：圆形轨道电流：revvreTeI2/2222evrrrevISPl轨道磁矩：轨道磁矩：轨道角动量：轨道角动量：prLLmemvremPeeel22电子的轨道磁矩：电子的轨道磁矩：+m-二、原子的磁矩二、原子的磁矩原子中电子的轨道

3、磁矩原子中电子的轨道磁矩LmePel2电子的自旋磁矩电子的自旋磁矩SmePesiSliiPPm 所有电子磁矩的总和所有电子磁矩的总和分子磁矩分子磁矩+-lPSP二、原子的磁矩二、原子的磁矩0Bl 顺磁质顺磁质000m,B时BBBm,B0000时特点：存在分子固有磁矩特点：存在分子固有磁矩u 弱磁介质的磁化机制弱磁介质的磁化机制三、磁介质的磁化机制三、磁介质的磁化机制0ml 抗磁质抗磁质memL0BmemL0B反向的方向总是与0Bm磁介质中大量分子的附加磁矩在宏观上对外磁介质中大量分子的附加磁矩在宏观上对外显示出与外磁场方向相反的磁效应。显示出与外磁场方向相反的磁效应。特点：分子固有磁矩等于零。

4、特点：分子固有磁矩等于零。0m三、磁介质的磁化机制三、磁介质的磁化机制抗磁质：抗磁质：0m只有抗磁效应只有抗磁效应顺磁质：顺磁质：抗磁效应被顺磁效应掩盖了。抗磁效应被顺磁效应掩盖了。m大于附加磁矩大于附加磁矩m固有磁矩固有磁矩抗磁性是一切磁介质所具有的性质。抗磁性是一切磁介质所具有的性质。三、磁介质的磁化机制三、磁介质的磁化机制u 束缚电流及附加磁场束缚电流及附加磁场0BsILS0BsI顺磁质顺磁质0BsILS0BsI抗磁质抗磁质IS束缚电流（或磁化电流）束缚电流（或磁化电流）BBB0一、物质的磁化一、物质的磁化u 磁化强度磁化强度VmMi顺磁质：顺磁质：VmMi方向与方向与 同向同向0B抗磁

5、质：抗磁质：VmMi方向与方向与 反向反向0B单位：单位：A/msssijlISlSIVmMu 磁化强度与束缚电流的关系磁化强度与束缚电流的关系scdscdLIljMll dM0BsIsLIl dM磁化面电流线密度磁化面电流线密度 jS：介质表面单位长度的磁化电流。介质表面单位长度的磁化电流。0BsIlSL15-4 H矢量的安培环路定理一、一、H矢量的安培环路定理矢量的安培环路定理u H矢量及其环路定理矢量及其环路定理顺顺磁磁质质0ISILl dMI000dIlMBLosLIIl dB00传导电流传导电流 束缚电流束缚电流定义磁场强度：定义磁场强度：MBH0单位：单位：A m-10Il dHL

6、在有物质的磁场中，沿任意闭合路径磁场强度的线积在有物质的磁场中，沿任意闭合路径磁场强度的线积分等于该闭合路径所包围的分等于该闭合路径所包围的自由电流的代数和自由电流的代数和。一、一、H矢量的安培环路定理矢量的安培环路定理HMm适用各向同性磁介质适用各向同性磁介质u H、M、B三者的关系三者的关系m磁化率磁化率HBMBHm00HHHBrm001mr1 r 相对磁导率相对磁导率 磁导率磁导率一、一、H矢量的安培环路定理矢量的安培环路定理（1）只与传导电流有关，与束缚电流无关）只与传导电流有关，与束缚电流无关（3）在真空中：在真空中：10rMHB0（2）与与 一样是辅助量，描述电磁场一样是辅助量，描

7、述电磁场HDHBDEu 几点说明几点说明0Il dHL一、一、H矢量的安培环路定理矢量的安培环路定理二、二、H矢量安培环路定理的应用矢量安培环路定理的应用u 磁介质的安培环路定理的应用磁介质的安培环路定理的应用一般步骤：一般步骤：（1）在对称性分析基础上选取适当环路）在对称性分析基础上选取适当环路L（2）由）由 求磁场强度求磁场强度H分布分布0Il dHL（3）由）由 求磁感应强度求磁感应强度B分布分布HBroIN1R2R例例1、一充满均匀磁介质的密绕细螺绕环，已知单位长、一充满均匀磁介质的密绕细螺绕环，已知单位长度的匝数为度的匝数为n，电流，电流I，磁导率，磁导率 r,求矢量求矢量H、B。解

8、：解：根据介质的安培环路定理：根据介质的安培环路定理：iiIl dH0细圆环满足：细圆环满足：21RRr022rnIrH0nIH HBr0一、一、H矢量的安培环路定理矢量的安培环路定理例例2、半径为、半径为 R1 无限长圆柱形直导线，外面包一层半无限长圆柱形直导线，外面包一层半径为径为 R2，相对磁导率为，相对磁导率为 r 的圆筒形磁介质。通过导的圆筒形磁介质。通过导线的电流为线的电流为 I0。求：磁介质内、外磁场强度和磁感应求：磁介质内、外磁场强度和磁感应强度的分布。强度的分布。一、一、H矢量的安培环路定理矢量的安培环路定理Lr解：解：02IrHl dHL)()(12120100RrRrIR

9、rII)(2)(2101210RrrIRrRrIH)(2)(2)(22021012100RrrIRrRrIRrRIrHBrr15-5 铁磁质一、一、铁磁质铁磁质u 铁磁质的特性铁磁质的特性（1）相对磁导率）相对磁导率 r极大。极大。（2）矢量）矢量B和和H的关系呈非线性、非单值的关系。的关系呈非线性、非单值的关系。（3）具有磁滞现象（磁滞回线）。）具有磁滞现象（磁滞回线）。（4）存在居里温度）存在居里温度TC，当温度高于，当温度高于TC时，材料时，材料 为顺磁质。为顺磁质。l 磁导率曲线磁导率曲线OHmax磁导率曲线：磁导率曲线：HB一、一、铁磁质铁磁质l 磁滞回线磁滞回线Br-HsHsoab

10、cdefHBHcoa段段：起始磁化曲线起始磁化曲线Hs：饱和磁场强度饱和磁场强度Br：剩余磁感应强度剩余磁感应强度Hc：矫顽力矫顽力 B的变化落后于的变化落后于H的变化，即为磁滞现象。的变化，即为磁滞现象。当当H=0时，铁磁质仍然处于磁化状态，时，铁磁质仍然处于磁化状态，Br0,称为铁磁质具有剩磁，大小用称为铁磁质具有剩磁，大小用Br衡量。衡量。一、一、铁磁质铁磁质二、二、铁磁质的磁化机制铁磁质的磁化机制u 磁化机制磁化机制未加磁场未加磁场在磁场在磁场 B 中中磁畴磁畴相邻原子间的电子具有强交换耦合作用，自相邻原子间的电子具有强交换耦合作用，自发形成一些磁矩平行排列且取向相同的微小区域。发形成

11、一些磁矩平行排列且取向相同的微小区域。不同磁畴间磁矩取向不同。不同磁畴间磁矩取向不同。三、三、铁磁质的分类铁磁质的分类u 铁磁材料的分类铁磁材料的分类l 软磁材料软磁材料HBO 磁滞回线细而窄，磁滞回线细而窄，矫顽力小。矫顽力小。易磁化，易退磁，易磁化，易退磁，适用于交变磁场。适用于交变磁场。如制造电机，变压如制造电机，变压器等的铁芯。器等的铁芯。l 硬磁材料硬磁材料HBO适合制作永久磁铁、磁适合制作永久磁铁、磁芯（记忆元件）等。芯（记忆元件）等。磁滞回线磁滞回线“胖胖”，矫顽力较大，矫顽力较大，三、三、铁磁质的分类铁磁质的分类l 矩形材料矩形材料HBO磁滞回线接近于矩磁滞回线接近于矩形，剩余

12、磁感应强形，剩余磁感应强度度Br接近于饱和磁接近于饱和磁感应强度感应强度Bs。适合于制作记录适合于制作记录磁带及计算机的磁带及计算机的记忆元件。记忆元件。三、三、铁磁质的分类铁磁质的分类Albert Fert Peter Gruenberg 小硬盘小硬盘 大容量大容量1988年年法国法国Paris-Sud大学的大学的Albert Fert以及德国尤里希研以及德国尤里希研究中心（究中心（Forschungszentrum Jlich）的）的Peter Grnberg，独立发现巨磁阻效应独立发现巨磁阻效应（GMR:Giant Magnetoresistance）。他们的发现极大地提高了电脑硬盘的数据存储量。他们的发现极大地提高了电脑硬盘的数据存储量。半导体随机存储器磁性随机存储器磁性随机存储器Write“0”Write“1”