磁介質(zhì)磁化規(guī)律和機(jī)理 鐵電體PPT課件

1、1各種磁介質(zhì) p286 4-28、37、38 磁介質(zhì)分類磁介質(zhì)分類 弱磁性：順磁質(zhì)、抗磁質(zhì)弱磁性：順磁質(zhì)、抗磁質(zhì) 強(qiáng)磁性：鐵磁質(zhì)強(qiáng)磁性：鐵磁質(zhì) 一般有兩類分子一般有兩類分子 無(wú)外場(chǎng)無(wú)外場(chǎng) 有外場(chǎng)有外場(chǎng) 分子磁矩分子磁矩 m分子分子= ml+ ms0 m分子分子=0 m分子分子 0 分子磁矩分子磁矩 m分子分子= ml+ ms 0 m分子分子=0 m分子分子 0 順順磁磁質(zhì)質(zhì)的磁化的磁化 分子在外磁場(chǎng)作用下趨向于外磁場(chǎng)排列分子在外磁場(chǎng)作用下趨向于外磁場(chǎng)排列 熱運(yùn)動(dòng)與磁場(chǎng)作用相抵抗熱運(yùn)動(dòng)與磁場(chǎng)作用相抵抗 抗磁質(zhì)順磁質(zhì)第1頁(yè)/共19頁(yè)2抗磁質(zhì) 抗磁質(zhì)分子的固有磁矩抗磁質(zhì)分子的固有磁矩m分子分子= m

2、l+ ms0 不存在由非零的分子固有磁矩規(guī)則取向引起的順磁效應(yīng)。磁性來(lái)源？不存在由非零的分子固有磁矩規(guī)則取向引起的順磁效應(yīng)。磁性來(lái)源？ 抗磁質(zhì)磁性起源于電子軌道運(yùn)動(dòng)在外磁場(chǎng)下的變化抗磁質(zhì)磁性起源于電子軌道運(yùn)動(dòng)在外磁場(chǎng)下的變化 電子軌道運(yùn)動(dòng)為什么會(huì)變化？原因：在外磁場(chǎng)下受洛倫茲力電子軌道運(yùn)動(dòng)為什么會(huì)變化？原因：在外磁場(chǎng)下受洛倫茲力 第2頁(yè)/共19頁(yè)3分子磁矩的由來(lái) 在原子或分子內(nèi)，一般不止有一個(gè)電子在原子或分子內(nèi)，一般不止有一個(gè)電子 分子磁矩：所有電子的軌道磁矩和自旋磁矩的矢量分子磁矩：所有電子的軌道磁矩和自旋磁矩的矢量和和m分子分子= ml+ ms0 電子軌道磁矩電子軌道磁矩nmiSl22er

3、evTeieLlmeLm2與角動(dòng)量方向相反n電子自旋磁矩SmmeSn若所有電子的總角動(dòng)量（含軌道和自旋）為零，抗磁n所有電子的總角動(dòng)量（含軌道和自旋）不為零 ，順磁 第3頁(yè)/共19頁(yè)4外磁場(chǎng)對(duì)電子軌道運(yùn)動(dòng)的影響 p240 外磁場(chǎng)作用在一個(gè)抗磁原子上，考慮電子的軌道運(yùn)動(dòng)外磁場(chǎng)作用在一個(gè)抗磁原子上，考慮電子的軌道運(yùn)動(dòng)( (設(shè)電子角速度平行于外磁場(chǎng)設(shè)電子角速度平行于外磁場(chǎng)) ) 求無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)的角速度求無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)的角速度 0(電子只受庫(kù)侖力）電子只受庫(kù)侖力）n加外磁場(chǎng)B0，電子受庫(kù)侖力、洛倫茲力（指向中心），假設(shè)軌道的半徑不變（相當(dāng)于定態(tài)假設(shè)），設(shè)洛倫茲力遠(yuǎn)小于庫(kù)侖力rmrZe202024213020

4、)4(mrZermrBerZe20202400,02022第4頁(yè)/共19頁(yè)5emeBrmrBe00200rmrmrBerBerZe02000020224洛倫茲力遠(yuǎn)小于庫(kù)侖力，高階無(wú)窮小，略meB20n考慮電子角速度反平行于外磁場(chǎng)，有同樣結(jié)論，的方向總是與外磁場(chǎng)B0相同 n電子角速度改變將引起電子磁矩改變 022242Bmmreer總是與外磁場(chǎng)方向相反第5頁(yè)/共19頁(yè)6 當(dāng)介質(zhì)處于磁場(chǎng)中時(shí)，每個(gè)電子磁矩都受到磁力矩的作用當(dāng)介質(zhì)處于磁場(chǎng)中時(shí)，每個(gè)電子磁矩都受到磁力矩的作用 成任何角度成任何角度B與00BmMB第6頁(yè)/共19頁(yè)7鐵磁質(zhì) n起始磁化曲線：Ms、Bs分別為飽和磁化強(qiáng)度和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 n

5、MH、BH之間的關(guān)系是非線性和非單值的 特點(diǎn)特點(diǎn) 其中其中M的值相當(dāng)大；的值相當(dāng)大； M與與H不成正比關(guān)系，甚至也不是單值關(guān)系。不成正比關(guān)系，甚至也不是單值關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)表明，M和和H間的函數(shù)關(guān)系比較復(fù)雜，且間的函數(shù)關(guān)系比較復(fù)雜，且與磁化的歷史有關(guān)與磁化的歷史有關(guān)。 鐵磁質(zhì)的鐵磁質(zhì)的M與與H、B的關(guān)系通常通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的關(guān)系通常通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定 第7頁(yè)/共19頁(yè)8磁滯回線 MR：剩余磁化強(qiáng)度：剩余磁化強(qiáng)度 BR: 剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度 HC：矯頑力。：矯頑力。 在上述變化過(guò)程中，在上述變化過(guò)程中，M和和B的變化總是落后于的變化總是落后于H的的變化，這一現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象變化，這一現(xiàn)象稱為

6、磁滯現(xiàn)象;上述曲線叫磁滯回上述曲線叫磁滯回線。線。 P244第8頁(yè)/共19頁(yè)9磁滯損耗 當(dāng)鐵磁質(zhì)在交變磁場(chǎng)作用下，反復(fù)磁化是由于磁滯效應(yīng)，磁體要發(fā)熱而散失熱量，當(dāng)鐵磁質(zhì)在交變磁場(chǎng)作用下，反復(fù)磁化是由于磁滯效應(yīng)，磁體要發(fā)熱而散失熱量，這種能量損失稱為磁滯損耗。這種能量損失稱為磁滯損耗。 可以證明：可以證明：BH圖中磁滯回線所包圍的圖中磁滯回線所包圍的“面積面積”代表在一個(gè)反復(fù)磁化的循環(huán)過(guò)程代表在一個(gè)反復(fù)磁化的循環(huán)過(guò)程中單位體積的鐵芯內(nèi)損耗的能量中單位體積的鐵芯內(nèi)損耗的能量 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； 磁滯回線越瘦，曲線下面積越小，損耗越小磁滯

7、回線越瘦，曲線下面積越小，損耗越小 證明證明 p245，算，算電源要抵抗感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)做功電源要抵抗感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)做功 第9頁(yè)/共19頁(yè)10證明以有閉合鐵芯的螺繞環(huán)為例 設(shè)設(shè)t時(shí)刻介質(zhì)處于某一磁化狀態(tài)時(shí)刻介質(zhì)處于某一磁化狀態(tài)P，此處，此處H0，B0 dt內(nèi)，內(nèi)， PP ，鐵心中磁通改變量為，鐵心中磁通改變量為d 電源抵抗感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)做功電源抵抗感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)做功dIdtdtdIdtIdA000lNnnIH,0VHdBSlHdBNSdBlNHdIdA0NSB周長(zhǎng)HdBVdAda積積”磁磁滯滯回回線線所所包包圍圍的的“面面磁滯回線磁滯回線HdBdaa第10頁(yè)/共19頁(yè)11鐵磁質(zhì)磁化機(jī)制 自發(fā)磁化區(qū)自發(fā)磁化區(qū) 近

8、代科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，鐵磁質(zhì)的磁性主要來(lái)源于電子自旋磁矩。在沒(méi)有外磁場(chǎng)的條近代科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，鐵磁質(zhì)的磁性主要來(lái)源于電子自旋磁矩。在沒(méi)有外磁場(chǎng)的條件下鐵磁質(zhì)中電子自旋磁矩可以在小范圍內(nèi)件下鐵磁質(zhì)中電子自旋磁矩可以在小范圍內(nèi)“自發(fā)地自發(fā)地”排列起來(lái)，形成一個(gè)個(gè)小排列起來(lái)，形成一個(gè)個(gè)小的的“自發(fā)磁化區(qū)自發(fā)磁化區(qū)”磁疇磁疇 自發(fā)磁化的原因是由于自發(fā)磁化的原因是由于相鄰原子中電子之間存在著一種交換作用相鄰原子中電子之間存在著一種交換作用（一種量子效（一種量子效應(yīng)），使電子的應(yīng)），使電子的原子磁矩平行排列起來(lái)原子磁矩平行排列起來(lái)而達(dá)到自發(fā)磁化的飽和狀態(tài)而達(dá)到自發(fā)磁化的飽和狀態(tài) 單晶和多晶磁疇結(jié)構(gòu)的示意單晶和多晶

9、磁疇結(jié)構(gòu)的示意 第11頁(yè)/共19頁(yè)12磁化過(guò)程示意 a：未磁化時(shí)狀態(tài)未磁化時(shí)狀態(tài) b：疇壁的可逆位移階段：疇壁的可逆位移階段OA段段 c：不可逆的磁化：不可逆的磁化AB段段 d：磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)：磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)BC段段 e：趨于飽和的階段：趨于飽和的階段CS段段等于每個(gè)磁疇中原有的磁化強(qiáng)度 n在外磁場(chǎng)撤消后，鐵磁質(zhì)內(nèi)摻雜和內(nèi)應(yīng)力或因?yàn)榻橘|(zhì)存在缺陷阻礙磁疇恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài) 第12頁(yè)/共19頁(yè)13磁疇 影響鐵磁質(zhì)磁性的因素影響鐵磁質(zhì)磁性的因素 溫度對(duì)磁性有影響溫度對(duì)磁性有影響居里點(diǎn)高過(guò)居里點(diǎn)鐵磁性就消失，變?yōu)轫槾啪永稂c(diǎn)高過(guò)居里點(diǎn)鐵磁性就消失，變?yōu)轫槾刨|(zhì)。如純鐵的居里點(diǎn)為質(zhì)。如純鐵的居里點(diǎn)為1043K

10、，鏑的居里點(diǎn)為，鏑的居里點(diǎn)為89K； 強(qiáng)烈震動(dòng)會(huì)瓦解磁疇強(qiáng)烈震動(dòng)會(huì)瓦解磁疇 尺寸影響磁疇結(jié)構(gòu)性尺寸影響磁疇結(jié)構(gòu)性介觀尺度下有新現(xiàn)象介觀尺度下有新現(xiàn)象 介觀尺度：即介于宏觀尺度與微觀尺度之間，一般為介觀尺度：即介于宏觀尺度與微觀尺度之間，一般為0.1100nma 片形疇（L=8微米）； b 蜂窩疇（L=75微米）； c 楔形疇圖 幾種鐵磁材料的磁疇結(jié)構(gòu)，其中a、b為Ba鐵氧體單晶基面上的磁疇結(jié)構(gòu)，L為晶體厚度；c 為鈷的兩個(gè)晶粒上的磁疇結(jié)構(gòu)第13頁(yè)/共19頁(yè)14宏觀鐵磁體的尺寸減小到介觀尺度 此時(shí)磁性材料不再是具有疇壁的多磁疇結(jié)構(gòu)，而是此時(shí)磁性材料不再是具有疇壁的多磁疇結(jié)構(gòu)，而是沒(méi)有疇壁的單疇結(jié)

11、構(gòu)沒(méi)有疇壁的單疇結(jié)構(gòu)，單疇的臨界，單疇的臨界尺度大約在納米級(jí)范圍，例如鐵（尺度大約在納米級(jí)范圍，例如鐵（Fe）的球形顆粒產(chǎn)生單疇的臨界直徑為）的球形顆粒產(chǎn)生單疇的臨界直徑為28nm，鈷，鈷(Co)為為240nm。 由于熱擾動(dòng)的影響，使這些磁有序物質(zhì)系統(tǒng)表現(xiàn)出特別的磁性質(zhì)，如由于熱擾動(dòng)的影響，使這些磁有序物質(zhì)系統(tǒng)表現(xiàn)出特別的磁性質(zhì)，如類似順磁性的超類似順磁性的超順磁性順磁性 與同類常規(guī)塊狀磁體相比，納米量級(jí)材料的與同類常規(guī)塊狀磁體相比，納米量級(jí)材料的居里溫度低，矯頑力高居里溫度低，矯頑力高。 磁性液體：用表面活性劑處理過(guò)的超細(xì)磁性微粒高度分散在載液中形成一種磁性磁性液體：用表面活性劑處理過(guò)的超細(xì)

12、磁性微粒高度分散在載液中形成一種磁性膠體溶液，呈現(xiàn)出超順磁性膠體溶液，呈現(xiàn)出超順磁性 第14頁(yè)/共19頁(yè)15磁性材料的分類及其應(yīng)用 按矯頑力大小分類按矯頑力大小分類 軟磁材料軟磁材料 HC小，磁滯回線瘦，磁滯損耗小，磁滯回線瘦，磁滯損耗小；小； 有的有的BR小，通電后立即磁化獲小，通電后立即磁化獲得強(qiáng)磁場(chǎng)，斷電立即退磁，適合得強(qiáng)磁場(chǎng)，斷電立即退磁，適合用于強(qiáng)電用于強(qiáng)電 有的有的 起始磁導(dǎo)率大，適合用于起始磁導(dǎo)率大，適合用于弱電弱電 硬磁材料硬磁材料 BR大，大，HC大，大， HC：104106A/m； 磁滯回線胖，磁滯損耗大；磁滯回線胖，磁滯損耗大； 撤外場(chǎng)后，仍能保持強(qiáng)磁性撤外場(chǎng)后，仍能保持

13、強(qiáng)磁性。第15頁(yè)/共19頁(yè)16磁性材料在信息技術(shù)中的應(yīng)用 隨著信息時(shí)代的到來(lái)，多種磁性材料在信息高新技術(shù)中獲得廣泛而隨著信息時(shí)代的到來(lái)，多種磁性材料在信息高新技術(shù)中獲得廣泛而重要的應(yīng)用重要的應(yīng)用 磁記錄：主要有存儲(chǔ)裝置和寫入、讀出設(shè)備。存儲(chǔ)裝置是用永磁材磁記錄：主要有存儲(chǔ)裝置和寫入、讀出設(shè)備。存儲(chǔ)裝置是用永磁材料制成的設(shè)備，包括磁頭和磁記錄介質(zhì)料制成的設(shè)備，包括磁頭和磁記錄介質(zhì) n磁頭：n寫入過(guò)程中：磁頭將電信號(hào)磁場(chǎng)n讀出過(guò)程中：將磁記錄介質(zhì)的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)n磁記錄介質(zhì)：內(nèi)存、外存、磁盤和磁帶等第16頁(yè)/共19頁(yè)17磁性功能材料 壓磁材料也叫磁致伸縮材料壓磁材料也叫磁致伸縮材料 鐵磁質(zhì)磁疇中磁化方向改變會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)中晶格間距的改變鐵磁質(zhì)磁疇中磁化方向改變會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)中晶格間距的改變 磁電阻材料磁電阻材料 磁場(chǎng)可以使許多金屬的電阻發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為磁電阻效應(yīng)，磁場(chǎng)可以使許多金屬的電阻發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為磁電阻效應(yīng)，相應(yīng)的材料為磁電阻材料相應(yīng)的材料為磁電阻材料(MR) 磁電阻材料磁電阻材料(MR)： 巨磁電阻效應(yīng)（簡(jiǎn)稱巨磁電阻效應(yīng)（簡(jiǎn)稱GMR） 超巨磁電阻材料超巨磁電阻材料 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(jī)存儲(chǔ)器和微型傳感微型化高密度磁記錄讀出磁頭、隨機(jī)存儲(chǔ)器和微型傳感器中獲得重要應(yīng)用器中獲得重要應(yīng)用 液體磁性 既具有