资源描述
1.1.磁场高斯定律磁场高斯定律 也遵守毕奥也遵守毕奥萨伐尔定律萨伐尔定律总磁场感应强度总磁场感应强度 三、磁介质中的静磁场的基本定理三、磁介质中的静磁场的基本定理2.2.磁场的环路定律磁场的环路定律的环路积分与传导电流有关，与磁化电流无关。的环路积分与传导电流有关，与磁化电流无关。3.3.讨论讨论是两矢量的迭加。是两矢量的迭加。H的环流与的环流与I0有关，表明有关，表明H矢量有一定的物理意义，矢量有一定的物理意义，但但H并不能反映磁场对运动电荷或电流的作用力的并不能反映磁场对运动电荷或电流的作用力的强弱，只有强弱，只有B才可以。才可以。历史上认为磁极存在磁荷，磁力是磁场对磁荷的历史上认为磁极存在磁荷，磁力是磁场对磁荷的作用力，即作用力，即H反映磁场对单位磁荷的作用。反映磁场对单位磁荷的作用。H物理意义不是很明确。物理意义不是很明确。从安培环路定律的表达式说明，在磁场中.磁场强度沿任一闭合路径的线积分等于穿过回路所限定面积的电流代数和.H的环路积分只与宏观的传导电流有关,与磁化电流无关,即与导磁介质无关.但是不能理解为H的分布与导磁介质无关.四、磁介质的磁化规律四、磁介质的磁化规律1.B，H，M间的关系间的关系MH的关系曲线称为磁化曲线（铁磁质）的关系曲线称为磁化曲线（铁磁质）磁介质存在时的静磁场磁介质存在时的静磁场本构方程本构方程基本方程基本方程磁化电流磁化电流例例若螺绕环内充满磁介质，求磁感应强度若螺绕环内充满磁介质，求磁感应强度B。已。已知磁化场的磁感应强度为知磁化场的磁感应强度为B0，磁化强度为，磁化强度为M。解解设平均半径为设平均半径为R，总匝数为，总匝数为N，则取圆形回路，则取圆形回路L 2.弱磁化磁介质的磁化规律弱磁化磁介质的磁化规律大多数磁介质是弱磁性的大多数磁介质是弱磁性的,各向同性的线性各向同性的线性磁介质磁介质:磁化系数磁化系数为磁化率或磁化系数为磁化率或磁化系数为相对磁导率或介质磁导率为相对磁导率或介质磁导率为绝对磁导率为绝对磁导率求：一电流为求：一电流为I0的无限长直导线在磁导率为的无限长直导线在磁导率为 的的无限均匀磁介质中的磁场。无限均匀磁介质中的磁场。解：解：原因在于，出现了与传导电流同向的磁化电流，原因在于，出现了与传导电流同向的磁化电流，使总电流增加到原传导电流的使总电流增加到原传导电流的 倍。倍。磁化电流？磁化电流？总电流总电流=?磁介质的特性分析磁介质的特性分析 顺磁质顺磁质 抗磁质抗磁质 铁磁质铁磁质磁化率 稍大于0 略小于0相对磁导率 稍大于1 略小于1远大于1 同 向 反 向 同 向对弱磁质各向同性磁介质 B 或H与M方向相同，B与H线性关系，对铁磁质，B与H 的线性关系不成立。顺磁性顺磁性 10-410-5M与与H同向同向无外场时无外场时(B0=0)，M=0有外场时，存在有外场时，存在M，但因为热运动阻止，但因为热运动阻止M转向转向H方方向。当向。当T减小，热运动减弱，减小，热运动减弱，M转向转向H角度增大，角度增大，c cm增大，增大，c cm=c/T（居里定律（居里定律1895）磁化机制磁化机制分子具有固有磁矩分子具有固有磁矩锰锰,铬铬,锂锂,钠等钠等顺磁性的磁化机制顺磁性的磁化机制无外场无外场：分子热运动，分子磁矩无规取向分子热运动，分子磁矩无规取向,宏观磁场宏观磁场 为零。为零。有外场有外场：分子受力矩：分子受力矩 顺外场方向取向。顺外场方向取向。1905年，朗之万研究，使用经典统计分析，磁矩分子年，朗之万研究，使用经典统计分析，磁矩分子取向在存在外场时满足取向在存在外场时满足Boltzmann分布分布分子数：分子数：C为归一化因子，为归一化因子，分子固有磁矩分子固有磁矩:分子磁矩在外磁场分子磁矩在外磁场 中的中的“势能势能”磁场不能太强，磁场不能太强，温度不能过低温度不能过低分子数密分子数密度度分子固分子固有磁矩有磁矩M与与H同向。同向。即即于于1895居里发现。居里发现。对气态对气态,顺磁介质实验与理论符合，顺磁介质实验与理论符合，对固态或液态磁介质，上式不符合对固态或液态磁介质，上式不符合。磁化率磁化率当当n0一定时，磁化率一定时，磁化率与温度成反比与温度成反比抗磁性抗磁性的磁化机制的磁化机制-10-5 -10-6M与与H反向反向铋铋,铜铜,银银分子固有磁矩分子固有磁矩0分子中各电子磁分子中各电子磁矩互相抵消矩互相抵消,整个分子固有磁整个分子固有磁矩矩0l抗磁性磁介质的分子固有磁矩为零，是因抗磁性磁介质的分子固有磁矩为零，是因为分子内的电子轨道上一对电子的自旋磁为分子内的电子轨道上一对电子的自旋磁矩与轨道磁矩都彼此相反，相互抵消。矩与轨道磁矩都彼此相反，相互抵消。轨道轨道角动量角动量由于电子带负电，角速度与电子磁矩方由于电子带负电，角速度与电子磁矩方向相反向相反抗磁质：无外场时无外场时B0=0，分子固有磁矩，分子固有磁矩0，无磁性；，无磁性；有外场时有外场时B00,磁介质分子中的电子由于受外磁场作用，产磁介质分子中的电子由于受外磁场作用，产生的洛仑兹力使电子轨道运动引起变化，产生附加轨道磁矩生的洛仑兹力使电子轨道运动引起变化，产生附加轨道磁矩 。讨论讨论:分子附加磁矩与外磁场方向相反分子附加磁矩与外磁场方向相反?使附加磁场使附加磁场B方向方向与外磁场与外磁场B0 相反。相反。(1)求求 磁化强度磁化强度：在外磁场作用下，电子角速度的改变，将产生附加磁矩，在外磁场作用下，电子角速度的改变，将产生附加磁矩，附加磁矩与外磁场方向相反。附加磁矩与外磁场方向相反。附加磁矩附加磁矩电子在外磁场作用下电子在外磁场作用下(r不变不变),增加的角速度方向与外磁场相同增加的角速度方向与外磁场相同.(2)电子轨道面的进动电子轨道面的进动,附加磁矩附加磁矩磁化率磁化率:对给定的对给定的 磁化率与温度无关磁化率与温度无关.注意注意:对顺磁质对顺磁质,上面讲的抗磁效应存在上面讲的抗磁效应存在,但顺磁质的抗磁效应但顺磁质的抗磁效应远远小于顺磁效应远远小于顺磁效应.电子轨道平面的进动产生一附加磁矩电子轨道平面的进动产生一附加磁矩me(W W)与与 反向，亦与反向，亦与B反向反向对抗磁性物质对抗磁性物质 但但 且与磁场反向，呈现抗磁性且与磁场反向，呈现抗磁性.电子的总磁矩电子的总磁矩在自然界中，大多数物质都具有抗磁性，特别是在自然界中，大多数物质都具有抗磁性，特别是有机材料和生物材料中，绝大部分为抗磁性的。有机材料和生物材料中，绝大部分为抗磁性的。物质物质磁化率磁化率物质物质磁化率磁化率CO2-21.0Hg-24.1CO-9.8Al2O3-37.0SO2-18.2NaCl-30.3Br2-73.5ZnO-46.0NH3-18.0C2H2-12.5H2S-25.5C6H6-54.84SCl2-49.4C4H10-57.4H2SO4-39.8PbO-42.0(单位：质量比磁化率，单位：质量比磁化率，4p p 10-6 cm3/g)核磁共振 顺磁物质的分子磁矩比核磁矩大三个数量级。顺磁物质的分子磁矩比核磁矩大三个数量级。例如：例如：水，其中电子的自旋完全抵消，故水分子应水，其中电子的自旋完全抵消，故水分子应没有磁矩，但实际上存在很小的磁矩，来源于核磁没有磁矩，但实际上存在很小的磁矩，来源于核磁矩。矩。氢核的核自旋氢核的核自旋S=1/2，在外场中产生在外场中产生2S+1=2个能级个能级劈裂。劈裂。水在磁场中，氢核可处在两个能级上，若再加上一水在磁场中，氢核可处在两个能级上，若再加上一线圈，使其产生的磁场为线圈，使其产生的磁场为B=1.0T时，共振频率为时，共振频率为42.58MHz。较多的氢核从低能级激发到高能级。若较多的氢核从低能级激发到高能级。若撤去高频磁场，则氢核从高能级退激跃迁，发出能撤去高频磁场，则氢核从高能级退激跃迁，发出能量为量为hu u的光子，被探测器测量。的光子，被探测器测量。The energy levels of the system in a magnetic field2 B ms s1/2 -1/2 在外磁场中在外磁场中,磁矩与磁场的相互作用能磁矩与磁场的相互作用能,一个能级分裂为一个能级分裂为2S+12S+1个能级个能级.:非辐射跃迁非辐射跃迁弛豫过程弛豫过程弛豫时间弛豫时间人体各组织的水分不同，病变与非病变组织的人体各组织的水分不同，病变与非病变组织的氢核密度也不同，弛豫时间也不同氢核密度也不同，弛豫时间也不同CTCT核磁共核磁共振成像美国物理学家布洛赫，珀赛耳于振成像美国物理学家布洛赫，珀赛耳于19461946年年发现，于发现，于19521952年获诺贝尔奖。年获诺贝尔奖。2003年年10月月6日日,诺贝尔医学奖评委会宣布生理诺贝尔医学奖评委会宣布生理或医学奖授予美国的保罗或医学奖授予美国的保罗C劳特伯和英国的皮劳特伯和英国的皮特特曼斯菲尔德，因为他们发明了磁共振成像技曼斯菲尔德，因为他们发明了磁共振成像技术术(MRI)。这项技术的发明使得人类能够清清楚。这项技术的发明使得人类能够清清楚楚地看清自己或其他生物体内的器官，为医疗楚地看清自己或其他生物体内的器官，为医疗诊断和科学研究提供了非常便利的手段。诊断和科学研究提供了非常便利的手段。MRIPaul.C.LauterburPeter.Mansfield在全世界每年有在全世界每年有6000多万例检查和研究采用多万例检查和研究采用MRI技术技术.卫生领域中的第一台卫生领域中的第一台MRI设备是上世纪设备是上世纪80年年代初研发出来的。到了代初研发出来的。到了2002年，全球已经大年，全球已经大约有约有2.2万台万台MRI照相机在使用照相机在使用.迈斯纳效应迈斯纳效应 1911年年Kamerling Onnes 发现发现R0超导电性超导电性.1933年迈年迈斯纳和奥森费尔德发现，超导体放入斯纳和奥森费尔德发现，超导体放入磁场中时，超导体内的磁场完全为磁场中时，超导体内的磁场完全为B=0B=0，超导，超导体外磁感应曲线弯曲而绕过超导体，体外磁感应曲线弯曲而绕过超导体，完全抗磁性。完全抗磁性。在外磁场中超导体的表面产生感应的超导电流，在外磁场中超导体的表面产生感应的超导电流，它的附加磁感应强度将体内的磁感应强度完全它的附加磁感应强度将体内的磁感应强度完全抵消抵消.但由于无电阻，表面超导电流将一直持续下去。但由于无电阻，表面超导电流将一直持续下去。一般超导表面磁场透入深度为一般超导表面磁场透入深度为 10 10-4-410-6。SuperconductorMixed-State Meissner Effect In Type II superconductors the magnetic field is not excluded completely,but is constrained in filaments within the material.These filaments are in the normal state,surrounded by supercurrents in what is called a vortex state.Such materials can be subjected to much higher external magnetic fields and remain superconducting.问题：1.超导体是顺磁质、抗磁质、还是铁磁超导体是顺磁质、抗磁质、还是铁磁质？质？2.如果绕组中的电流为如果绕组中的电流为0.3A，此绕组有，此绕组有400匝，在超导体环表面的束缚电流有多匝，在超导体环表面的束缚电流有多大？大？铁磁性材料铁磁性材料铁磁性材料：铁磁性材料：以铁、钴、镍和一些稀土元素以铁、钴、镍和一些稀土元素钆、镝、钬钆、镝、钬已及已及它们的合金及氧化物为材料构成的介质，在磁场它们的合金及氧化物为材料构成的介质，在磁场中显示出很强的磁性。中显示出很强的磁性。铁磁性材料的特点：铁磁性材料的特点：M与与H的关系不是线性关系，若仍用的关系不是线性关系，若仍用 ，则，则函数关系相当复杂，通常由实验方法测定。函数关系相当复杂，通常由实验方法测定。：饱和磁化强度：饱和磁化强度OABDS：起始磁化曲线起始磁化曲线 MR剩余剩余磁化强度磁化强度Hc 矫顽力矫顽力SRCSRCS磁滞磁滞回线回线Ms饱和磁化强度特点：特点：起始磁化曲线起始磁化曲线 非线性（非线性（HB）r随随H非线性非线性变化变化HBOBH rH铁磁质的磁化规律铁磁质的磁化规律1 1、铁磁质的特性、铁磁质的特性在各类磁介质中，应用最广泛的是铁磁性物质在各类磁介质中，应用最广泛的是铁磁性物质.能产生特别强的附加磁场，使能产生特别强的附加磁场，使 相对磁导率相对磁导率 ，且随磁场强弱发生变化；，且随磁场强弱发生变化；有明显的磁滞效应；有明显的磁滞效应；铁磁质磁化存在一居里点。铁磁质磁化存在一居里点。磁滞回线及磁滞现象磁滞回线及磁滞现象HB2 2、铁磁质的磁化机理铁磁质的磁化机理 铁铁磁磁质质内内部部原原子子间间的的相相互互作作用用非非常常强强烈烈,在在这这种种作作用用下下,铁铁磁质的内部形成了一些自发磁化的小区域磁质的内部形成了一些自发磁化的小区域磁畴磁畴.外磁场撤去后外磁场撤去后,仍能保留部分磁仍能保留部分磁性存在，这种现象称为性存在，这种现象称为剩磁现象剩磁现象。铁磁质的初始磁化、消磁、反向铁磁质的初始磁化、消磁、反向磁化过程构成一图所示的闭合曲线磁化过程构成一图所示的闭合曲线，称为，称为磁滞回线磁滞回线。由闭合曲线看到，由闭合曲线看到，B的变化总是的变化总是落后于落后于H的变化。的变化。这种现象称为磁这种现象称为磁滞现象滞现象.每每一一磁磁畴畴中中,各各原原子子的的排排列列很很整整齐齐,因因此此具具有有很很强强的的磁磁性性.但但不不同同的的磁磁畴畴排排列列方方向向彼彼此此不不同同,所所以以没没有有外外磁磁场场时时,各各磁磁畴畴磁矩相互抵消磁矩相互抵消,对外不显磁性对外不显磁性.v 加加上上外外磁磁场场 :各各磁磁畴畴磁磁矩矩取取向向趋趋于于一一致致,且且与与外外磁磁场场方方向向相相同同,所所以以在在不不强强的的外外磁磁场场下下,铁铁磁磁质质会会表表现现出出很很强强的的磁磁性性.通通常常铁铁磁磁质产生的附加磁场要比外磁场要大好几个数量级。质产生的附加磁场要比外磁场要大好几个数量级。存存在在居居里里点点原原因因:铁铁磁磁质质中中的的自自发发磁磁化化区区域域磁磁畴畴受受到到剧剧烈烈的的分分子子热热运运动动的的破破坏坏，磁磁畴畴被被瓦瓦解解,铁铁磁磁质质的的特特性性消消失失,过渡到顺磁质过渡到顺磁质.不同的铁磁质居里温度亦不同不同的铁磁质居里温度亦不同.铁铁磁磁质质的的磁磁滞滞及及剩剩磁磁原原因因:用用于于磁磁畴畴的的转转向向需需要要克克服服阻阻力力（来来自自磁磁畴畴间间的的摩摩擦擦），因因此此当当外外磁磁场场减减弱弱或或消消失失时时磁磁畴畴并并不不按按原原来来的的变变化化规规律律退退回回原原状状，因因而而表表现现磁磁滞滞现现象象。当当外外磁磁场场停停止止作作用用后后，磁磁畴畴的的某某种种排排列列被被保保留留下下来来，使使得得铁铁磁磁质质仍能保留磁性。仍能保留磁性。a）软磁材料）软磁材料b）硬磁材料）硬磁材料c）矩磁铁氧体材料）矩磁铁氧体材料不同铁磁性物质的磁滞回线有很大差异。图示三种铁磁不同铁磁性物质的磁滞回线有很大差异。图示三种铁磁材料的磁滞回线。材料的磁滞回线。HBHBHB3、铁磁质的分类、铁磁质的分类纳米尺度的磁畴纳米尺度的磁畴去掉外磁场仍保持剩余磁化强度和剩余磁感应强去掉外磁场仍保持剩余磁化强度和剩余磁感应强度度;B=u0H当当M（或或B）等于零时，等于零时，HC为矫顽力；为矫顽力；一个一个H值对应不只一个值对应不只一个B或或M，与磁化历史有关，与磁化历史有关（记忆功能）；（记忆功能）；软磁性与硬磁性材料由矫顽力而定；软磁性与硬磁性材料由矫顽力而定；磁滞损耗：一个周期消耗的能量由磁滞损耗：一个周期消耗的能量由磁滞回线的磁滞回线的面面积确定。积确定。将铁磁质加热到高于居里温度点：磁滞消失，其将铁磁质加热到高于居里温度点：磁滞消失，其铁磁性消失，转变为顺磁性。铁磁性消失，转变为顺磁性。磁滞回线：磁滞回线：自发磁化的微观理论 磁畴：磁畴：自发磁化区自发磁化区内磁矩排列整齐；内磁矩排列整齐；无外场无外场：许多磁畴的磁矩杂乱无章。：许多磁畴的磁矩杂乱无章。有外场有外场：磁畴的磁矩若与外场同方向，则磁畴：磁畴的磁矩若与外场同方向，则磁畴扩大；扩大；磁畴的磁矩若与外场反方向，则磁畴缩小。磁畴的磁矩若与外场反方向，则磁畴缩小。最终完全转向磁化方向即饱和。这是一种纯量最终完全转向磁化方向即饱和。这是一种纯量子力学效应。子力学效应。铁磁性起因简介铁磁性物质的磁化强度比顺磁性物质要大得多，其磁性起源于铁磁性物质的磁化强度比顺磁性物质要大得多，其磁性起源于电子的自旋。电子的自旋。对于一般的元素，每个原子内部电子所处的状态是使大多数电对于一般的元素，每个原子内部电子所处的状态是使大多数电子的自旋磁矩成对反向而抵消掉子的自旋磁矩成对反向而抵消掉.铁则不同，实验表明，在铁原子内部，差不多有两个电子的自铁则不同，实验表明，在铁原子内部，差不多有两个电子的自旋磁矩都排列在同一方向而使原子呈现磁矩；旋磁矩都排列在同一方向而使原子呈现磁矩；研究表明量子力学的效应使一些邻近的原子磁矩往往又取相同研究表明量子力学的效应使一些邻近的原子磁矩往往又取相同的方向，因为自旋磁矩取平行的方向对应的能量较低，所以在的方向，因为自旋磁矩取平行的方向对应的能量较低，所以在铁磁体内部的每个小区域里，自旋磁矩已排整齐，磁化达到饱铁磁体内部的每个小区域里，自旋磁矩已排整齐，磁化达到饱和，这种小区域称为和，这种小区域称为磁畴磁畴。无外磁场的作用下无外磁场的作用下，但各个磁畴的排列方向并，但各个磁畴的排列方向并不相同，由于各磁畴的磁化方向不同，整个介不相同，由于各磁畴的磁化方向不同，整个介质并不显示磁性。质并不显示磁性。在外磁场的作用下在外磁场的作用下，与磁场方向一致的磁畴处，与磁场方向一致的磁畴处在有利地位，于是这种磁畴扩大，磁畴的壁发在有利地位，于是这种磁畴扩大，磁畴的壁发生位移，当外磁场非常强时，还会发生磁畴的生位移，当外磁场非常强时，还会发生磁畴的转向。转向。磁畴壁的位移是跳变式的、不连续的。磁畴壁的位移是跳变式的、不连续的。无线电设备中，载流线圈中的铁心在磁化时出无线电设备中，载流线圈中的铁心在磁化时出现的磁畴跳动会造成一种噪声，这现象称为巴现的磁畴跳动会造成一种噪声，这现象称为巴克好森效应。克好森效应。去磁去磁 外场正负值之间反复变化外场正负值之间反复变化,同时使它同时使它的幅值逐渐变小的幅值逐渐变小,最后到零。最后到零。磁性材料分类磁性材料分类2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning is a trademark used herein under license.顺磁性和铁磁性材料顺磁性和铁磁性材料Vallet et al.J.Appl.Phys 92,6200(2002).MFM images at different lift height ofFe+Pt co-implanetd Al2O3,Annealed at 200 CFormation ofmagnetic domains 磁介质的结构磁介质的结构FerromagnetFe3O4It is one of the common oxides of iron(Fe3O4)and is also cubic,with iron in two valence states.NiCu alloyNi-(large blue spheres)and Cu-(small red spheres)atoms occupy the lattice sites of a 256-atom/unit cell model of a Ni-rich disordered NiCu alloy.The local Ni-site magnetic moment is distributed inhomogeneously,varying from a minimum of approximately 0.29 Bohr magnetons(short blue arrows)to a maximum of approximately 0.6 Bohr magnetons(long red arrows).If the magnetic moments or spins on the atoms are in opposite directions on the atomic scale,they also cancel,and the material is called an anti-ferromagnet.MnF2 is a simple example.Anti-ferromagnet2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning is a trademark used herein under license.The magnetic moments of the manganese ions in every other(111)plane are oppositely aligned.Consequently,Mn0 is antiferromagnetic.The crystal structure of Mn0问问 题题（1）巨磁阻及其应用）巨磁阻及其应用（2）磁畴及其成因磁畴及其成因（3）超导体的磁性及磁悬浮）超导体的磁性及磁悬浮作业：P2736.5,6.6,6.8,6.9
展开阅读全文