第16章物质的磁性-reduced

第16章物质的磁性前面两章讨论了真空中磁场的规律，本章我们将讨论磁场中的物质和磁场相互作用的规律。1内容§16.1磁介质及其分类§16.2有磁介质时磁场的规律§16.3铁磁质2§16.1磁介质及其分类

一、磁介质的分类

从电磁学角度看，原子、分子在总体上可以等效为一微小环形电流，而环形电流的磁性质可用磁矩来表示，这样，所有由原子和分子组成的物质都具有磁性.1、物质磁性的概述构成物质的原子和分子中的电子有两种运动：a.绕核的轨道运动——轨道磁矩b.电子的自旋——自旋磁矩3由于不同物质的原子所包含的电子数目不同，电子所处的状态不同，所以由轨道磁矩和自旋磁矩合成的分子磁矩也不同。所以分子磁矩决定了物质的磁性。对于分子磁矩不为0的物质，其分子磁矩可以看成是由一个分子电流（环形电流）产生的。由于磁单极不存在，所以磁偶极子是研究物质磁性的基本单元，其磁矩或分子磁矩为：分子电流

磁偶极子4根据磁介质的磁化机制分为：顺磁质；抗磁质；铁磁质（1）顺磁质对于顺磁质来说，是其分子磁矩不为零的磁介质即：2、磁介质的磁化和分类前知

磁介质是能够对磁场发生影响的物质5顺磁质磁化微观机制B0真空中介质的分子磁矩(分子中的电子自旋和绕核运动B无外场,磁矩随机取向,相互抵消.顺磁质的磁化微观机制0B0BB施加,顺磁质的与同向.,6如：Mn，Cr，O2，Al特点：总磁场附加磁场与外磁场方向相同，外磁场越强，附加磁场越强；当外磁场去掉时，又恢复原来的状态；附加磁场较弱。7对于抗磁质来说，虽然原来分子磁矩为零（m＝0），但在外磁场作用下出现了附加磁矩，并总是沿与外磁场相反的方向排列起来，因而也显示出宏观磁性，这就是抗磁质的磁化。(2)抗磁质8抗磁质磁化微观机制B0真空中抗磁质的磁化微观机制B抗磁质的电子磁矩矢量和近乎零.(顺磁质亦有此效应,其影响相对较小).0B0BB施加,引起感应分子电流(无阻),所形成的与反向.9如：汞、铜、铋、氢、氯、银、锌和铅等特点：总磁场

附加磁场与外磁场方向相反，外磁场越强，附加磁场越强；当外磁场去掉时，又恢复原来的状态；附加磁场较弱。10（3）铁磁质如：铁、钴、镍和它们的合金，稀土钴合金，钕-铁-硼以及各种铁氧体等都属于此类。铁磁质的分子磁矩不等于零。就单个分子而言，与顺磁质没有区别，但构成晶体后，此类物质的分子磁矩之间存在一种作用——交换作用。无外磁场时也能使分子磁矩平行排列，抵制热运动的破坏，宏观上显示出很强的磁性。11磁化强度矢量表征宏观磁性,定义为单位体积内分子磁矩的矢量和式中是体积内的分子磁矩或分子感生磁矩的矢量和。二、磁介质的磁化强度

磁化强度矢量是反映和描述磁介质的磁化状态和磁化程度的物理量。磁介质在一定温度和一定外磁场下，都将表现出一定的宏观磁性，这就是磁化(magnetization)

。12如果磁介质中各处的磁化强度的大小和方向都一致就称均匀磁化。在国际单位制中,磁场强度和磁化强度的单位都是Am-1。顺磁质：M的大小很小，方向与外场的方向相同；抗磁质：M的大小很小，方向与外场的方向相反；铁磁质：M的大小很大，方向与外场的方向相同。13在磁介质内任意一点上总有成对且方向相反的分子电流通过，效果上互相抵消，但在磁介质边缘表面形成大的环形电流，称磁化电流（束缚电流）。三、磁化的磁介质内的磁化电流14磁化电流B0表面形成磁化电流磁化电流l磁化电流I’

内部分子电流抵消15顺磁质磁化电流的方向与螺线管中的传导电流的方向相同，抗磁质相反。在磁化的磁介质内任意点B=B0+B，对于顺磁质B与B0方向相同，因而B>B0；对于抗磁质，B与B0方向相反，因而B<B0。II’I四、磁化的磁介质内的磁感应强度16把附加磁场看作单位长度上电流为i的长直螺线管在其内部产生的磁场，B=0i=0

M

以长度为l的长直螺线管为例，传导电流为I0。其内充满磁介质，长度为l，横截面积为S，磁化后表面单位长度的磁化电流为i(表面的总磁化电流为I=il)，总磁矩磁介质磁化强度大小I0五、磁感应强度与磁化强度的关系17对于任何磁介质，B的方向总与M方向一致，写为矢量形式螺线管内部磁介质任一点,B0可由传导电流I0和螺线管的绕组密度n求得。18六、磁化强度与磁化电流的关系

电介质极化后出现的极化强度和极化电荷(极化电荷面密度)是同一物理现象的不同描述。介质磁化后磁化强度M，同时介质表面出现磁化电流I

，二者是同一物理现象的不同表现。设磁介质内每个分子具有相同分子电流i,分子电流所包围的面积都是a，则每个分子磁矩为：（在介质内每个分子磁矩都平行排列）MndlLSBA19MndlLSBA设：磁介质单位体积内的分子数为n，则介质的磁化强度为在磁介质中任取一曲面S，设其边界为L。现在求出由于磁化通过任意曲面S的磁化电流强度I’与M的关系：对I’

有贡献的分子电流：环绕L的分子电流因此，求出环绕L的分子个数，再乘以分子电流的值便可求出I’。20取线元dl为轴a为底作一柱体，底面与dl夹角,柱体积：d=acosdl=adl,分子电流数目：nd

=nadl，环绕dl的分子电流:MndlLSBA磁化强度与磁化电流的普遍关系。环绕L的分子电流21在磁化强度为M的介质表面取一矩形环路abcda，

Mcos=Mt是磁化强度沿介质表面的切向分量，得到重要关系Mt=j

或者Mn=j

定义介质表面单位长度的磁化电流为磁化电流密度j

介质表面磁化电流密度只决定于磁化强度沿该表面的切向分量,与法向分量无关。bacdlMn表面2223§16.2有磁介质时磁场的规律

一、有介质时磁场的安培环路定理二、环路定理的应用举例三、磁场的界面关系*静磁屏蔽考虑到磁化电流，（1）式则需要修改。真空中的规律24j0为传导电流密度，S以L为边界的曲面。上式是有磁介质存在时的安培环路定理，安培环路定理的普遍形式。引入磁场强度H与在静电场中存在电介质时引入辅助量电感应强度D的情形极为相似。

磁场强度矢量

一、有介质时磁场的安培环路定理1、磁介质的安培环路定理252、磁化率和磁导率实验表明：各向同性的顺磁质和抗磁质M=mHm称为磁介质的磁化率，是描述磁介质性质的物理量。其中，磁介质的相对磁导率26：磁介质的绝对磁导率顺磁质m

>0(～10-5-10-4)，r>1抗磁质m<0（～10-6-10-5），r<1铁磁质，m（106）和真空中m=0,

r=1,=0,于是B=

0H

273.磁介质中的高斯定理由于磁化电流和传导电流在产生磁效应上没有本质的区别，磁感应线都是闭合曲线，因此，2829

二、环路定理的应用举例解题步骤：(1)根据传导电流的分布，利用安培环路定理的普遍形式求出磁场强度矢量H；(2)根据H与B的关系，求出磁感应强度B；(3)由各向同性非铁磁介质的性质M=mH，求出磁介质中的磁化强度M。30例1：在相对磁导率r=1000的磁介质环上均匀绕着线圈,单位长度上的匝数为n=500m-1，通电流I=2.0A。求磁介质环内的磁场强度H、磁感应强度B和磁化强度M。解：利用安培环路定理可求得磁介质内的磁场强度H取介质环的平均周长(半径为r)为积分路径，得2rH=

2rnI31环内的磁场强度：H=nI=5002.0Am1=1.0103Am-1，B=0

r

H=410-71031.0103T=1.2T根据32例题2有一无限长螺线管，其中充塞着相对磁导率为r的各向同性的均匀顺磁介质，螺线管单位长度的线圈匝数为n，所通电流为I。求管内介质中的磁场强度H、磁感应强度B和磁化强度M。

解：磁介质充满整个无限长螺线管内部，具有所要求的对称性，用安培环路定理求解。在这样的螺线管内的磁场是匀强磁场，磁感应强度B0的方向与管轴平行，假设其指向为自左向右。33即在以上四项积分中，后三项等于零，第一项可以积分，并等于，故得H的方向自左向右(1)作矩形闭合回路abcda，其中ab与管轴线平行，并处于螺线管的内部，cd处于螺线管外部，bc和da与管轴线垂直。在这个闭合回路中，包围的电流的代数和为，根据安培环路定理，应有34(2)对于各向同性的顺磁介质，下面的关系成立：并且

r>0，所以B的方向与H的方向相同

另外，也可以由B0求B。B0为螺线管内为真空时的磁感应强度，已有：B0的方向由右手定则确定，我们已经假设自左指向右。在满足所要求对称性的情况下，磁介质内的磁感应强度可以表示为35(3)根据各向同性的均匀非铁磁介质的性质，M与H成正比，故得也可以根据H的定义求M：M的方向：对于顺磁质，m

>0，

r>1，所以M的方向与H的方向相同，即自左向右；对于抗磁质m<0，

r<1，所以M的方向与H的方向相反，即自右向左。36B线进入铁磁质后其偏离法线非常大，使B线强烈地聚集在磁介质内，这就是所谓的“磁感应线沿铁走”和“磁屏蔽”特别是对于铁磁质，在实际应用中，精密探头、显像管等都需要磁屏蔽。把磁导率不同的磁介质放在磁场中，在介质交界面上磁场会发生突变，磁感应强度大小和方向都要发生变化而引起磁感线折射。这时磁感线对界面法线的偏离很大，产生强烈的收缩。磁屏蔽37对于铁、钴、镍等元素以及它们与其他元素组成的合金，即使在弱磁场的作用下也可以使磁偶极子的排列达到很高的整齐程度，而且在外磁场停止作用后，仍保持磁化状态。这类物质称为铁磁质。

一、自发磁化强度自发磁化：在没有外磁场作用的情况下，分子磁矩已经自发地定向排列起来了自发磁化对应一定的磁化强度，称为自发磁化强度

§16.3铁磁质381、原子磁矩自发地定向排列，是电子自旋之间的一种静电相互作用引起的，这种相互作用称为交换作用。交换作用是一种量子效应，在经典范围内不存在与之相对应的概念。我们只要知道，交换作用导致原子磁矩平行排列就够了。2、正因为铁磁质存在自发磁化的性质，所以一般铁磁体在不太强的磁场作用下就很容易达到磁化饱和状态。39二、居里温度温度超过某一临界温度时，交换作用不足以克服热运动作用，铁磁质自发磁化强度将消失。这个临界温度称为铁磁质的居里温度或居里点。铁磁质处于居里温度以上铁磁性转变为顺磁性。

2413690K钆钴铁鎳114K31K23K()C1140769C853C02C40三、铁磁质内的磁畴结构每个小区域内原子或离子磁矩平行排列，而各磁畴取向平均抵消，因而整个铁磁体对外不显示磁性。在无外磁场作用的条件下，铁磁质中自旋磁矩可以在小范围内“自发地”分裂为很多小区域称为磁畴磁畴近代科学证明，铁磁质的磁性主要来源于电子的自旋磁矩。41纯铁硅铁钴磁畴可用金相显微镜和偏振光显微镜观测。42Si-Fe单晶(001)面的磁畴结构箭头表示磁化方向0.1mm43H0HHHH

各磁畴磁化方向混乱，整体不显磁性.畴壁运动

磁畴的自发磁化方向与外场方向相同或相近的磁畴体积扩大,反之缩小.磁畴壁发生运动.磁畴转向

磁畴的自发磁化方向转向外场方向.饱和

全部磁畴方向均转向外场方向.铁磁体将通过两种途径实现磁化（畴壁运动和磁畴转向）。44如果磁化达到饱和后再撤除外磁场，铁磁体将重新分裂为很多磁畴，但每个磁畴状况和磁化强度取向，并不恢复到原先没加外磁场的情形。这就使铁磁质的磁化过程表现出不可逆性。

四、磁滞