2005.4 北京大学物理学院王稼军编
各种磁介质 p286 4-28,37,38
? 磁介质分类
? 弱磁性：顺磁质、抗磁质
? 强磁性：铁磁质
? 一般有两类分子 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
抗磁质
顺磁质
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
抗磁质
? 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
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
分子磁矩的由来
? 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
? 电子轨道磁矩
nm iSl ? ?
?
? 22
e
r
ev
T
ei ??????
eLl m
e Lm
2??
与 角动量方向相反
?电子自旋磁矩
Sm meS ??
?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
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
外磁场对电子轨道运动的影响 p240
? 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 )
? 求无外磁场时的角速度 ?0(电子只受库仑力）
?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
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r
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02
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0
2
24
洛伦兹力远小
于库仑力, 高
阶无穷小, 略
m
eB
2
0?? ?
?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
?电子角速度改变将引起电子磁矩改变
0
222
42 Bωm m
reer ??????
总是与外
磁场方向
相反
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
? 当介质处于磁场中时，每个电子磁矩都受到
磁力矩的作用
成任何角度B与0?
0BmM ??B
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铁磁质
?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
? 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
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
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
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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。
? 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 p245，算 电源要抵抗感应电动势做功
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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
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周长
H d BVdAda ??
积”磁滞回线所包围的“面??? ??
磁滞回线磁滞回线
H d Bdaa
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
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
? 单晶和多晶磁畴结构的示意
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
磁化过程示意
? 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
等于每个磁畴中
原有的磁化强度
?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
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
磁
畴
? 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
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
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
宏观铁磁体的尺寸减小到介观尺度
? 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 。
? 磁性液体：用表面活性剂处理过的超细磁性微粒
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
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
磁性材料的分类及其应用
? 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
? 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 。
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
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
?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
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
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
? 磁电阻材料
? 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)
? 磁电阻材料 (MR)：
? 巨磁电阻效应（简称 GMR）
? 超巨磁电阻材料
? 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
%6%2~/ ?? RR
%50/ ?? 达到RR
63 10~10~/ RR?
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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 太阳风暴 2
各种磁介质 p286 4-28,37,38
? 磁介质分类
? 弱磁性：顺磁质、抗磁质
? 强磁性：铁磁质
? 一般有两类分子 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
抗磁质
顺磁质
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
抗磁质
? 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
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
分子磁矩的由来
? 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
? 电子轨道磁矩
nm iSl ? ?
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与 角动量方向相反
?电子自旋磁矩
Sm meS ??
?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
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外磁场对电子轨道运动的影响 p240
? 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 )
? 求无外磁场时的角速度 ?0(电子只受库仑力）
?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
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洛伦兹力远小
于库仑力, 高
阶无穷小, 略
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?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
?电子角速度改变将引起电子磁矩改变
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总是与外
磁场方向
相反
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
? 当介质处于磁场中时，每个电子磁矩都受到
磁力矩的作用
成任何角度B与0?
0BmM ??B
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
铁磁质
?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
? 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
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
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
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
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。
? 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 p245，算 电源要抵抗感应电动势做功
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
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
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V H d BS l H d BN S d B
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积”磁滞回线所包围的“面??? ??
磁滞回线磁滞回线
H d Bdaa
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
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
? 单晶和多晶磁畴结构的示意
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
磁化过程示意
? 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
等于每个磁畴中
原有的磁化强度
?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
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
磁
畴
? 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
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
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
宏观铁磁体的尺寸减小到介观尺度
? 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 。
? 磁性液体：用表面活性剂处理过的超细磁性微粒
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
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
磁性材料的分类及其应用
? 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
? 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 。
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
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
?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
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
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
? 磁电阻材料
? 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)
? 磁电阻材料 (MR)：
? 巨磁电阻效应（简称 GMR）
? 超巨磁电阻材料
? 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
%6%2~/ ?? RR
%50/ ?? 达到RR
63 10~10~/ RR?
2005.4 北京大学物理学院王稼军编
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 太阳风暴 2
