电磁转换与磁现象

“1”
“0”
读出原理：磁头的线圈扫过磁化的磁粉层，切 割磁感线产生感应电动势，感应电动势有正有 负，对应于信号“0”或“1”。
●磁性随机存储器
磁层1 结构: 记录介质 非磁层 磁层2
原理:
不同电子自旋排列表示“0”和“1”
Write “ 0 ”
Write “ 1 ”
优点：断电时存储的信息不丢失
FM(NiFe) (Al-O)
感应电动势的方向
D Φ ei = D t
dΦ ei = dt
B
线圈上 移，穿 过线圈 的磁通 量减少， 感应线 圈产生 的磁通 量要补 偿这个 减少。
B
N
N
“楞次定律”所涉及的是变化的磁场 与感应电流的磁场之间的相互关系， 是一种“动态场”，并且“静到动” 是一个认识上大的飞跃。在中学课程 教学中是个难点。
地磁场
1
“电磁转换”的认识-从中学到大学
Q1：电与磁的理论框架与知识体系？

1.1 电生磁(电流产生磁场)
静电
静磁
电生磁 磁生电
电流的磁效应
通电导线能够使小磁针发生偏转
电流的磁效应：电流通过导体时导体 周围存在磁场的现象(奥斯特实验)
物理本质是：电流能在其周围产生磁场
I
o
R
l
螺线管产生磁场
◎运动电荷在磁场中的受力——洛伦兹力 大小： F ¢= qvB 方向：右手定则 × × ×q × × × × × × × × v × × B × F’ × ×
F’、v、B之间是正交的。
B
任意情况下带电粒子在磁场中运 动时所受的力？-大学课程
32
磁感强度大小
Fmax B= qv
Fmax
运动电荷在磁场中受力
--它是产生磁性的基础
3d过度金属的电子结构-原子磁矩（净自旋）
元 素 原子序 21 数 元素名 Sc 磁性 电 子 的 壳 层 结 构 顺 22 Ti 顺 3d2 4s2 23 V 顺 3d3 4s2 24 Cr 反 3d5 4s1 25 Mn 反 3d2 4s2 26 Fe 铁 3d6 4s2 27 Co 铁 3d7 4s2 28 Ni 铁 3d8 4s2 29 Cu 反 3d10 4s1 30 Zn 反 3d10 4s2
磁极(N和S极)
◎物质磁性的起源：
之一：安培假说
分子电流
S
N
一个分子电流相对于一个基元磁铁
磁现象的本质是电荷的运动
Bo
磁化电流
物质的磁性主要来源于组成物质中原子的磁性:
1- 原子中外层电子的轨道磁矩（电子的电荷特性）
2- 电子的自旋磁矩（电子的自旋特性）
μl
μs
i
S
原子磁矩：
μ
=
μl
+μ s
1 m ?v 2 2 mv 2 ② qvB = r q鬃 B r ③m= v
霍尔效应
一块长为l、宽为b、厚为d的半 导体薄片置于磁感应强度为B的 磁场(磁场方向垂直于薄片)中。 如图所示。当有电流 I 流过时， 在垂直于电流和磁场的方向上将 产生电动势UH。这种现象称为 霍尔效应。所产生的电动势称为 霍尔电动势。 霍尔式传感器是由霍尔元件所 组成。
第一代稀土永 磁；二十世纪 六十年代 二十世纪七十 年代;第二代稀 土永磁
铁基稀土永磁型 Nd 2 Fe 14 B 合金为代表 的Re-Fe-B系永磁材料
二十世纪八十年 代称为第三代稀 土永磁材料。
总结：
从磁现象到磁本质的认识-从 中学到大学
Q4：关于电与磁中学与大学知识的区别与联系？
3
磁的应用与现代磁学新进展
理论

1865年前后，麦克斯韦在奥斯特、法拉第 等人实验工作的基础上关于场的概念，提 出了著名的电磁场理论。在这个理论中， 他不仅预言了电磁波的存在，而且预见了 光也是一种电磁波。麦克斯韦方程把电、 磁和光三者结合在一起，其方程的对称和 完善备受人们赞尝，具有划时代的意义。
实验
20年后，赫兹的实验证实了电磁波的 存在，并证实了它的传播速度就是光 速，从而有力地证实了麦克斯韦的电 磁场理论。
控制电流
q ?U H / b
B鬃 q v
1.4 关于“实验——理论——实验——理 论……”的一般物理学发展模式的认识 每一个物理学的学科分支，大多数都是先从物理 现象或实验事实开始，通过逻辑推理提出一定的物 理学模型，以解释已有的实验事实，然后拓展实验 的范围验证该物理模型的合理性，其中可能出现一 些新的现象和实验结果，又要反过来修正物理理论， 如此循环发展，使理论不断完善。
麦克斯韦方程组-“磁电转换”的本质认识 麦 克 斯 韦 电 磁 场 方 程 的 积 分 形 式
D ? d s 蝌 S
蝌 l E ?dl
B ? d s 0 ò S
¶ B （磁生电） - S ?ds ¶t
（静磁）
（静电） r d V = q å V
蝌 l H ?dl
总结： ●从简单到复杂-直线到任意形状
●引入微积分—(△→d)（高等数学）
●关于“实验——理论——实验—— 理论……”的一般物理学发展模式 的认识。
Q3：你对“实验——理论——实验—— 理论……”的一般物理学发展模式的理解？
2
“磁”的认识

磁与磁场的描述
N
S
条形磁铁周围的磁场 铁屑显现磁场分布
只要外加的正向脉冲电流(即外加磁 场)幅度足够大，那么在电流消失后 磁感应强度B并不等于零，而是处 在+Br状态(正剩磁状态，规定 “1” 状态)。 当外加负向脉冲电流时，磁感应强 度B将处在-Br状态(负剩磁状态， 规定 “0”状态)。 磁性材料上呈现剩磁状态的地方形 成了一个磁化单元或存储元，它是 记录一个二进制信息位的最小单位。
¶D ( jc + ) ?ds （电生磁） S ¶t
结论之一：
B
¶ B >0 ¶ t
¶ D >0 ¶ t
变化的磁场产 生涡旋的电场
变化的电场产 生涡旋的磁场
结论之二：预言了电磁波的存在
Q2：麦克斯韦方程美在哪里？
1.3 磁场中电流和电荷的受力
安培力实验
为什么?
●磁场中电流受到的力——安培力 大小：
力学
微波电 子学
磁流体 力学 原子核 磁学
原子核 物理学 基本粒 子物理
电力学
微波磁 力学 磁电力学 岩石磁学
磁学
天体磁学
基本粒 子磁学
磁化学 地球磁学
岩石学
生物磁学
化学
地球物 理学
生物学 天文学

3.1磁记录与磁存储
◎磁盘磁记录
磁记录原理简化图

记录原理：变化的磁场将磁盘片上的磁粉层 磁化，小颗粒的磁畴有序排列。当电流消失 之后，磁记录介质的磁粉层处于剩磁状态。
S1
S2
巨磁电阻效应
NM(Cu(001) ) FM(Co(001))
上下自旋平行时电子容易通过--低电阻态（0状态） 上下自旋反平行时电子被散射—高电阻态（1状态）
磁性存储器
巨磁阻硬盘磁头
由此产生一门新兴学科------自旋电子学
F = BIl
I B F
方向：左手定则
适用范围：在匀强磁场中， 通电导线与磁场方向垂直。
手心向内，磁场由手 心指向手背，四指指 向电流方向，大拇指 代表导线受力方向
dF = I B ? dl
×
×
任意形状的导体在电流作用下都会受到 安培力的作用。作用力等多少？需要积 分。最简单的是直线情况。
壳层结 3d 构 4s2 3d电子 数及自 旋排布 4s壳层 2 电子数
2
2
1
2
2
2
2
1
2
原子壳层结构：1s22s22p63s23p63d104s24p64d
104f16
物质磁性分类的原则
A.是否有固有原子磁矩？ B.是否有相互作用？ C.是什么相互作用？ 1. 抗磁性：没有固有原子磁矩 2. 3. 顺磁性：有固有原子磁矩，没有相互作用 铁磁性：有固有原子磁矩，直接交换相互作用
电磁转换ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ磁现象
黄志高 福建师范大学物理与能源学院
1 2
3
4
“电磁转换”的认识 “磁”的认识 磁的应用与现代磁学 新进展
司南
指南车
动物的奥秘-磁颗粒的存在与作用
(鸽子，海豚，石鳖，蜜蜂，人的大脑)
脑磁图测量仪 --500万个纳米磁性颗粒与人类记忆的关系？
最新科技： 脑记忆与脑成像？
2008年，美国科学家利用电脑模型和一种实时功能 核磁共振成像扫描仪 ，成功对脑神经信号进行解码， 并确定了一个人刚刚看到的图片，成功率达80%以上。
4.
5.
反铁磁性：有原子磁矩，直接交换相互作用
亚铁磁性：有原子磁矩，间接交换相互作用
物质磁性：
+
固有原子磁矩+相互作用=自旋有序化排列
一些典型的铁磁性材料
稀 土 永 磁 合 金
Re-Co永 磁 稀 土 Co永磁
1 : 5 型 Re - C o 磁体SmCo5单 相与多相合金 2:17 型 Re-Co 磁 体 Sm2Co17基合金
以上结果对任意形状的 闭合电流（伸向无限远 的电流）均成立.
n B dl 0 Ii L i 1
l
安培环路定理
合路径的积分的值，等于 围的各电流的代数和.
即在真空的稳恒磁场中，磁感应强度 B 沿任一闭
0 乘以该闭合路径所包
1.2 磁生电（磁场产生电流）
法拉第电磁感应定律 1831年，法拉第发现：磁场能产生电流 法拉第电磁感应定律：电路中感应电动势的大小 与穿过这一电路磁通量的变化率成正比