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1、第12章磁场中的磁介质2022/9/171第1页，共26页，编辑于2022年，星期日11.1 11.1 磁介质的分类磁介质的分类磁介质的分类磁介质的分类磁介质磁介质能与磁场产生相互作用的物质能与磁场产生相互作用的物质磁化磁化磁介质在磁场作用下所发生的变化磁介质在磁场作用下所发生的变化（1）顺磁质）顺磁质（3）铁磁质）铁磁质（2）抗磁质）抗磁质（4）超导体）超导体根据根据 的大小和方向可将磁介质分为四大类的大小和方向可将磁介质分为四大类 附加磁场附加磁场磁导率磁导率描述不同磁介质磁化后对外原磁场的影响描述不同磁介质磁化后对外原磁场的影响2022/9/172第2页，共26页，编辑于2022年，星期
2、日11.211.2 顺磁质与抗磁质的磁化顺磁质与抗磁质的磁化分子磁矩分子磁矩轨道磁矩轨道磁矩自旋磁矩自旋磁矩电子绕核的轨道运动电子绕核的轨道运动电子本身自旋电子本身自旋等效于圆电流等效于圆电流分子电流分子电流1、顺磁质及其磁化、顺磁质及其磁化分子的固有磁矩不为零分子的固有磁矩不为零无外磁场作用时，由于无外磁场作用时，由于分子的热运动，分子磁分子的热运动，分子磁矩取向各不相同矩取向各不相同,整个介整个介质不显磁性。质不显磁性。分分子子磁磁矩矩2022/9/173第3页，共26页，编辑于2022年，星期日 有外磁场时，分子磁矩要受有外磁场时，分子磁矩要受到一个力矩的作用，使分子磁到一个力矩的作用，
3、使分子磁矩转向外磁场的方向。矩转向外磁场的方向。分子磁矩产生的磁场方向和外磁场方向一致，顺分子磁矩产生的磁场方向和外磁场方向一致，顺磁质磁化结果，使介质内部磁场增强。磁质磁化结果，使介质内部磁场增强。第4页，共26页，编辑于2022年，星期日2、抗磁质及其磁化、抗磁质及其磁化分子的固有磁矩为零分子的固有磁矩为零在外磁场中，抗磁质分子会产生附加磁矩在外磁场中，抗磁质分子会产生附加磁矩外磁场中电子的进动和附加磁矩2022/9/175第5页，共26页，编辑于2022年，星期日电子绕核的轨道运动电子电子绕核的轨道运动电子本身自旋本身自旋外磁场场作用下产生外磁场场作用下产生附加磁矩附加磁矩电子的附加磁矩
4、总是削弱外磁场的作用。电子的附加磁矩总是削弱外磁场的作用。抗磁性是一切磁介质共同具有的特性。抗磁性是一切磁介质共同具有的特性。总与外磁场总与外磁场方向方向反向反向2022/9/176第6页，共26页，编辑于2022年，星期日定义定义:磁化强度磁化强度11.311.3 磁化强度磁化强度 磁介质中的安培定理磁介质中的安培定理Is磁化电流磁化电流is沿轴线单位长度上的磁化电流（磁化面电流密度）沿轴线单位长度上的磁化电流（磁化面电流密度）磁化强度磁化强度M在量值上等于磁化面电流密度。在量值上等于磁化面电流密度。一、一、磁化强度和磁化电流磁化强度和磁化电流2022/9/177第7页，共26页，编辑于20
5、22年，星期日abcd取如图所示的积分环路取如图所示的积分环路abcda:磁化强度对闭合回路磁化强度对闭合回路L的线积分，等于穿过以的线积分，等于穿过以L为为周界的任意曲面的磁化电流的代数和。周界的任意曲面的磁化电流的代数和。二、磁场强度、二、磁场强度、磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理1、磁化强度与磁化电流的关系、磁化强度与磁化电流的关系2022/9/178第8页，共26页，编辑于2022年，星期日、磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理定义定义磁场强度磁场强度 在稳恒磁场中，磁场强度矢量沿任一闭合路径的线积在稳恒磁场中，磁场强度矢量沿任一闭合路径的线积分（即环流）等于包围在
6、环路内各传导电流电流的代数和，分（即环流）等于包围在环路内各传导电流电流的代数和，而与磁化电流无关。而与磁化电流无关。单位单位：安培：安培/米米(A/m)2022/9/179第9页，共26页，编辑于2022年，星期日3、磁场强度、磁感应强度的关系、磁场强度、磁感应强度的关系介质的磁导率介质的磁导率2022/9/1710第10页，共26页，编辑于2022年，星期日电介质中的电介质中的高斯定理高斯定理磁介质中的磁介质中的安培环路定理安培环路定理2022/9/1711第11页，共26页，编辑于2022年，星期日 称为相对电容率称为相对电容率或相对介电常量或相对介电常量之间的关系之间的关系之之间的关系
7、间的关系称为相对磁导率称为相对磁导率磁导率磁导率2022/9/1712第12页，共26页，编辑于2022年，星期日例例1 一环形螺线管，管内充满磁导率为一环形螺线管，管内充满磁导率为，相对磁导率为，相对磁导率为r的顺磁质。环的横截面半径远小于环的半径。单位长的顺磁质。环的横截面半径远小于环的半径。单位长度上的导线匝数为度上的导线匝数为n。求：环内的磁场强度和磁感应强度求：环内的磁场强度和磁感应强度解：解：2022/9/1713第13页，共26页，编辑于2022年，星期日例例2 一无限长载流圆柱体，通有电流一无限长载流圆柱体，通有电流I，设电流，设电流 I 均均匀分布在整个横截面上。柱体的磁导率
8、为匀分布在整个横截面上。柱体的磁导率为，柱外为真，柱外为真空。空。求：柱内外各区域的磁场强度和磁感应强度。求：柱内外各区域的磁场强度和磁感应强度。解：解：IR2022/9/1714第14页，共26页，编辑于2022年，星期日在分界面上在分界面上H 连续连续,B 不连续不连续IR2022/9/1715第15页，共26页，编辑于2022年，星期日1、磁化曲线磁化曲线装置装置：环形螺绕环环形螺绕环;铁磁质铁磁质Fe,Co,Ni及及稀钍族元素的化合物，能被强烈地磁化稀钍族元素的化合物，能被强烈地磁化实验测量实验测量B,如用感应电动势测量如用感应电动势测量或用小线圈在缝口处测量；或用小线圈在缝口处测量；
9、由由 得出得出 曲线曲线铁磁质的铁磁质的 不一定是个常数，不一定是个常数，它是它是 的函数的函数11.4 11.4 铁磁质（自学）铁磁质（自学）铁磁质（自学）铁磁质（自学）原理原理:励磁电流励磁电流 I;用安培定理得用安培定理得H2022/9/1716第16页，共26页，编辑于2022年，星期日初始磁初始磁化曲线化曲线.矫顽力矫顽力饱和磁感应强度饱和磁感应强度磁滞回线磁滞回线剩剩 磁磁2、磁滞回线磁滞回线2022/9/1717第17页，共26页，编辑于2022年，星期日B的变化落后于的变化落后于H，从而具有剩磁，即，从而具有剩磁，即磁滞效应磁滞效应。每个。每个H对应不同的对应不同的B与磁化与磁
10、化的历史有关。的历史有关。磁滞回线磁滞回线-不可逆过程不可逆过程在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高的在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高的磁滞损耗磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。与磁滞回线所包围的面积成正比。铁磁体于铁电体类似；在交变场的作用下，它的形状铁磁体于铁电体类似；在交变场的作用下，它的形状会随之变化，称为会随之变化，称为磁致伸缩磁致伸缩（10-5数量级）它可用做数量级）它可用做换能器，在超声及检测技术中大有作为。换能器，在超声及检测技术中大有作为。2022/9/1718第18页，共26页，编辑于2022年，星期日3 3、磁、磁 畴畴 根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间
11、存在很强的根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的“交换耦合作用交换耦合作用”，使得在无外磁场作用时，电子自旋磁，使得在无外磁场作用时，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列，形成自发磁化达到饱和状矩能在小区域内自发地平行排列，形成自发磁化达到饱和状态的微小区域。态的微小区域。这些区域称为这些区域称为“磁畴磁畴”多晶磁畴结构多晶磁畴结构 示意图示意图2022/9/1719第19页，共26页，编辑于2022年，星期日显示磁畴结构的铁粉图形显示磁畴结构的铁粉图形2022/9/1720第20页，共26页，编辑于2022年，星期日纯铁纯铁硅铁硅铁钴钴三种铁磁性物质的磁畴三种铁磁性物质的磁畴20
12、22/9/1721第21页，共26页，编辑于2022年，星期日Si-Fe单晶单晶(001)面的面的磁畴结构磁畴结构箭头表示箭头表示磁化方向磁化方向2022/9/1722第22页，共26页，编辑于2022年，星期日临界温度临界温度(铁磁质的居里点铁磁质的居里点)每种磁介质当温度升高到一定程度时，由高磁导每种磁介质当温度升高到一定程度时，由高磁导率、磁滞、磁致伸缩等一系列特殊状态全部消失，而率、磁滞、磁致伸缩等一系列特殊状态全部消失，而变为顺磁性。变为顺磁性。不同铁磁质具有不同的转变温度不同铁磁质具有不同的转变温度如：铁为如：铁为 1040K，钴为，钴为 1390K，镍为镍为 630K 用磁畴理论
13、可以解释铁磁质的磁化过程、磁滞现象、用磁畴理论可以解释铁磁质的磁化过程、磁滞现象、磁滞损耗以及居里点。磁滞损耗以及居里点。2022/9/1723第23页，共26页，编辑于2022年，星期日3.有剩磁、磁饱和及磁滞现象。有剩磁、磁饱和及磁滞现象。铁磁质的特性铁磁质的特性铁磁质的特性铁磁质的特性2.有很大的磁导率。有很大的磁导率。放入线圈中时可以使磁场增强放入线圈中时可以使磁场增强102 104倍。倍。4.温度超过居里点时，铁磁质转变为顺磁质。温度超过居里点时，铁磁质转变为顺磁质。1.磁导率磁导率不是一个常量，它的值不仅决定于原线不是一个常量，它的值不仅决定于原线 圈中的电流，还决定于铁磁质样品磁
14、化的历史。圈中的电流，还决定于铁磁质样品磁化的历史。B 和和H 不是线性关系。不是线性关系。2022/9/1724第24页，共26页，编辑于2022年，星期日4、铁磁质的分类及其应用、铁磁质的分类及其应用软磁材料作变压器的。软磁材料作变压器的。纯铁，硅钢坡莫合金纯铁，硅钢坡莫合金(Fe，Ni)，铁氧体等。，铁氧体等。r大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。饱和磁感应强大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。饱和磁感应强度大，度大，矫顽力矫顽力(Hc)小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小（HdB面积小）。面积小）。还用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、还用于继电器
15、、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。磁棒。(1)软磁材料软磁材料2022/9/1725第25页，共26页，编辑于2022年，星期日(2)硬磁材料硬磁材料作永久磁铁作永久磁铁钨钢，碳钢，铝镍钴合金钨钢，碳钢，铝镍钴合金(3)矩磁材料矩磁材料作存储元件作存储元件Br=BS ，Hc不大，磁滞回线是矩形。不大，磁滞回线是矩形。用于用于记忆元件记忆元件，当，当+脉冲产生脉冲产生HHC使磁芯呈使磁芯呈+B态，则态，则脉脉冲产生冲产生H102A/m)，剩磁剩磁Br大大磁滞回线的面积大，损耗大。磁滞回线的面积大，损耗大。还用于磁电式电表中的永磁铁。还用于磁电式电表中的永磁铁。耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。锰镁铁氧体，锂锰铁氧体锰镁铁氧体，锂锰铁氧体2022/9/1726第26页，共26页，编辑于2022年，星期日