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1、第12章磁场中磁介质本讲稿第一页，共四十页 RI RI RI RI磁介质磁介质锰、铬、氮气锰、铬、氮气-银、铜、氢银、铜、氢.铁、钴、镍及其合金铁、钴、镍及其合金充有磁介质，充有磁介质，有三种情况有三种情况1）2）3）此种磁介质称此种磁介质称为为顺磁质顺磁质此种磁介质称此种磁介质称为为抗磁质抗磁质此种磁介质称此种磁介质称为为铁磁质铁磁质本讲稿第二页，共四十页（1）顺磁质）顺磁质（3）铁磁质）铁磁质（2）抗磁质）抗磁质根据根据 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 附加磁场附加磁场二二、分子电流与分子磁矩分子电流与分子磁矩分子磁矩分子磁矩轨道磁矩轨道磁矩自旋磁矩自旋磁
2、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本讲稿第三页，共四十页分子磁矩在外磁场中受到分子磁矩在外磁场中受到磁力矩磁力矩，使它向磁场方向，使它向磁场方向偏转，且按统计规律取向偏转，且按统计规律取向分子电流所对应的磁矩在分子电流所对应的磁矩在外磁场中的行为决定介质外磁场中的行为决定介质的特性。的特性。本讲稿第四页，共四十页轨道角动量与磁矩的关系：轨道角动量与磁矩的关系：电子磁矩受到力矩电子磁矩受到力矩角动量定理角动量定理绕磁场进动附加一磁矩绕磁场进动附加一磁矩 与外场与外场 反向。反向。本讲稿第五页，共四十页1、顺磁质、顺磁质分子的固有
3、磁矩不为零分子的固有磁矩不为零无外磁场作用时，由于分无外磁场作用时，由于分子的热运动，分子磁矩取子的热运动，分子磁矩取向各不相同向各不相同,整个介质不整个介质不显磁性。显磁性。三、三、磁化质的磁化质的顺磁性与抗磁性顺磁性与抗磁性本讲稿第六页，共四十页 有外磁场时，分子磁矩要受到有外磁场时，分子磁矩要受到一个力矩的作用，使分子磁矩转向一个力矩的作用，使分子磁矩转向外磁场的方向。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，顺磁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。质磁化结果，使介质内部磁场增强。本讲稿第七页，共四十页指出一点：附加磁矩指出一点：附加磁
4、矩 与与 相比要小得多，相比要小得多，相差两个数量级。因此磁介质中的相差两个数量级。因此磁介质中的磁场是加强了。磁场是加强了。（顺磁质）（顺磁质）本讲稿第八页，共四十页2、抗磁质、抗磁质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本讲稿第九页，共四
5、十页3.介质磁化的过程如下：介质磁化的过程如下：在外场中在外场中在外场中在外场中顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质本讲稿第十页，共四十页定义定义:磁化强度磁化强度四、四、磁化强度与磁化电流磁化强度与磁化电流Is磁化电流磁化电流 s沿轴线单位长度上的磁化电流沿轴线单位长度上的磁化电流（磁化面电流密度）（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。本讲稿第十一页，共四十页式中：式中：为磁化强度为磁化强度为介质表面外法线的单位矢。为介质表面外法线的单位矢。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
6、于穿过以的线积分，等于穿过以L为周界的任意曲面的磁化电流的代数和。为周界的任意曲面的磁化电流的代数和。本讲稿第十二页，共四十页S一一、磁介质中的高斯定理磁介质中的高斯定理通过磁场中任一闭合曲面的总磁通量为零通过磁场中任一闭合曲面的总磁通量为零磁介质中的高斯定理磁介质中的高斯定理12-2 12-2 介质中的磁场介质中的磁场介质中的磁场介质中的磁场 磁场强度磁场强度磁场强度磁场强度本讲稿第十三页，共四十页二、二、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）等于包围在环路内各
7、传导电流电线积分（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。流的代数和，而与磁化电流无关。单位单位：安培：安培/米米(A/m)本讲稿第十四页，共四十页几点说明：几点说明：1）是一辅助物理量，描述磁场的基本物理量是一辅助物理量，描述磁场的基本物理量 仍然是仍然是（名称张冠李戴了）名称张冠李戴了）2）的单位是的单位是A/m（SI制）制）3）是一普遍关系式，以可写成：是一普遍关系式，以可写成：本讲稿第十五页，共四十页三三 各向同性的磁介质各向同性的磁介质介质的磁导率介质的磁导率令：令：称为相对磁导率称为相对磁导率本讲稿第十六页，共四十页电介质中的电介质中的高斯定理高斯定理磁介
8、质中的磁介质中的安培环路定理安培环路定理本讲稿第十七页，共四十页 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间的关系称为相对磁导率称为相对磁导率磁导率磁导率本讲稿第十八页，共四十页例例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。单位长度上的的顺磁质。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：本讲稿第十九页，共四十页例例2 一无限长载流圆柱体，通有电流一无限长载流圆柱体，
9、通有电流I，设电流，设电流 I 均匀均匀分布在整个横截面上。柱体的磁导率为分布在整个横截面上。柱体的磁导率为，柱外为真空。，柱外为真空。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：IR本讲稿第二十页，共四十页在分界面上在分界面上H 连续连续,B 不连续不连续IR本讲稿第二十一页，共四十页练习练习 一磁导率为一磁导率为 1的无限长圆柱形直导线，半径为的无限长圆柱形直导线，半径为 R1，其中均匀地通有电流其中均匀地通有电流 I。在导线外包一层磁导率为。在导线外包一层磁导率为 2 的的圆柱形不导电的磁介质，其外半径为圆柱形不导电的磁介质，其外半径为 R2，
10、如图所示。求磁场，如图所示。求磁场强度和磁感应强度的分布。强度和磁感应强度的分布。2 1IR2R1本讲稿第二十二页，共四十页解：由安培环路定律解：由安培环路定律 2 1IR2R1本讲稿第二十三页，共四十页无限长直电流的磁场无限长直电流的磁场圆电流中心的磁场圆电流中心的磁场长螺线管电流中部的磁场长螺线管电流中部的磁场环形长螺线管中部的磁场环形长螺线管中部的磁场无限大均匀磁介质中磁场的毕无限大均匀磁介质中磁场的毕-沙伐定律沙伐定律本讲稿第二十四页，共四十页静电场与静磁场的比较静电场与静磁场的比较静电场静电场静磁场静磁场静磁场静磁场（稳恒磁场）稳恒磁场）稳恒磁场）稳恒磁场）对应量对应量对应量对应量高
11、斯定理高斯定理高斯定理高斯定理环路定理环路定理环路定理环路定理性质方程性质方程性质方程性质方程本讲稿第二十五页，共四十页测量磁滞回线的实验装置测量磁滞回线的实验装置0510 1520磁强计磁强计A测量测量H测量测量B 的探头的探头（霍尔元件）（霍尔元件）电阻电阻电流表电流表螺绕环螺绕环铁环铁环狭缝狭缝换换向向开开关关12-3 12-3 铁磁质铁磁质铁磁质铁磁质一一铁磁质的磁化规律铁磁质的磁化规律本讲稿第二十六页，共四十页1、磁化曲线磁化曲线磁强计磁强计测量测量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；由由 得出得出 曲线曲线铁磁质的铁磁质的 不一定
12、是个常数，不一定是个常数，它是它是 的函数的函数原理原理:励磁电流励磁电流 I;用安培定理得用安培定理得H05 10 1520磁强计磁强计磁强计磁强计A本讲稿第二十七页，共四十页铁磁质的磁化规律铁磁质的磁化规律铁磁质的磁化规律铁磁质的磁化规律BHo.1.2.c a.初始磁化曲线初始磁化曲线饱和磁感应强度饱和磁感应强度BssBsBsH.rBbrB剩余磁感应强度剩余磁感应强度.ccHcH矫顽力矫顽力.dsBcH.rBe磁磁 滞滞 回回 线线磁滞现象磁滞现象：B 滞后于滞后于 H 的变化的变化2、磁滞回线磁滞回线本讲稿第二十八页，共四十页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
13、强度磁滞回线磁滞回线剩剩 磁磁本讲稿第二十九页，共四十页B的变化落后于的变化落后于H，从而具有剩磁，从而具有剩磁，即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与磁与磁化的历史有关。化的历史有关。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。本讲稿第三十页，共四十页 （1）根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在）根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的很强的“交换耦合作用交换耦合作用”，使得在，使得在无外磁场无外磁场作用时，电
14、子作用时，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态的微小区域。到饱和状态的微小区域。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 示意图示意图二、二、铁磁质内的铁磁质内的铁磁质内的铁磁质内的磁畴磁畴结构结构本讲稿第三十一页，共四十页（2）在外磁场作用下，磁畴发生变化。分两步：在外磁场作用下，磁畴发生变化。分两步：A 外磁场较弱时，凡磁矩方向与外磁场相同或相外磁场较弱时，凡磁矩方向与外磁场相同或相近的磁畴都要扩大（畴壁向外移动）。近的磁畴都要扩大（畴壁向外移动）。B 外磁场较强时，每个磁畴的磁矩方向都程度不
15、外磁场较强时，每个磁畴的磁矩方向都程度不同地向外磁场方向靠拢（即取向）。同地向外磁场方向靠拢（即取向）。外磁场越强，外磁场越强，取向作用也越强。取向作用也越强。此上两种变化都导致单位物理小体积内磁矩矢量和（即此上两种变化都导致单位物理小体积内磁矩矢量和（即磁化强度磁化强度M从零逐渐增大，其方向与外场相同。外磁场从零逐渐增大，其方向与外场相同。外磁场越强，越强，M也越强，这便是起始磁化曲线的成因。也越强，这便是起始磁化曲线的成因。本讲稿第三十二页，共四十页当再加外磁场时，当再加外磁场时，M不再增加，磁化达到饱和。不再增加，磁化达到饱和。（3）畴壁的外移及磁畴磁矩的取向是不可逆的，畴壁的外移及磁畴
16、磁矩的取向是不可逆的，当外磁当外磁场减弱或消失时磁畴不按原来变化规律逆着退回原状。这场减弱或消失时磁畴不按原来变化规律逆着退回原状。这解释了磁滞的原因。解释了磁滞的原因。（4）既然既然磁畴起因于电子自旋磁矩的自发有序排列磁畴起因于电子自旋磁矩的自发有序排列，而热运动是有序排列的破坏者，因而当温度高于某一临界时，而热运动是有序排列的破坏者，因而当温度高于某一临界时，磁畴就不复存在，铁磁质就变为普通顺磁质。这一临界温度磁畴就不复存在，铁磁质就变为普通顺磁质。这一临界温度叫叫居里点居里点。本讲稿第三十三页，共四十页把一块有剩磁的铁磁质加热至居里点以上再冷却，其剩把一块有剩磁的铁磁质加热至居里点以上再
17、冷却，其剩磁会完全消失。磁会完全消失。顺磁性顺磁性 来自分子的固有磁矩。来自分子的固有磁矩。抗磁性抗磁性 起因于电子的轨道运动在外磁场作用的变起因于电子的轨道运动在外磁场作用的变化。化。铁磁性铁磁性 起因于电子自旋磁矩的自发有序排列。起因于电子自旋磁矩的自发有序排列。例如，铁的居里点是例如，铁的居里点是1043K。三种磁介质起因的比较三种磁介质起因的比较本讲稿第三十四页，共四十页显示磁畴结构的铁粉图形显示磁畴结构的铁粉图形本讲稿第三十五页，共四十页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本讲稿第三十六页，共四十页Si-Fe单晶单晶(001)面的面的磁畴结构磁畴结构箭头表示箭
18、头表示磁化方向磁化方向本讲稿第三十七页，共四十页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。本讲稿第三十八页，共四十页三三 铁磁质的应用铁磁
19、质的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）。饱和磁感应大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。饱和磁感应强度大，强度大，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还用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。芯、磁棒。(1)软磁材料软磁材料本讲稿第三十九页，共四十页(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，则脉冲产生脉冲产生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，锂锰铁氧体本讲稿第四十页，共四十页