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1、物理下 第十一章 磁介质2022/12/2第1页，本讲稿共26页原子中电子参与的两种运动：原子中电子参与的两种运动：自旋自旋自旋磁矩自旋磁矩 绕核的轨道运动绕核的轨道运动轨道磁矩轨道磁矩 磁介质的磁化磁介质的磁化分子电流和分子磁矩在外磁场中的行为分子电流和分子磁矩在外磁场中的行为固有分子磁矩固有分子磁矩分子电流分子电流向磁场方向偏转，且按统计规律取向向磁场方向偏转，且按统计规律取向(顺磁顺磁)分子磁矩在外磁场中会产生变化产生附加磁矩分子磁矩在外磁场中会产生变化产生附加磁矩(抗磁抗磁)。2022/12/2第2页，本讲稿共26页电子的拉莫进动电子的拉莫进动电子磁矩受到磁力矩电子磁矩受到磁力矩角动量
2、定理角动量定理1)1)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。2)2)感应磁矩：感应磁矩：分子中所有附加磁矩的分子中所有附加磁矩的矢量和。矢量和。抗磁性抗磁性 外磁场与磁介质相互作用，使其处于特外磁场与磁介质相互作用，使其处于特殊状态能产生新的磁矩，或者说附加的磁场殊状态能产生新的磁矩，或者说附加的磁场,这过程为磁化。这过程为磁化。2022/12/2第3页，本讲稿共26页无外磁场无外磁场顺顺 磁磁 质质 的的 磁磁 化化有外磁场有外磁场顺磁质内磁场顺磁质内磁场2022/12/2第4页，本讲稿共26页无外磁场无外磁场抗抗 磁磁 质质 的的 磁磁 化化有外磁场有外磁场抗
3、磁质内磁场抗磁质内磁场2022/12/2第5页，本讲稿共26页二、磁化强度二、磁化强度 (magnetization)M是描述磁介质的宏观量。与介质特性、温度与是描述磁介质的宏观量。与介质特性、温度与统计规律有关。统计规律有关。单位：安培单位：安培/米米(A/m)顺磁质顺磁质M 与与B0 同向同向抗磁质抗磁质M与与B0反向反向磁化的宏观效果：磁化的宏观效果：在介质表面或内部出现宏观电流，产生附加磁场。在介质表面或内部出现宏观电流，产生附加磁场。2022/12/2第6页，本讲稿共26页 磁化面电流磁化面电流 I Is s在均匀外磁场中，各向同在均匀外磁场中，各向同性均匀的磁介质被磁化，沿着柱面流
4、动未被抵性均匀的磁介质被磁化，沿着柱面流动未被抵消的分子电流。消的分子电流。（也称为束缚面电流）（也称为束缚面电流）磁化面电流密度磁化面电流密度 j jS S 在垂直于电流流动在垂直于电流流动方向上单位长度的分子面电流。方向上单位长度的分子面电流。若长若长l 介质表面介质表面I IS S，则其线密度为则其线密度为设介质的截面积设介质的截面积 S，则有：，则有：j jS S与与M的关系的关系 2022/12/2第7页，本讲稿共26页 磁化强度的环流磁化强度的环流普遍情况下可以证明普遍情况下可以证明 磁化电流线密度的大小等于磁化电流线密度的大小等于磁化强度的切向分量。磁化强度的切向分量。电介质有电
5、介质有以充满介质的螺旋管为例，选如图回路，求环流以充满介质的螺旋管为例，选如图回路，求环流磁化强度磁化强度磁化电流磁化电流2022/12/2第8页，本讲稿共26页三、三、有介质时的高斯定理和安培环路定理有介质时的高斯定理和安培环路定理 磁介质中的高斯定理磁介质中的高斯定理磁力线无头无尾。穿过任何一闭合曲面的磁通量为零。磁力线无头无尾。穿过任何一闭合曲面的磁通量为零。S 磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理传导电流传导电流束缚电流束缚电流有磁介质的总场有磁介质的总场2022/12/2第9页，本讲稿共26页定义定义磁场强度磁场强度 磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 沿任一闭合路
6、径磁场强度的环流等于该闭沿任一闭合路径磁场强度的环流等于该闭合路径所包围的传导电流的代数和。合路径所包围的传导电流的代数和。磁场强度磁场强度H的单位：的单位：安培安培/米米(A/m)2022/12/2第10页，本讲稿共26页 之之间的关系间的关系 r r 相对磁导率相对磁导率 磁导率磁导率 均为纯数或张量，描述磁介质特性的物理。均为纯数或张量，描述磁介质特性的物理。各向同性各向同性 实验证明：实验证明：m磁化率磁化率2022/12/2第11页，本讲稿共26页 的关系的关系：的关系的关系2022/12/2第12页，本讲稿共26页+顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质+2022/12/2第13页，本讲稿共26
7、页+l2022/12/2第14页，本讲稿共26页例例1、长直电缆由半径为长直电缆由半径为R 和和R0的两金属圆柱筒组成，的两金属圆柱筒组成，筒间充满均匀顺磁介质，电流从内芯流过再沿外壁筒间充满均匀顺磁介质，电流从内芯流过再沿外壁流回。求介质中磁场分布及介质表面的束缚电流。流回。求介质中磁场分布及介质表面的束缚电流。+2022/12/2第15页，本讲稿共26页方向沿圆的切线方向方向沿圆的切线方向解：解：方向与方向与B相同相同(顺磁质顺磁质)方向垂直向外即与轴平行向上方向垂直向外即与轴平行向上2022/12/2第16页，本讲稿共26页磁介质内表面的总束缚电流：磁介质内表面的总束缚电流：同理外表面同
8、理外表面方向垂直向里即与轴平行向下方向垂直向里即与轴平行向下2022/12/2第17页，本讲稿共26页例例2、细螺绕环中心周长为细螺绕环中心周长为10cm，环上均匀密绕线圈环上均匀密绕线圈200匝，电流为匝，电流为0.1A.（1）若管内充满若管内充满 r=4200的磁介的磁介质，求管内的质，求管内的 B与与H。（。（2）求磁介质内由导线中电流）求磁介质内由导线中电流产生的磁感应强度产生的磁感应强度B0和由磁化电流产生的和由磁化电流产生的B 的大小。的大小。传导电流产生传导电流产生B:解：解：磁化电流产生磁化电流产生B:2022/12/2第18页，本讲稿共26页例例3、均匀面电流沿无限大导体薄片
9、流动均匀面电流沿无限大导体薄片流动 i，面上方为面上方为真空，下方充满磁导率为真空，下方充满磁导率为 的均匀无限大抗磁质。试的均匀无限大抗磁质。试求真空和介质中的求真空和介质中的H和和B，并计算与导体相邻的介质并计算与导体相邻的介质表面层的磁化面电流密度表面层的磁化面电流密度i。i传导电流传导电流jsijS磁化电流磁化电流H1H2解：解：1）Mn2022/12/2第19页，本讲稿共26页（2）js与与i反向反向2022/12/2第20页，本讲稿共26页装置：环形螺绕环装置：环形螺绕环;铁磁质铁磁质Fe,Co,Ni及稀及稀钍族元素的化合物，能被强烈地磁化钍族元素的化合物，能被强烈地磁化实验测量实
10、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；由由 得出得出 曲线曲线1)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.四、铁磁质四、铁磁质原理原理:励磁电流励磁电流 I;用安培定理得用安培定理得H2022/12/2第21页，本讲稿共26页 2)磁滞回线磁滞回线矫顽力矫顽力 B 的变化落后于的变化落后于H 的的变化的变化的 现象，叫做磁现象，叫做磁滞现象滞现象，简称磁滞，简称磁滞.O磁滞回线磁滞回线 当当H=0，但，但 ,而是仍有一定的数而是仍有一定的数值值 ，叫做剩余叫做剩余磁感强度（磁感强度（剩磁剩磁）2022/1
11、2/2第22页，本讲稿共26页 铁磁性材料类别：铁磁性材料类别：O软软磁材料磁材料O硬硬磁材料磁材料O矩矩磁铁氧体材料磁铁氧体材料 实验表明，不同铁磁性物质的磁滞回线形状相实验表明，不同铁磁性物质的磁滞回线形状相差很大差很大.2022/12/2第23页，本讲稿共26页*磁畴磁畴(magnetic domain)：原子间电子交换耦合作原子间电子交换耦合作用很强，促使其自旋磁矩平行排列形成用很强，促使其自旋磁矩平行排列形成磁畴磁畴自发自发的磁化区域。磁畴的线度约的磁化区域。磁畴的线度约10-4m。铁磁性主要来源于电子的自旋磁矩。铁磁性主要来源于电子的自旋磁矩。铁磁质磁化的机制铁磁质磁化的机制在无外
12、磁场的作用下磁畴取向平均抵消，能量最低，在无外磁场的作用下磁畴取向平均抵消，能量最低，不显磁性。不显磁性。无无外外磁磁场场有有外外磁磁场场2022/12/2第24页，本讲稿共26页*磁畴的变化可用金相显微镜观测磁畴的变化可用金相显微镜观测 在外磁场较弱时，自发磁化方向与外磁场方向相同在外磁场较弱时，自发磁化方向与外磁场方向相同或相近的那些磁畴逐渐增大（畴壁位移），在外磁场较或相近的那些磁畴逐渐增大（畴壁位移），在外磁场较强时，磁畴自发磁化方向作为一个整体，不同程度地转强时，磁畴自发磁化方向作为一个整体，不同程度地转向外磁场方向。向外磁场方向。有有外外磁磁场场 当全部磁畴都沿外磁场方当全部磁畴都
13、沿外磁场方向时，铁磁质的磁化就达到饱向时，铁磁质的磁化就达到饱和状态。饱和磁化强度和状态。饱和磁化强度MS等等于每个磁畴中原来的磁化强于每个磁畴中原来的磁化强度，该值很大，这就是铁磁度，该值很大，这就是铁磁质磁性质磁性 r大的原因。大的原因。2022/12/2第25页，本讲稿共26页磁滞磁滞(hysteresis)现象是由于掺杂和内应力等的作用，当撤现象是由于掺杂和内应力等的作用，当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状，而表现出来。掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状，而表现出来。磁滞伸缩磁滞伸缩(magnetostriction)是因磁畴在外磁场中的取是因磁畴在外磁场中的取向，改变
14、了晶格间距而引起的。向，改变了晶格间距而引起的。当温度升高时，热运动会瓦解磁畴内磁矩的规则排当温度升高时，热运动会瓦解磁畴内磁矩的规则排列；在临界温度（相变温度列；在临界温度（相变温度Tc）时，铁磁质完全变成了）时，铁磁质完全变成了顺磁质。顺磁质。居里点居里点 Tc(Curie Point)铁磁体于铁电体类似；在交变场的作用下，它的形状会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，称为随之变化，称为磁致伸缩磁致伸缩（10-5数量级）它可用做换能数量级）它可用做换能器，在超声及检测技术中大有作为。器，在超声及检测技术中大有作为。如：铁为如：铁为 1040K，钴为钴为 1390K，镍为镍为 630K2022/12/2第26页，本讲稿共26页