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1、磁介质磁化第1页，本讲稿共26页11.1.磁介质磁介质磁介质磁介质:实体物质在磁场作用下呈现磁性实体物质在磁场作用下呈现磁性,该物体称为磁介质。该物体称为磁介质。根据对外磁场响应的特点，将磁介质分为三种类型：根据对外磁场响应的特点，将磁介质分为三种类型：顺磁质、顺磁质、抗磁质、铁磁质抗磁质、铁磁质。15-1 磁介质的磁化磁介质的磁化 磁化强度矢量磁化强度矢量电介质极化：电介质极化：磁介质磁化：磁介质磁化：总磁感强度总磁感强度外加磁感强度外加磁感强度附加磁感强度附加磁感强度磁化磁化:磁介质在磁场作用下产生附加磁场的现象称为磁化。磁介质在磁场作用下产生附加磁场的现象称为磁化。对比：对比：第2页，本
2、讲稿共26页2实验发现实验发现：有、无磁介质时：有、无磁介质时螺旋管内磁感应强度的比值，螺旋管内磁感应强度的比值，可表征它们在磁场中的性质。可表征它们在磁场中的性质。相对磁导率相对磁导率:顺磁质：顺磁质：如氧、铝、钨、铂、铬等。如氧、铝、钨、铂、铬等。磁介质磁介质抗磁质：抗磁质：铁磁质：铁磁质：如氮、水、铜、银、金、铋等。如氮、水、铜、银、金、铋等。如铁、钴、镍等，如铁、钴、镍等，超导体是理想的抗磁体。超导体是理想的抗磁体。B与与 B0 同方向，同方向，B与与 B0 反方向，反方向，B与与 B0 同方向，同方向，第3页，本讲稿共26页32.2.分子磁矩分子磁矩 分子电流分子电流 原子中电子参与
3、两种运动：自旋及绕原子中电子参与两种运动：自旋及绕核的轨道运动，对应有自旋磁矩和轨道磁核的轨道运动，对应有自旋磁矩和轨道磁矩。矩。用等效的分子电流的磁效应来表用等效的分子电流的磁效应来表示电子对外界磁效应的总和，称为分示电子对外界磁效应的总和，称为分子固有磁矩。子固有磁矩。抗磁质抗磁质：顺磁质：顺磁质：未加外磁场时未加外磁场时:在抗磁质中，原子或分子中所有电在抗磁质中，原子或分子中所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩矢量和为零。子的轨道磁矩和自旋磁矩矢量和为零。类比：类比：电介质电介质的微观图象的微观图象有极分子、无极分子。有极分子、无极分子。在外电场作用下，分别有在外电场作用下，分别有取向取向极化极
4、化、位移位移极化。极化。电偶极子模型：电偶极子模型：第4页，本讲稿共26页4 抗抗磁磁材材料料在在外外磁磁场场的的作作用用下下，磁磁体体内内任任意意体体积积元元中中大大量量分分子子或或原原子子的的附附加加感感生生磁磁矩矩的的矢矢量量和和 有有一一定定的的量量值值，结结果果在在磁磁体体内内激激发发一一个个和和外外磁磁场场方方向向相相反反的的附附加加磁磁场场，这就是抗磁性的起源。这就是抗磁性的起源。3.3.抗磁质的磁化抗磁质的磁化抗抗磁质：磁质：感生磁矩：感生磁矩：+r第5页，本讲稿共26页5加外磁场时加外磁场时:顺磁质：顺磁质：当外磁场存在时，各分子磁矩受磁场力矩的作用，或多或少地转向当外磁场存
5、在时，各分子磁矩受磁场力矩的作用，或多或少地转向磁场方向磁场方向 顺磁质顺磁质的磁化。的磁化。4.4.顺磁质的磁化顺磁质的磁化第6页，本讲稿共26页6 在在顺顺磁磁体体内内任任意意取取一一体体积积元元 V，其其中中各各分分子子固固有有磁磁矩矩的的矢矢量量和和 将将有有一一定定的的量量值值，因因而而在在宏宏观观上上呈呈现现出出一一个个与与外外磁磁场场同同向向的的附附加磁场，这就是顺磁性的起源。加磁场，这就是顺磁性的起源。对顺磁质，感生磁矩对顺磁质，感生磁矩 可以忽略可以忽略第7页，本讲稿共26页7反映磁介质磁化程度反映磁介质磁化程度(大小与方向大小与方向)的物理量。的物理量。均匀磁化均匀磁化磁化
6、强度：磁化强度：单位体积内所有分子固有磁矩的矢量和单位体积内所有分子固有磁矩的矢量和 加上附加磁矩的矢量和加上附加磁矩的矢量和 ，称为磁化强度。，称为磁化强度。磁化强度的磁化强度的单位：单位：5.5.磁化强度矢量磁化强度矢量（1 1）磁化强度矢量）磁化强度矢量注意：注意：对顺磁质，对顺磁质，可以忽略；可以忽略；对抗磁质对抗磁质 ，对于真空，对于真空，。外磁场为零，磁化强度为零。外磁场为零，磁化强度为零。外磁场不为零外磁场不为零:顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质第8页，本讲稿共26页8（2 2）磁化电流）磁化电流 对于各向同性的均匀介质，介质内部各分子电流相互对于各向同性的均匀介质，介质内部各分子电流相
7、互抵消，而在介质表面，各分子电流相互叠加，在磁化圆柱抵消，而在介质表面，各分子电流相互叠加，在磁化圆柱的表面出现一层电流，好象一个载流螺线管，称为的表面出现一层电流，好象一个载流螺线管，称为磁化面磁化面电流电流。第9页，本讲稿共26页9设介质表面沿轴线方向设介质表面沿轴线方向单位长度单位长度上的磁化电流为上的磁化电流为 S S （面磁化电流（面磁化电流密度），则长为密度），则长为l 的一段介质上的磁化电流强度的一段介质上的磁化电流强度I IS S为为IIS 取一长方形闭合回路取一长方形闭合回路ABCD，AB边在磁介质内部，平行于柱边在磁介质内部，平行于柱体轴线，长度为体轴线，长度为l，而，而B
8、C、AD两边则垂直于柱面。两边则垂直于柱面。磁化强度对闭合回路的线积分等于通过回路所包围的磁化强度对闭合回路的线积分等于通过回路所包围的面积内的总磁化电流。面积内的总磁化电流。lABCD第10页，本讲稿共26页10无磁介质时无磁介质时有磁介质时有磁介质时15-2 磁场强度矢量磁场强度矢量 有介质时的安培环路定理有介质时的安培环路定理定义磁场强度定义磁场强度 磁磁介介质质中中的的安安培培环环路路定定理理：磁磁场场强强度度沿沿任任意意闭闭合合路路径径的的线线积积分分等等于于穿穿过过该该路路径径的的所所有有传传导导电电流流的的代代数数和和，而与磁化电流无关。而与磁化电流无关。第11页，本讲稿共26页
9、11 实实验验证证明明：对对于于各各向向同同性性的的介介质质，在在磁磁介介质质中中任任意一点磁化强度和磁场强度成正比。意一点磁化强度和磁场强度成正比。式式中中m只只与与磁磁介介质质的的性性质质有有关关，称称为为磁磁介介质质的的磁磁化化率率，是是一一个个纯纯数数。如如果果磁磁介介质质是是均均匀匀的的，它它是是一一个个常常量量；如如果果磁磁介介质质是是不均匀的，它是空间位置的函数。不均匀的，它是空间位置的函数。第12页，本讲稿共26页12 值值得得注注意意：为为研研究究介介质质中中的的磁磁场场提提供供方方便便而而不不是是反反映映磁磁场场性性质质的的基基本本物物理理量量，才才是是反映磁场性质的基本物
10、理量。反映磁场性质的基本物理量。磁导率磁导率 =0 r第13页，本讲稿共26页13例：长直螺旋管内充满均匀磁介质例：长直螺旋管内充满均匀磁介质 r r，设电流设电流 I0 0，单位长度上的匝数，单位长度上的匝数为为 n。求管内的磁感应强度。求管内的磁感应强度。解：因管外磁场为零，取如图所示安培解：因管外磁场为零，取如图所示安培回路回路第14页，本讲稿共26页14例例:在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质，已知螺绕环中在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质，已知螺绕环中的传导电流为的传导电流为I，单位长度内匝数，单位长度内匝数n，环的横截面半径比环的平均半，环的横截面半径比环的平均半径小得多，
11、磁介质的相对磁导率和磁导率分别为径小得多，磁介质的相对磁导率和磁导率分别为 r r和和，求环内的，求环内的磁场强度和磁感应强度。磁场强度和磁感应强度。解：解：在环内任取一点，过该点作在环内任取一点，过该点作一和环同心、半径为一和环同心、半径为 r 的圆形回的圆形回路。路。式中式中N为螺绕环上线圈的总匝数。由对称性可知，在所取圆形为螺绕环上线圈的总匝数。由对称性可知，在所取圆形回路上各点的磁感应强度的大小相等，方向都沿切线。回路上各点的磁感应强度的大小相等，方向都沿切线。当环内充满均匀介质时当环内充满均匀介质时第15页，本讲稿共26页15例例：如如图图所所示示，一一半半径径为为R1的的无无限限长
12、长圆圆柱柱体体（导导体体 0）中中均均匀匀地地通通有有电电流流I，在在它它外外面面有有半半径径为为R2的的无无限限长长同同轴轴圆圆柱柱面面，两两者者之之间间充充满满着着磁磁导导率率为为 的的均均匀匀磁磁介介质质，在在圆圆柱柱面面上上通通有有相相反反方方向向的的电电流流I。试试求求（1 1）圆圆柱柱体体外外圆圆柱柱面面内内一一点点的的磁磁场场；（2 2）圆圆柱柱体内一点磁场；（体内一点磁场；（3 3）圆柱面外一点的磁场。）圆柱面外一点的磁场。解解（1）当当两两个个无无限限长长的的同同轴轴圆圆柱柱体体和和圆圆柱柱面面中中有有电电流流通通过过时时，它它们们所所激激发发的的磁磁场场是是轴轴对对称称分分
13、布布的的，而而磁磁介介质质亦亦呈呈轴轴对对称称分分布布，因因而而不不会会改改变变场场的的这这种种对对称称分分布布。设设圆圆柱柱体体外外圆圆柱柱面面内内一一点点到到轴轴的的垂垂直直距距离离是是r1，以以r1为为半半径径作作一一圆圆，取取此此圆圆为为积积分分回回路路，根根据据安安培培环环路路定理有定理有IIIR1R2r2r1r3第16页，本讲稿共26页16（2）设设在在圆圆柱柱体体内内一一点点到到轴轴的的垂垂直直距距离离是是r2，则以则以r2为半径作一圆，根据安培环路定理有为半径作一圆，根据安培环路定理有是该环路所包围的电流部分，由此得是该环路所包围的电流部分，由此得IIIR1R2r2r1r3由由
14、B H，得，得第17页，本讲稿共26页17 （3）在在圆圆柱柱面面外外取取一一点点，它它到到轴轴的的垂垂直直距距离离是是r3，以以r3为为半半径径作作一一圆圆，根根据据安安培培环环路路定定理理,考考虑虑到到环环路路中中所所包包围围的电流的代数和为零，所以得的电流的代数和为零，所以得即即或或IIIR1R2r2r1r3第18页，本讲稿共26页18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,由由得出得出 rH曲线曲线铁磁质的铁磁质的 r 不一定是个常数，不一定是个常数，它是它是 H 的函数的
15、函数，r 非线性非线性；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H磁饱和现象，到一定程度磁饱和现象，到一定程度，I ，H ，而而B的增加极为缓慢的增加极为缓慢。15-3 铁磁质铁磁质1.磁化曲线磁化曲线第19页，本讲稿共26页19 当当铁铁磁磁质质达达到到饱饱和和状状态态后后，缓缓慢慢地地减减小小H，铁铁磁磁质质中中的的B并并不不按按原原来来的的曲曲线线减减小小，并并且且H=0时时，B不不等等于于0，具具有有一一定定值值，这这种种现现象象称称为为剩磁剩磁。要要完完全全消消除除剩剩磁磁Br，必必须须加加反反向向磁磁场场，当当B=0时时磁磁场场的的值值Hc为为铁磁质的铁磁质的矫顽力
16、矫顽力。当反向磁场继续增加，铁磁质的磁化达到反向饱和。当反向磁场继续增加，铁磁质的磁化达到反向饱和。BHaOdfBrcbHc-BreHc-Bre2.磁滞回线磁滞回线Brcb-Hc反向磁场减小到零，同样出现剩磁现象。反向磁场减小到零，同样出现剩磁现象。不断地正向或反向缓慢改变磁场，磁化曲线为一闭合曲不断地正向或反向缓慢改变磁场，磁化曲线为一闭合曲线线磁滞回线磁滞回线第20页，本讲稿共26页20单晶磁畴结构示意图单晶磁畴结构示意图多晶磁畴结构示意图多晶磁畴结构示意图 在铁磁质中，相邻原子中的电子间存在着非常强的交换耦在铁磁质中，相邻原子中的电子间存在着非常强的交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子
17、中电子的自旋磁矩平行排合作用，这个相互作用促使相邻原子中电子的自旋磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的微小区域，这些自列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域称为发磁化的微小区域称为磁畴磁畴。3.磁畴磁畴 在没有外磁场作用时在没有外磁场作用时，磁体体内各磁畴磁矩排列，磁体体内各磁畴磁矩排列杂乱，任意物理无限小体积内的杂乱，任意物理无限小体积内的磁矩矢量和为零磁矩矢量和为零。第21页，本讲稿共26页21 在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能将在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能将低于磁矩与外磁反向排列时的磁能，结果是低于磁矩与外磁反向
18、排列时的磁能，结果是自发磁化磁矩自发磁化磁矩和外磁场成小角度的磁畴处于有利地位和外磁场成小角度的磁畴处于有利地位，这些磁畴体积逐，这些磁畴体积逐渐扩大，而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度的磁畴体积逐渐扩大，而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。渐缩小。随着外磁场的不断增强，随着外磁场的不断增强，取向与外磁场成较大角取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失，留存的磁畴将向外磁场的方向旋转，度的磁畴全部消失，留存的磁畴将向外磁场的方向旋转，以后再继续增加磁场，以后再继续增加磁场，所有磁畴都沿外磁场方向整齐排列，所有磁畴都沿外磁场方向整齐排列，这时磁化达到饱和。这时磁化达到饱和。第22页，本
19、讲稿共26页22临临界界温温度度Tc。在在Tc以以上上，铁铁磁磁性性完完全全消消失失而而成成为为顺顺磁磁质质，Tc称称为为居居里里温温度度或或居居里里点点。不不同同的的铁铁磁磁质质有有不不同同的的居居里里温温度度Tc。纯纯铁铁：770C，纯镍：，纯镍：358C。居居 里里装置如图所示：将悬挂着的镍片移近永久磁装置如图所示：将悬挂着的镍片移近永久磁铁，即被吸住，说明镍片在室温下具有铁磁铁，即被吸住，说明镍片在室温下具有铁磁性。用酒精灯加热镍片，当镍片的温度升高性。用酒精灯加热镍片，当镍片的温度升高到超过一定温度时，镍片不再被吸引，在重到超过一定温度时，镍片不再被吸引，在重力作用下摆回平衡位置，说
20、明镍片的铁磁性力作用下摆回平衡位置，说明镍片的铁磁性消失，变为顺磁性。移去酒精灯，稍待片刻，消失，变为顺磁性。移去酒精灯，稍待片刻，镍片温度下降到居里点以下恢复铁磁性，又镍片温度下降到居里点以下恢复铁磁性，又被磁铁吸住。被磁铁吸住。第23页，本讲稿共26页234.铁磁质的应用铁磁质的应用作变压器的作变压器的软磁材料软磁材料。纯铁，硅钢坡莫合。纯铁，硅钢坡莫合金金(Fe，Ni)，铁氧体等。，铁氧体等。r r大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。饱和磁感应强度大，饱和磁感应强度大，矫顽力矫顽力(Hc)小，磁滞回小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小。线的面积窄而长，损耗
21、小。还用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。还用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。BH作永久磁铁的作永久磁铁的硬磁材料硬磁材料钨钢，碳钢，铝镍钴合金钨钢，碳钢，铝镍钴合金BHHc-Hc矫顽力矫顽力(Hc)大（大（10102 2A/m)，剩磁，剩磁Br大磁滞大磁滞回线的面积大，损耗大。回线的面积大，损耗大。用于磁电式电表中的永磁铁。耳机中的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。永久磁铁，永磁扬声器。第24页，本讲稿共26页24作存储元件的作存储元件的矩磁材料矩磁材料Br=BS ，Hc不大，磁滞回线是矩形。用不大，磁滞回线是矩形。用于记忆元件，当于记忆元件，当+脉冲产生脉冲产生HHC使使磁芯磁芯呈呈+B态，则态，则脉冲产生脉冲产生H HC使使磁芯呈磁芯呈 B态，可做为二进制的两个态。态，可做为二进制的两个态。锰镁铁氧体，锂锰铁氧体锰镁铁氧体，锂锰铁氧体BHHc-Hc 压压磁磁材材料料具具有有较较强强的的磁磁致致伸伸缩缩效效应应，常用于制造超声波发生器。常用于制造超声波发生器。铁磁体在交变磁化磁场的作用铁磁体在交变磁化磁场的作用下，它的形状随之改变，叫做下，它的形状随之改变，叫做磁致磁致伸缩效应伸缩效应。BHO第25页，本讲稿共26页25第26页，本讲稿共26页26