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1、第15章磁介质第1页，本讲稿共24页介质的磁化、磁导率15.1 15.1 磁介质的磁化及其描述磁介质的磁化及其描述15.1.1 磁介质磁介质第2页，本讲稿共24页磁介质的分类 铝 第3页，本讲稿共24页抗磁质磁化微观机制15.1.2 分子电流和分子磁矩分子电流和分子磁矩 按照经典物理的物质电结构理论，构成物质的分子、按照经典物理的物质电结构理论，构成物质的分子、原子中的每一个电子都同时参与两种运动，即电子环绕原子中的每一个电子都同时参与两种运动，即电子环绕原子核的轨道运动和电子本身的自旋运动，这两种运动原子核的轨道运动和电子本身的自旋运动，这两种运动都能产生磁效应。再考虑分子的整体效应，分子中
2、的全都能产生磁效应。再考虑分子的整体效应，分子中的全部电子对外产生的磁效应的总和可以用一个等效的圆电部电子对外产生的磁效应的总和可以用一个等效的圆电流来表示，这个电流称为流来表示，这个电流称为分子电流分子电流。每一个电子绕核运动。每一个电子绕核运动的磁矩称为的磁矩称为轨道磁矩轨道磁矩，自旋运动的磁矩称，自旋运动的磁矩称自旋磁矩自旋磁矩；分子；分子中全部电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和称为分子的固中全部电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和称为分子的固有磁矩，用有磁矩，用 表示。表示。第4页，本讲稿共24页抗磁质磁化微观机制式中式中I为为分子分子电电流，流，S为为分子分子圆电圆电流的面流的面积积，为分
3、子为分子圆电流面积的单位法线矢量。圆电流面积的单位法线矢量。与与I的流向按右手螺旋关系的流向按右手螺旋关系确定。确定。顺磁质与抗磁质的区别在于它们电结构的不同。凡顺磁质与抗磁质的区别在于它们电结构的不同。凡分子的固有磁矩不为零的原子或分子主要表现为顺磁分子的固有磁矩不为零的原子或分子主要表现为顺磁性；凡分子的固有磁矩为零的原子或分子表现为抗磁性；凡分子的固有磁矩为零的原子或分子表现为抗磁性。性。分子圆电流和磁矩分子圆电流和磁矩第5页，本讲稿共24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15.1.3 15.1.3 顺磁质的磁化微观机制顺磁质的磁化微观机制无外场无外场,
4、磁矩随机取向磁矩随机取向,相互抵消相互抵消.,顺磁质的顺磁质的同向同向.第6页，本讲稿共24页 同同向时向时 反反向时向时无外磁场时抗磁质分子磁矩为零无外磁场时抗磁质分子磁矩为零 抗磁质内磁场抗磁质内磁场抗抗磁磁质质的的磁磁化化15.1.4 15.1.4 抗磁质的磁化微观机制抗磁质的磁化微观机制(顺磁质亦有此效应,其影响相对较小).第7页，本讲稿共24页15.2.1 磁化强度磁化强度分子磁矩分子磁矩的矢量和的矢量和体积元体积元单位单位（安安/米米）意义意义 磁介磁介质中单位体积内质中单位体积内分子的合磁矩分子的合磁矩.15.2 磁化强度磁化强度 磁化电流磁化电流 当磁介质被磁化后，如果各处的当
5、磁介质被磁化后，如果各处的 相同，则称相同，则称为为均匀磁化均匀磁化；否则，为非均匀磁化。；否则，为非均匀磁化。顺磁质被磁化后，顺磁质被磁化后，与与 的方向一致；抗磁质的方向一致；抗磁质被磁化后，被磁化后，与与 的方向相反。的方向相反。第8页，本讲稿共24页磁化电流15.2.2 15.2.2 磁化电流与磁化电流密度磁化电流与磁化电流密度第9页，本讲稿共24页第二节15.2.3 磁化电流与磁化强度的关系磁化电流与磁化强度的关系 当磁介质被均匀磁化时，磁化电流分布当磁介质被均匀磁化时，磁化电流分布 在磁介质的在磁介质的表面，设磁化电流密度为表面，设磁化电流密度为 、分子磁矩为、分子磁矩为 圆柱形磁
6、介质圆柱形磁介质截面积为截面积为 ，考虑一段，考虑一段 长的磁介质，在它表面分布的长的磁介质，在它表面分布的磁化电流为磁化电流为 这这一段磁介一段磁介质质的的总总磁矩磁矩为为再根据磁化再根据磁化强强度度的定的定义义，有，有 第10页，本讲稿共24页第二节由此可由此可见见，磁化，磁化强强度度如果磁化如果磁化强强度与磁介度与磁介质质表面不平行，表面不平行，则则 的大小等于磁化电流密度。的大小等于磁化电流密度。可以证明：磁化强度可以证明：磁化强度 与磁化电流与磁化电流 之间的普遍关系为之间的普遍关系为 该关系式表明，该关系式表明，磁化强度磁化强度 沿任意闭合回路沿任意闭合回路 的线的线积分（或环流）
7、等于穿过此闭合回路所围面积的磁化积分（或环流）等于穿过此闭合回路所围面积的磁化电流电流 的代数和。的代数和。第11页，本讲稿共24页磁介质安培环路定理(剖面剖面)15.3.1 15.3.1 有磁介质存在时的安培环路定理有磁介质存在时的安培环路定理回路 的环流:N匝15.3 有磁介质存在时的磁场的基本定理有磁介质存在时的磁场的基本定理 第12页，本讲稿共24页续7 一一般般而而言言，磁磁化化电电流流 无无法法直直接接给给定定，在在处处理理具具体体问问题题时时 会会 遇遇 到到 困困 难难，如如 果果 将将 磁磁 化化 强强 度度 与与 磁磁 化化 电电 流流 的的 普普 遍遍 关关 系系 代入上
8、式，则有代入上式，则有 变形得变形得 沿闭合环路的沿闭合环路的线积分只与传导电流线积分只与传导电流 有关，而与磁化电流有关，而与磁化电流 无关无关令令 磁场强度矢量磁场强度矢量 第13页，本讲稿共24页应用15.3.2 磁化特性磁化特性 磁介质中的磁感应强度磁介质中的磁感应强度 、磁场强度、磁场强度 和磁化强度和磁化强度 之之间存在着普遍关系，这个关系已由磁场强度的定义式给出，即间存在着普遍关系，这个关系已由磁场强度的定义式给出，即 或或 实实验验证证明明，在在线线性性各各向向同同性性磁磁介介质质中中，任任意意点点的的磁磁化化强强度度 和磁场强度和磁场强度 成正比，其比例式为成正比，其比例式为
9、 磁化率，该量只与介磁化率，该量只与介质的磁化性质有关质的磁化性质有关 第14页，本讲稿共24页应用 称称为为相相对对磁磁导导率率，称称为为绝对绝对磁磁导导率率。令令 对于顺磁质，对于顺磁质，与与 同方向；对于抗磁质，同方向；对于抗磁质，与与 反方向。反方向。第15页，本讲稿共24页例题15.3.3 15.3.3 有磁介质存在时安培环路定理的应用有磁介质存在时安培环路定理的应用第16页，本讲稿共24页应用第17页，本讲稿共24页高斯定理磁通量均应等于零磁通量均应等于零.15.3.4 15.3.4 有磁介质存在时的高斯定理有磁介质存在时的高斯定理第18页，本讲稿共24页初始磁化15.4 15.4
10、 铁磁质铁磁质极其合金极其合金,称为铁磁质称为铁磁质第19页，本讲稿共24页磁滞磁滞回线15.4.1 铁磁质的磁化曲线和磁滞回线第20页，本讲稿共24页铁磁质磁化微观机制粉在磁畴边界上聚集粉在磁畴边界上聚集.(由电子自旋磁矩引起)膜的迷宫式磁畴膜的迷宫式磁畴.15.4.2 15.4.2 铁磁质磁化的微观机制铁磁质磁化的微观机制 第21页，本讲稿共24页常见的铁磁材料15.4.3 15.4.3 铁磁质的分类及其主要特点铁磁质的分类及其主要特点矫顽力小,易充 退磁.如纯铁 硅钢等.继电器等的铁芯.矫顽力大,剩磁也大.器等的永久磁铁.剩磁值接近饱和值.如碳钢 钡铁氧体等.两剩磁态可控翻转,用于计算机
11、儲存元件.第22页，本讲稿共24页常见的铁磁材料 所谓所谓“巨磁电阻巨磁电阻”效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。根据这一效应开发的小型大容量计算无外磁场作用时存在巨大变化的现象。根据这一效应开发的小型大容量计算机硬盘已得到广泛应用。机硬盘已得到广泛应用。艾尔伯艾尔伯-费尔费尔皮特皮特-格林贝格尔格林贝格尔2007年诺贝尔物理学奖授于法国艾尔伯年诺贝尔物理学奖授于法国艾尔伯-费尔和德国皮特费尔和德国皮特-格林格尔，格林格尔，表彰他们发现表彰他们发现“巨磁电阻巨磁电阻”效应效应第23页，本讲稿共24页 瑞典
12、皇家科学院在评价这项成就时表示，今年的诺贝瑞典皇家科学院在评价这项成就时表示，今年的诺贝尔物理学奖主要奖励尔物理学奖主要奖励“用于读取硬盘数据的技术用于读取硬盘数据的技术”。这项。这项技术被认为是技术被认为是“前途广阔的纳米技术领域的首批实际应用前途广阔的纳米技术领域的首批实际应用之一之一”。这两位科学家都比较喜欢音乐。费尔最喜欢的乐手这两位科学家都比较喜欢音乐。费尔最喜欢的乐手是美国爵士乐钢琴家塞罗尼斯是美国爵士乐钢琴家塞罗尼斯蒙克，而格林贝格尔对古蒙克，而格林贝格尔对古典音乐十分痴迷，他还是一名吉他爱好者。典音乐十分痴迷，他还是一名吉他爱好者。格林贝格尔的知识产权保护意识比较强。两位科学家格林贝格尔的知识产权保护意识比较强。两位科学家1988年发现年发现“巨磁电阻巨磁电阻”效应时意识到，这一发现可能产生巨效应时意识到，这一发现可能产生巨大影响。格林贝格尔为此还申请了专利。大影响。格林贝格尔为此还申请了专利。目前，根据这一效应开发的小型大容量电脑硬盘已得目前，根据这一效应开发的小型大容量电脑硬盘已得到广泛应用。两位科学家此前已经因为发现到广泛应用。两位科学家此前已经因为发现“巨磁电阻巨磁电阻”效应而获得多个科学奖项。效应而获得多个科学奖项。第24页，本讲稿共24页