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1、P.1/磁介质磁介质 P.2/磁介质磁介质 本章教学内容本章教学内容11-1 磁介质及其磁化磁介质及其磁化11-2 磁介质中的高斯定理和安培环路定理磁介质中的高斯定理和安培环路定理11-3 铁磁质铁磁质P.3/磁介质磁介质 了解了解磁介质的磁化现象及其微观解释磁介质的磁化现象及其微观解释.了解了解磁场强度的概念以及在各向同性介质中磁场强度的概念以及在各向同性介质中H和和B的关系的关系,了解磁介质中的安培环路定理了解磁介质中的安培环路定理.了解了解铁磁质的特性铁磁质的特性.本章教学基本要求本章教学基本要求P.4/磁介质磁介质 一一 磁介质及分类磁介质及分类介质磁化后的介质磁化后的附加磁感强度附加
2、磁感强度真空中的真空中的磁感强度磁感强度 磁介质中的磁介质中的总磁感强度总磁感强度11-1 磁介质磁介质 磁化强度磁化强度1.磁介质磁介质 任何实物都是任何实物都是磁介质磁介质 反映磁介质被磁化后对原磁场的影响程度反映磁介质被磁化后对原磁场的影响程度 相对磁导率相对磁导率 P.5/磁介质磁介质 2.磁介质的分类磁介质的分类顺顺磁质磁质抗抗磁质磁质减弱原场减弱原场增强原场增强原场如金、银、铜、锌、水银、铅、氢、硫等如金、银、铜、锌、水银、铅、氢、硫等如如 锰、铬、铂、氧、氮等锰、铬、铂、氧、氮等弱弱磁磁性性物物质质顺磁质和抗磁质的相对磁导率都非常接近于顺磁质和抗磁质的相对磁导率都非常接近于1。铁
3、铁磁质磁质通常不是常数通常不是常数具有显著的增强原磁场的性质具有显著的增强原磁场的性质强磁性物质强磁性物质如如 铁、钴、镍等铁、钴、镍等P.6/磁介质磁介质 磁介质的分类 铝 P.7/磁介质磁介质 分子电流和分子电流和分子固有磁矩分子固有磁矩二二 磁化机理磁化机理分子固有磁矩：分子固有磁矩：轨道运动轨道运动轨道磁矩轨道磁矩自旋运动自旋运动自旋磁矩自旋磁矩原子核原子核电子电子核磁矩核磁矩 分子中所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩的分子中所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量总和矢量总和P.8/磁介质磁介质 反反向向时时 抗磁质抗磁质的分子固有磁矩为的分子固有磁矩为零零 抗磁质内磁场抗磁质内磁场抗抗磁磁质质
4、的的磁磁化化同同向向时时分子的附加磁矩分子的附加磁矩与外磁场方向相反与外磁场方向相反P.9/磁介质磁介质 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顺磁质磁质分子固有磁矩分子固有磁矩不为零不为零 顺磁质内磁场顺磁质内磁场P.10/磁介质磁介质 三三 磁化强度磁化强度 磁化电流磁化电流*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.顺磁质内磁场顺磁质内磁场抗磁质内磁场抗磁质内磁场对真空对真空 =0,=0,如果介质内各点如果介质内各点 相同相同,称称均匀磁化均匀磁化P.11/磁介质
5、磁介质 附：附：磁化电流磁化电流(magnetization current)介质磁化的宏观效果是在介质横介质磁化的宏观效果是在介质横截面边缘出现环形电流，这种电流称截面边缘出现环形电流，这种电流称为为“磁化电流磁化电流Is”（磁化磁化面面电流电流）。）。I I0 0I IS S磁化电流与传导电流的区别：磁化电流与传导电流的区别：磁化电流是分子内电荷运动一段磁化电流是分子内电荷运动一段段接合而成，不同于传导电流的电荷段接合而成，不同于传导电流的电荷定向运动，又称定向运动，又称束缚电流束缚电流，其磁效应，其磁效应与传导电流相当，但不产生热效应。与传导电流相当，但不产生热效应。磁化面电流的线密度：
6、磁化面电流的线密度：介质中的总磁矩：介质中的总磁矩：磁化强度在数值上等于磁化面电流磁化强度在数值上等于磁化面电流的线密度的线密度，两者关系由右螺旋法则确，两者关系由右螺旋法则确定。上式适用于均匀磁介质被均匀磁定。上式适用于均匀磁介质被均匀磁化的情况。化的情况。可以推知：可以推知：可以推知：可以推知：磁化强度沿闭合路径的环磁化强度沿闭合路径的环磁化强度沿闭合路径的环磁化强度沿闭合路径的环流等于环路内总的束缚电流流等于环路内总的束缚电流流等于环路内总的束缚电流流等于环路内总的束缚电流.此式对一般的磁介质同样成立。此式对一般的磁介质同样成立。此式对一般的磁介质同样成立。此式对一般的磁介质同样成立。P
7、.12/磁介质磁介质 磁介质中的磁介质中的高斯定理高斯定理磁磁介质中磁场：介质中磁场：无论是否有磁介质存在，磁高斯定理都是普遍成立无论是否有磁介质存在，磁高斯定理都是普遍成立的。的。由磁化电流产生的微观机理可知：磁化电流与传由磁化电流产生的微观机理可知：磁化电流与传导电流在产生磁场方面等效。导电流在产生磁场方面等效。一一 磁介质中的高斯定理磁介质中的高斯定理11-2磁介质中的高斯定理和安培环路定理磁介质中的高斯定理和安培环路定理P.13/磁介质磁介质 二二 磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理I I0 0I IS S如图取如图取L回路回路单位：单位：Am-1磁场强度磁场强度 磁介质磁介
8、质中的中的安培环路安培环路定理定理 磁场强度磁场强度磁场强度磁场强度沿任一闭合回路的沿任一闭合回路的沿任一闭合回路的沿任一闭合回路的环流环流环流环流，等于闭合回路所包围的，等于闭合回路所包围的，等于闭合回路所包围的，等于闭合回路所包围的传导电流的代数和传导电流的代数和传导电流的代数和传导电流的代数和，与磁化电流以及回路外的传导电流无关。，与磁化电流以及回路外的传导电流无关。，与磁化电流以及回路外的传导电流无关。，与磁化电流以及回路外的传导电流无关。P.14/磁介质磁介质 各向同性均匀各向同性均匀磁介质磁介质（磁化率）（磁化率）相对相对磁导率磁导率磁磁 导导 率率 各向同性均匀磁介质各向同性均匀
9、磁介质 磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 顺磁质顺磁质（非常数）（非常数）抗磁质抗磁质铁磁质铁磁质P.15/磁介质磁介质 各向同性均匀磁介质各向同性均匀磁介质L 包含电流包含电流(传导传导,束缚束缚)仅仅包含传导电流包含传导电流用用 表示安培环路定理表示安培环路定理用用 表示安培环路定理表示安培环路定理完全等价P.16/磁介质磁介质 用磁介质中的安培环路用磁介质中的安培环路定律解题定律解题1.分析分析磁场的对称性磁场的对称性。2.选取积分回路选取积分回路3.计算计算 磁介质磁介质中的中的安培环路安培环路定理定理 l 仅仅包含传导电流包含传导电流4.利用利用P.17/磁介质磁介质 I
10、 例例 有两个半径分别为有两个半径分别为 和和 的的“无限长无限长”同同轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁导率为轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁导率为 的的磁介质磁介质.当两圆筒通有相反方向的电流当两圆筒通有相反方向的电流 时，试时，试 求求（1）磁介质中任意点）磁介质中任意点 P 的磁感应强度的的磁感应强度的 大小大小;（2）圆柱体外面一点）圆柱体外面一点 Q 的的 磁磁感强度感强度.解解 对称性分析对称性分析IP.18/磁介质磁介质 同理可求同理可求IIP.19/磁介质磁介质 无限长直载流导线通有电流无限长直载流导线通有电流I1，在同一平面内有长在同一平面内有长为为L的载流直导线，通有电
11、流的载流直导线，通有电流I2求求：长为长为L的导线所受的的导线所受的安培安培力力aI1dxxxO课课 堂堂 练练 习习I2P.20/磁介质磁介质 aI1xOI2解：解：在在L上任取上任取受力方向如图，受力方向如图，恒不变。恒不变。如图建立坐标系如图建立坐标系如图建立坐标系如图建立坐标系根据安培力公式：根据安培力公式：P.21/磁介质磁介质 11-3 铁磁质铁磁质一一 铁磁质的特点铁磁质的特点（4）存在居里点：存在居里点：（1）高磁导率高磁导率：（2）非线性：非线性：（3）具有磁滞现象：具有磁滞现象：铁：铁：T=1040K 镍：镍：T=631K临界温度时，失去铁磁性成为顺磁质。临界温度时，失去铁
12、磁性成为顺磁质。B的变化落后于的变化落后于H的变化。的变化。B和和H呈非线性关系，呈非线性关系，r很大但不是常量。很大但不是常量。磁化后能产生很强的附加磁场。磁化后能产生很强的附加磁场。P.22/磁介质磁介质 二二 铁磁质的磁化规律铁磁质的磁化规律 磁滞回线磁滞回线实验：实验：铁磁质为芯的螺线管，通以电流铁磁质为芯的螺线管，通以电流 I改变改变 I，测量，测量 H 值和值和 B 值值画出画出BH曲线曲线由由画出画出 曲线曲线MNPOO安培环路定理安培环路定理P.23/磁介质磁介质 O磁滞回线磁滞回线OP：起始磁化曲线起始磁化曲线Bs：饱和磁感应强度饱和磁感应强度Br：剩余磁感应强度剩余磁感应强
13、度（剩磁剩磁）HC：矫顽力矫顽力磁滞效应：磁滞效应：铁磁芯中感应强度铁磁芯中感应强度B变化变化落后落后于磁场强度于磁场强度H的变化。的变化。磁滞损耗：磁滞损耗：磁化过程中由于磁滞效应造成的能量损耗。磁化过程中由于磁滞效应造成的能量损耗。理论表明，缓慢磁化的情况下，沿磁滞回线经历一个循理论表明，缓慢磁化的情况下，沿磁滞回线经历一个循环，磁滞损耗与磁滞回线面积成正比。环，磁滞损耗与磁滞回线面积成正比。P.24/磁介质磁介质 三三 铁磁质的种类铁磁质的种类BHO软磁材料软磁材料磁滞损耗小，容易磁磁滞损耗小，容易磁化，容易退磁，适用化，容易退磁，适用于交变磁场。如制造于交变磁场。如制造电机，变压器等的
14、铁电机，变压器等的铁芯。如纯铁、硅钢片芯。如纯铁、硅钢片 BHO硬磁材料硬磁材料矫顽力较大，磁滞矫顽力较大，磁滞损耗较大，不易磁损耗较大，不易磁化，不易退磁，适化，不易退磁，适合于制造永磁体合于制造永磁体 如钴钢、碳钢、铁如钴钢、碳钢、铁氧体氧体BHO矩磁材料矩磁材料 适合于制作适合于制作记录磁带及计算记录磁带及计算机的记忆元件。机的记忆元件。实验表明，不同铁磁性物质的磁滞回线形状相差很大，分实验表明，不同铁磁性物质的磁滞回线形状相差很大，分为为软软磁材料，磁材料，硬硬磁材料，磁材料，矩矩磁铁氧体材料。磁铁氧体材料。P.25/磁介质磁介质 四四 铁磁质的磁化机理铁磁质的磁化机理 磁畴磁畴B B
15、磁畴体积：磁畴体积：磁畴体积：磁畴体积：1010-12-12 1010-8-8mm3 3包含原子：包含原子：包含原子：包含原子：101017 17 10102121个个个个在铁磁质内，相邻电子间在铁磁质内，相邻电子间存在很强的存在很强的“交换耦合作交换耦合作用用”，使得无外磁场时电，使得无外磁场时电子自旋磁矩能在一个个微子自旋磁矩能在一个个微小区域内自发地平行排列，小区域内自发地平行排列，形成的自发磁化小区域，形成的自发磁化小区域，称为称为“磁畴磁畴”。铁磁质的磁性主要来铁磁质的磁性主要来源于源于电子的自旋磁矩电子的自旋磁矩。P.26/磁介质磁介质 自发磁化自发磁化磁化过程：磁化过程：磁矩转向
16、磁矩转向磁饱和状态磁饱和状态磁滞现象：磁滞现象：撤去外场，磁壁很难完全恢复原状，撤去外场，磁壁很难完全恢复原状，保留部分磁性，这就是剩磁。保留部分磁性，这就是剩磁。居里点：居里点：当温度升高到居里点时，剧烈的热当温度升高到居里点时，剧烈的热运动使磁畴全部瓦解，铁磁质就成为一运动使磁畴全部瓦解，铁磁质就成为一般顺磁质。般顺磁质。畴壁移动畴壁移动铁的居里点：铁的居里点：T=1040=1040K 镍的居里点：镍的居里点：T=631=631K P.27/磁介质磁介质 传统磁性材料传统磁性材料 有机磁性材料有机磁性材料 都是周期表中的过渡族金属元素、稀土族元素及其化都是周期表中的过渡族金属元素、稀土族元
17、素及其化合物。具有合物。具有密度大密度大、难难加工加工合成等缺点合成等缺点,已无法满足现代电已无法满足现代电子工业的许多特殊需要。子工业的许多特殊需要。有机磁性材料具有诸如有机磁性材料具有诸如密度小密度小、重量轻重量轻、不易氧化不易氧化、易易加工加工成型等许多无机物所无法取代的优点。成型等许多无机物所无法取代的优点。其结构种类的多样其结构种类的多样性性,可用化学方法合成可用化学方法合成,可得到磁性能与可得到磁性能与机械、光、电机械、光、电等方面结等方面结合的合的综合性能综合性能,具有磁损耗小等特点。具有磁损耗小等特点。在超高频装置、高密度存贮材料、吸波材料、微电子工业在超高频装置、高密度存贮材
18、料、吸波材料、微电子工业和宇航等需要轻质磁性材料的领域有很大的应用前景。和宇航等需要轻质磁性材料的领域有很大的应用前景。补充：有机磁性材料补充：有机磁性材料 P.28/磁介质磁介质 一一 磁介质及分类磁介质及分类磁磁 导导 率率顺磁质顺磁质（非常数）（非常数）抗磁质抗磁质铁磁质铁磁质二二 磁介质的磁化磁介质的磁化*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小小 结结P.29/磁介质磁介质 同同向向时时 反反向向时时无外磁场时抗磁质无外磁场时抗磁质分子磁矩为零分子磁矩为零 抗磁质内磁场抗磁质内磁场抗抗磁磁质质的的磁磁化化P.30/磁介质磁介质 无无外外磁磁场场有有外外磁磁场场铁铁铁铁磁磁磁磁质质质质*三三 磁介质的安培环路定律磁介质的安培环路定律 磁介质磁介质中的中的安培环路安培环路定理定理 各向同性磁介质各向同性磁介质