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1、物理学下 14磁介质中的安培环路定理张宏浩1可见，一、一、磁介质的分类磁介质的分类9-69-6 磁介质磁介质磁介质磁介质磁介质磁介质能与磁场产生相互作用的物质能与磁场产生相互作用的物质磁化磁化磁介质在磁场作用下所发生的变化磁介质在磁场作用下所发生的变化（1）顺磁质）顺磁质（3）铁磁质）铁磁质（2）抗磁质）抗磁质（4）超导体）超导体根据根据 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 附加磁场附加磁场磁导率磁导率描述不同磁介质磁化后描述不同磁介质磁化后对原外对原外磁场的影响磁场的影响二二.顺磁质与抗磁质的磁化顺磁质与抗磁质的磁化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1、顺磁质及其磁化、顺磁质及其磁化分子的固有磁矩不为零分子的固有磁矩不为零无外磁场作用时，由无外磁场作用时，由于分子的热运动，分于分子的热运动，分子磁矩取向各不相同子磁矩取向各不相同,整个介质不显磁性。整个介质不显磁性。分分子子磁磁矩矩 有外磁场时，分子磁矩要有外磁场时，分子磁矩要受到一个力矩的作用，受到一个力矩的作用，使分子使分子磁矩转向外磁场的方向磁矩转向外磁场的方向。分子磁矩产生的磁场方向和外磁场方向一致，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。顺磁质
3、磁化结果，使介质内部磁场增强。2、抗磁质及其磁化、抗磁质及其磁化 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绕核的轨道运动电子本身自旋电子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可见，磁化强度即是磁介质的磁矩密度磁矩密度定义定义:磁化强度磁化强度*三、三、磁化强度磁化强度Is磁化电流磁化电流js沿轴线单位长度上的磁
4、化电流（磁化面电流密度）沿轴线单位长度上的磁化电流（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。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。四、四、磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理1、磁化强度与磁化电流的关系、磁化强度与磁化电流的关系磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理S2.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
5、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3、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传导电流的线积分（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。电流的代数和，而与磁化电流无关。单位单位：安培：安培/米米(A/m)五、磁场强度、磁感应强度的关系五、磁场强度、磁感应强度的关系介质的磁导率介质的磁导率磁化率磁化率m的正负性的正负性顺磁质与抗磁质对比顺磁质与抗磁质对比电介质中的电介质中的高斯定理高斯定理磁介质中的磁介质中
6、的安培环路定理安培环路定理 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，相对磁导率为率为r的顺磁质。环的横截面半径远小于环的半径。的顺磁质。环的横截面半径远小于环的半径。单位单位长度的长度的导线匝数为导线匝数为n，每根导线的电流强度为每根导线的电流强度为I。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：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，通有电流I，设电流，设电流 I 均匀分布在整个
7、横截面上。柱体的磁导率为均匀分布在整个横截面上。柱体的磁导率为，柱，柱外为真空。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在分界面上在分界面上H 连续连续,B 不连续不连续IR1、磁化曲线磁化曲线装置装置：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,如用感应电动势如用感应电动势测量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 不一定是个常数，不一定是个常数，它是它是 的函数的函数六、六、六、
8、六、铁磁质铁磁质铁磁质铁磁质原理原理:励磁电流励磁电流 I;用安培定理得用安培定理得H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强度磁滞回线磁滞回线剩剩 磁磁2、磁滞回线磁滞回线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与磁化的历史有关。与磁化的历史有关。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。铁铁磁体与铁电体磁体与铁电体类似；在交变场的作用下，它的形
9、状类似；在交变场的作用下，它的形状会随之变化，称为会随之变化，称为磁致伸缩磁致伸缩（10-5数量级）它可用做数量级）它可用做换能器，在超声及检测技术中大有作为。换能器，在超声及检测技术中大有作为。3 3、磁、磁 畴畴 根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的在很强的“交换耦合作用交换耦合作用”，使得在无外磁场作用，使得在无外磁场作用时，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列，时，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列，形成自发磁化达到饱和状态的微小区域。形成自发磁化达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
10、构 示意图示意图显示磁畴结构的铁粉图形显示磁畴结构的铁粉图形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Si-Fe单晶单晶(001)面的面的磁畴结构磁畴结构箭头表示箭头表示磁化方向磁化方向临界温度临界温度(铁磁质的铁磁质的居里点居里点)每种磁介质当温度升高到一定程度时，由高磁每种磁介质当温度升高到一定程度时，由高磁导率、磁滞、磁致伸缩等一系列特殊状态全部消失，导率、磁滞、磁致伸缩等一系列特殊状态全部消失，而变为顺磁性。而变为顺磁性。不同铁磁质具有不同的转变温度不同铁磁质具有不同的转变温度如：铁为如：铁为 1040K，钴为，钴为 1390K，镍为镍为 630K 用磁畴理论可以解释
11、铁磁质的磁化过程、磁用磁畴理论可以解释铁磁质的磁化过程、磁滞现象、磁滞损耗以及居里点。滞现象、磁滞损耗以及居里点。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
12、系。不是线性关系。4、铁磁质的分类及其应用、铁磁质的分类及其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）。饱和磁大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。饱和磁感应强度大，感应强度大，矫顽力矫顽力(Hc)小，磁滞回线的面积窄而小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小（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还用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。磁芯、磁棒。(1)软磁材料软磁材料(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使使磁芯呈磁芯呈+B态，态，则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