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1、磁场中的磁介质()本讲稿第一页，共二十七页顺磁介质顺磁介质磁场磁场B B0 0中放入磁介质中放入磁介质磁介质发生磁化磁介质发生磁化产生附加磁场产生附加磁场B B 如铝、锰、铬等。如铝、锰、铬等。一、磁介质的磁化现象一、磁介质的磁化现象1.1.磁介质的分类磁介质的分类凡是能与磁场发生相互作用的物质叫凡是能与磁场发生相互作用的物质叫磁介质磁介质。顺磁介质中产生的附加磁场顺磁介质中产生的附加磁场 与外与外场场 方向相同方向相同，磁介质中的场，磁介质中的场 要比要比外场外场 大。大。抗磁介质抗磁介质 抗磁介质中产生的附加磁场抗磁介质中产生的附加磁场 与外与外场场 方向相反方向相反，磁介质中的场，磁介质
2、中的场 要比要比外场外场 小。小。如金属金、银、铜等。如金属金、银、铜等。本讲稿第二页，共二十七页铁磁介质铁磁介质 铁磁介质中产生的附加磁场铁磁介质中产生的附加磁场 与外与外场场 方向相同方向相同，但磁介质中的场，但磁介质中的场 远远大于大于外场外场 ，是外场的，是外场的几百到几万倍几百到几万倍。如金属钢、铁、钴、镍等。如金属钢、铁、钴、镍等。本讲稿第三页，共二十七页2.2.磁介质的磁化机制磁介质的磁化机制 类似电介质的讨论，从物质电结构类似电介质的讨论，从物质电结构来说明磁性的起源。来说明磁性的起源。NS相当于一相当于一磁偶极子磁偶极子 整个分子磁矩是其中各个电子的整个分子磁矩是其中各个电子
3、的轨道磁矩轨道磁矩和和自旋自旋磁矩磁矩以及以及核的自旋磁矩核的自旋磁矩的矢量和（核的自旋磁矩常可忽略）的矢量和（核的自旋磁矩常可忽略）。原子中电子参与两种运动：自旋及绕核的轨道运动，对原子中电子参与两种运动：自旋及绕核的轨道运动，对应有应有轨道磁矩轨道磁矩和和自旋磁矩自旋磁矩。顺磁质：顺磁质：由具有固有磁矩的分子组成。分子中各电子的磁矩由具有固有磁矩的分子组成。分子中各电子的磁矩不完全抵消不完全抵消，整个分子具整个分子具有一定的固有磁矩有一定的固有磁矩。抗磁质：抗磁质：分子中各电子的磁矩分子中各电子的磁矩完全抵消完全抵消，整个分子，整个分子无固有磁矩无固有磁矩本讲稿第四页，共二十七页（1 1）
4、顺磁质的磁化机制）顺磁质的磁化机制 磁介质是由大量分子或原子组成，磁介质是由大量分子或原子组成，无外场时，无外场时，顺磁质分子的磁矩排列杂顺磁质分子的磁矩排列杂乱无章，介质内分子磁矩的矢量和乱无章，介质内分子磁矩的矢量和 有外磁场时，有外磁场时，这些分子固有磁矩就要受到磁场的力矩作用，这些分子固有磁矩就要受到磁场的力矩作用，力力矩的方向力图使分子磁矩的方向矩的方向力图使分子磁矩的方向沿外场转向沿外场转向。分子磁矩的矢量和分子磁矩的矢量和:从介质从介质横截面看横截面看，介质内分子电流两两反向，相互抵消。导体，介质内分子电流两两反向，相互抵消。导体边缘分子电流同向边缘分子电流同向,未被抵消的分子电
5、流未被抵消的分子电流沿柱面流动沿柱面流动 等效等效Is 分子电流可等效成磁介质表分子电流可等效成磁介质表面的磁化电流面的磁化电流 Is，Is产生产生附加磁场。附加磁场。磁化电流磁化电流 Is 可产生附加磁场可产生附加磁场，但无热效应，因无宏观电荷移动，但无热效应，因无宏观电荷移动，磁化电流束缚在介质表面，磁化电流束缚在介质表面，也称为束缚电流也称为束缚电流。本讲稿第五页，共二十七页（2 2）抗磁质的磁化机制）抗磁质的磁化机制 对抗磁介质来说，对抗磁介质来说，无外磁场无外磁场时，各电子磁矩矢量和为时，各电子磁矩矢量和为 0，分，分子磁矩子磁矩 ,分子不显磁性分子不显磁性。抗抗磁磁材材料料在在外外
6、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，这这就就是是抗抗磁磁性性的的起源。起源。它是一切磁介质所共有的性质它是一切磁介质所共有的性质。同理，分子电流可等效成磁介质表面的磁化电流同理，分子电流可等效成磁介质表面的磁化电流 Is，Is产生附加磁场。产生附加磁场。Is等效等效 本讲稿第六页，共二十七页对于顺磁介质对于顺磁介质分子磁矩分子磁矩电子附加磁矩电子附加磁矩，顺磁效应，顺磁效应 抗磁效应抗
7、磁效应 ；抗磁介质中抗磁介质中电子附加磁矩起主要作用电子附加磁矩起主要作用，显抗磁性。，显抗磁性。抗磁性是一切磁介质固有的特性，它抗磁性是一切磁介质固有的特性，它不仅不仅存在于抗存在于抗磁介质中，磁介质中，而且而且存在于顺磁介质中；存在于顺磁介质中；明确几点：明确几点：本讲稿第七页，共二十七页二、磁介质中的安培环路定理二、磁介质中的安培环路定理1.1.磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理在真空中在真空中的安培环路定理中：的安培环路定理中：在介质中：在介质中：传导电流传导电流有磁介质的总磁场有磁介质的总磁场磁化电流磁化电流RIBHrI本讲稿第八页，共二十七页在介质中：在介质中：传导电流传
8、导电流有磁介质的总磁场有磁介质的总磁场 定义：定义：磁场强度磁场强度 在各向同性均匀介质中：在各向同性均匀介质中：磁化电流磁化电流可象研究电介质与电场的相互影响一样，通过可象研究电介质与电场的相互影响一样，通过引入适当的物理量加以简化引入适当的物理量加以简化。本讲稿第九页，共二十七页 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：磁场强度沿闭合路径的线积分，等于环路磁场强度沿闭合路径的线积分，等于环路所包围的所包围的传导电流的代数和传导电流的代数和，而与磁化电流无关，而与磁化电流无关。是一辅助物理量，描述磁场的基本物理量仍然是是一辅助物理量，描述磁场的基本物理量仍然
9、是 。是为消除磁化电流的影响而引入的，是为消除磁化电流的影响而引入的，2.2.明确几点：明确几点：和和 的名字的名字张冠李戴张冠李戴了。了。磁介质中的环路定理磁介质中的环路定理磁场强度的单位：磁场强度的单位：安培安培/米，米，A/m 是环路内、外电流共同产生的。是环路内、外电流共同产生的。本讲稿第十页，共二十七页电介质中的高斯定理电介质中的高斯定理磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理本讲稿第十一页，共二十七页3.3.应用介质中安培环路定理解题方法应用介质中安培环路定理解题方法(4)由由由由求求B求求 H；(1)场场对称性对称性分析；分析；(2)选取选取环路环路；(3)求环路内求环路内传
10、导电流传导电流的代数和的代数和 Ic；本讲稿第十二页，共二十七页例例1：长直螺线管半径为长直螺线管半径为 R，通有电流，通有电流 I，线圈密度为，线圈密度为 n,管内插有半径为管内插有半径为 r,相对磁导率为相对磁导率为 r 磁介质，求介质内磁介质，求介质内和管内真空部分的磁感应强度和管内真空部分的磁感应强度 B。解：解：由螺线管磁场分布可知，管内场各由螺线管磁场分布可知，管内场各处均匀一致，管外场为零处均匀一致，管外场为零RIBHrabcd1.介质内部介质内部 作作 abcda 矩形回路。矩形回路。在环路上应用在环路上应用介质中的环路定理：介质中的环路定理：在在bc和和da段路径上段路径上回
11、路内的传导电流代数和为：回路内的传导电流代数和为：本讲稿第十三页，共二十七页因因 cd 段在真空中，真空中段在真空中，真空中 B=0 则有则有IBHabcd2.管内真空中管内真空中作环路作环路 abcda;在环路上应用介质中在环路上应用介质中的安培环路定理，同理有：的安培环路定理，同理有：真空中真空中abcd本讲稿第十四页，共二十七页例例2 如如图图所所示示，一一半半径径为为R1的的无无限限长长圆圆柱柱导导体体（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
12、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）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）圆圆柱柱体体内内一一点点磁磁场场；（3）圆柱面外圆柱面外一点的磁场。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
13、作一一圆圆，取取此此圆圆为为积积分分回路，根据安培环路定理有回路，根据安培环路定理有IIIR1R2r2r1r3本讲稿第十五页，共二十七页（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，则则以以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 式中式中 是该环路所是该环路所包围的电流包围的电流部分，由此得部分，由此得IIIR1R2r2r1r3由由B H，得，得 （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路定理环路定理,考虑到环路中所包围的电流的代数和为零，所
14、以得考虑到环路中所包围的电流的代数和为零，所以得即即或或本讲稿第十六页，共二十七页11-2 铁磁质铁磁质 本讲稿第十七页，共二十七页装置：装置：环形螺绕环环形螺绕环;铁磁铁磁Fe,Co,NiFe,Co,Ni及稀钍族及稀钍族元素的化合物，能被强烈地磁化。元素的化合物，能被强烈地磁化。实验测量实验测量B,B,如用感应电动势测量或如用感应电动势测量或用小线圈在缝口处测量；用小线圈在缝口处测量；由由 得出得出 曲线。曲线。原理原理:励磁电流励磁电流 I;I;用安培定理得用安培定理得H H。当外磁场变化一个周期时，铁磁质内部的当外磁场变化一个周期时，铁磁质内部的磁场变化曲线如图所示；磁场变化曲线如图所示
15、；一、铁磁质的磁化曲线一、铁磁质的磁化曲线本讲稿第十八页，共二十七页起始磁化曲线为起始磁化曲线为 oc:BHoc 当外磁场减小时，介质中的磁场并不沿当外磁场减小时，介质中的磁场并不沿起始磁化曲线返回，而是滞后于外磁场变起始磁化曲线返回，而是滞后于外磁场变化，化，HcBrHc 当外磁场当外磁场为为 0 时，介质中的磁场时，介质中的磁场并不为并不为 0，有一剩磁，有一剩磁 Br 矫顽力矫顽力加反向磁场加反向磁场Hc，使介质内部，使介质内部的磁场为的磁场为 0，继续增加反向磁场，介质达，继续增加反向磁场，介质达到反向磁饱和状态；改变外磁场为正向磁场，到反向磁饱和状态；改变外磁场为正向磁场，不断增加外
16、场，介质又达到正向磁饱和状态。不断增加外场，介质又达到正向磁饱和状态。磁化曲线形成一磁化曲线形成一条条磁滞回线磁滞回线。结论结论铁磁质的铁磁质的 不是一个常数，不是一个常数，它是它是 的函数。的函数。B的变化的变化落后落后于于H，从而具有剩磁，即，从而具有剩磁，即磁磁滞效应滞效应。磁滞现象磁滞现象一、铁磁质的磁化曲线一、铁磁质的磁化曲线本讲稿第十九页，共二十七页 在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁质不显磁性；在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁质不显磁性；Bo(1)磁畴：磁畴：铁磁质中由于原子的强烈铁磁质中由于原子的强烈作用，在铁磁质中形成磁场很强的作用，在铁磁质中形成磁场很强的小区域小
17、区域 磁畴。磁畴的体积约为磁畴。磁畴的体积约为 10-12 m3 。在外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场迅速在外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场迅速增加，在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。增加，在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。二、铁磁质的磁化机制二、铁磁质的磁化机制本讲稿第二十页，共二十七页随着外磁场增加，能够提供转向的磁畴越来越少，铁磁质中的磁随着外磁场增加，能够提供转向的磁畴越来越少，铁磁质中的磁场增加的速度变慢，最后外磁场再增加，介质内的磁场也不会增场增加的速度变慢，最后外磁场再增加，介质内的磁场也不会增加，铁磁质达到磁饱和状态。加，铁磁质达到磁饱和状态。磁饱和状态
18、磁饱和状态HBoabcd起始磁化曲线起始磁化曲线饱和磁化强度饱和磁化强度M MS S等于每个磁畴中原来的磁化强度，该值等于每个磁畴中原来的磁化强度，该值很大，这就是铁磁质磁性很大，这就是铁磁质磁性 r r大的原因。大的原因。磁滞磁滞 (hysteresishysteresis)现象是由于掺杂和内应力等的作用，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。现出来。本讲稿第二十一页，共二十七页(1)加热法加热法 当铁磁质的温度升高到某一温度时，磁性消失，由铁当铁磁质的温度升高到某一温度时，磁性消失，由铁磁
19、质变为顺磁质，该温度为磁质变为顺磁质，该温度为居里温度居里温度 tc。当温度低于。当温度低于 tc 时，又由顺磁质转变为铁磁质。时，又由顺磁质转变为铁磁质。铁的居里温度铁的居里温度 tc=770C；30%的坡莫合金居里温度的坡莫合金居里温度 tc=70C；利用铁磁质具有居里温度的特点，可将其制作温控元利用铁磁质具有居里温度的特点，可将其制作温控元件，如件，如电饭锅自动控温电饭锅自动控温。原因：原因：由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧，提供了由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧，提供了磁畴转向的能量，使铁磁质失去磁性。磁畴转向的能量，使铁磁质失去磁性。(2)敲击法：敲击法：通过振动可提
20、供磁畴转向的能量，使介质失去磁性。通过振动可提供磁畴转向的能量，使介质失去磁性。如敲击永久磁铁会使磁铁磁性减小。如敲击永久磁铁会使磁铁磁性减小。三、退磁方法三、退磁方法本讲稿第二十二页，共二十七页(4)加交变衰减的磁场：加交变衰减的磁场：使介质中的磁场逐渐衰减为使介质中的磁场逐渐衰减为 0，应用在录音，应用在录音机中的交流抹音磁头中。机中的交流抹音磁头中。(3)加反向磁场：加反向磁场：提供一个矫顽力提供一个矫顽力Hc,使铁磁质退磁。使铁磁质退磁。(1)软磁材料软磁材料磁滞回线细长，剩磁很小。磁滞回线细长，剩磁很小。象软铁、坡莫合金、硒钢片、铁铝合金、铁镍合金等。象软铁、坡莫合金、硒钢片、铁铝合
21、金、铁镍合金等。由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如变压器铁芯、继电器、电动机转子、磁场中，如变压器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软件磁性材料制成。定子都是用软件磁性材料制成。(2)硬磁性材料硬磁性材料 磁滞回线较粗，剩磁很大，磁滞回线较粗，剩磁很大，这种材料充磁后不易退磁，适合做永久这种材料充磁后不易退磁，适合做永久磁铁。磁铁。如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。可用在磁电式电表、永磁扬声器、如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。可用在磁电式电表、永磁扬声器、耳机以及雷达中的磁控管等。耳机以及雷达中的磁控管等。四、铁磁材料分类四、铁磁材料分类本讲稿第二十三页
22、，共二十七页(3)非金属氧化物非金属氧化物-铁氧体铁氧体 磁滞回线呈矩形，又称磁滞回线呈矩形，又称矩磁材料矩磁材料，剩，剩磁接近于磁饱合磁感应强度，具有高磁导率、磁接近于磁饱合磁感应强度，具有高磁导率、高电阻率。高电阻率。它是由它是由Fe2O3和其他二价的金属氧化物（如和其他二价的金属氧化物（如NiO，ZnO等等粉末混合烧结而成。粉末混合烧结而成。可作磁性记忆元件。可作磁性记忆元件。1911年，荷兰物理学家年，荷兰物理学家HK 昂纳斯昂纳斯及其助手首先发现在温度降至液及其助手首先发现在温度降至液氦的沸点（氦的沸点（4.2K）以下时，水银的电阻为）以下时，水银的电阻为0。五、超导体五、超导体在低
23、温下某些物质失去电阻的性质，成为在低温下某些物质失去电阻的性质，成为超导体超导体。1913年昂纳斯因他在低温物理和超导领域所做的杰出贡献，年昂纳斯因他在低温物理和超导领域所做的杰出贡献，获诺贝尔获诺贝尔物理学奖物理学奖。本讲稿第二十四页，共二十七页1.超导体的基本性质：超导体的基本性质：（1）零电阻率）零电阻率 超导体在临界温度以下时，电阻为零，所以它可以通过很大超导体在临界温度以下时，电阻为零，所以它可以通过很大的电流，而几乎无热损耗。的电流，而几乎无热损耗。（2）迈斯纳效应迈斯纳效应完全抗磁性完全抗磁性 1933年德国物理学家年德国物理学家W.迈斯纳迈斯纳发现：发现：将超导体放入磁场中，表
24、面产生将超导体放入磁场中，表面产生超超导电流导电流，超导电流产生的磁场与外磁，超导电流产生的磁场与外磁场抵消，使场抵消，使超导体内的磁感应强度为超导体内的磁感应强度为 0。NmgF 超导体在磁场中由于超导电流产生的磁场与超导体在磁场中由于超导电流产生的磁场与外磁场的斥力作用，使超导体可外磁场的斥力作用，使超导体可悬浮在空中悬浮在空中。本讲稿第二十五页，共二十七页 由于超导体内电阻为由于超导体内电阻为0，超导电流不会产生热量超导电流不会产生热量，超导电流也就不会消，超导电流也就不会消失，超导体一直会悬浮在磁场中。失，超导体一直会悬浮在磁场中。超导重力仪超导重力仪:用来预测地震，当地震发生之前，地
25、表面的重力场会发用来预测地震，当地震发生之前，地表面的重力场会发生变化，超导球的位置也会发生变化，由此生变化，超导球的位置也会发生变化，由此预测地震预测地震。超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车:磁悬浮列车时速超过磁悬浮列车时速超过500公里公里/小时。小时。2.超导体的应用超导体的应用 无损耗输电无损耗输电:传统输电中要产生焦耳热损耗，在传统输电中要产生焦耳热损耗，在 10%20%，采用超导，采用超导体输电，几乎没有电能损失，而且不需要升压，可以不用变压器设备，也体输电，几乎没有电能损失，而且不需要升压，可以不用变压器设备，也不必架设高压线，可以在地下管道中。甚至可以直接传输直流电。不必架设高压线，
26、可以在地下管道中。甚至可以直接传输直流电。本讲稿第二十六页，共二十七页 美国在美国在 磁谱仪磁谱仪中，将采用超导磁铁产生强磁场，中，将采用超导磁铁产生强磁场，2003 年年再次送入再次送入地球轨道，观察地球轨道，观察暗物质暗物质和和反物质反物质高温超导现已达到高温超导现已达到-153C。产生强磁场产生强磁场 因超导体无热损耗，可通过很大电流，如用超导芯线为因超导体无热损耗，可通过很大电流，如用超导芯线为Nb3Sn。其其最大电流密度为最大电流密度为 109 A/m2,在承受相同电流的情况下，在承受相同电流的情况下，超导芯线可以细得多，超导磁铁不仅效率高，而且可以做得很轻超导芯线可以细得多，超导磁铁不仅效率高，而且可以做得很轻便。例如，一个能产生便。例如，一个能产生 5T 的中型电磁铁的重量可达的中型电磁铁的重量可达 20 吨吨，而超导，而超导磁铁的重量不过磁铁的重量不过几公斤几公斤。本讲稿第二十七页，共二十七页