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1、7.8 7.8 磁介质磁介质7-8-1 物质的磁性 B0传导电流在真空中的磁场传导电流在真空中的磁场B介质中的合磁场介质中的合磁场=B0BB+B介质磁化所产生的附加磁场介质磁化所产生的附加磁场类比电介质中的电场类比电介质中的电场传导电流产生传导电流产生与介质有关的电流产生与介质有关的电流产生定义定义相对磁导率相对磁导率 =0 r 称为称为磁导磁导率率三类磁介质：三类磁介质：三类磁介质：三类磁介质：（1）顺磁质顺磁质:介质磁化后呈弱磁性。介质磁化后呈弱磁性。附加磁场附加磁场B 与外场与外场B0同向同向,r 1。如：锰、铬、铂、氮。如：锰、铬、铂、氮。（2）抗磁质抗磁质:介质磁化后呈弱磁性介质磁化
2、后呈弱磁性。附加磁场附加磁场B 与外场与外场B0反向，反向，r 1。（4）完全抗磁体完全抗磁体：（r 0）：）：磁介质内的磁场等于磁介质内的磁场等于零（如超导体）。零（如超导体）。如：水银、铜、硫、氢、金、银。如：水银、铜、硫、氢、金、银。如：铁、镍、钴、铁氧体如：铁、镍、钴、铁氧体磁介磁介质质种种类类种种 类类温度温度相相对对磁磁导导率率 r 1铋铋汞汞铜铜氢氢（气）（气）293K293K293K1-16.610-51-2.910-51-1.010-51-3.8910-5 r 1氧（液）氧（液）氧（气）氧（气）铝铝铂铂90K293K293K293K1+769.910-51+334.910-5
3、1+1.6510-51+26.010-5 r 1铸钢铸钢铸铁铸铁硅硅钢钢坡莫合金坡莫合金2.2103（最大（最大值值）4102（最大（最大值值）7102（最大（最大值值）1105（最大（最大值值）r 0汞汞铌铌小于小于4.15K小于小于9.26K00分子磁矩分子磁矩分子磁矩分子磁矩 顺磁质和抗磁质的磁化顺磁质和抗磁质的磁化顺磁质和抗磁质的磁化顺磁质和抗磁质的磁化 近代科学实践证明，组成分子或原子中的电子，近代科学实践证明，组成分子或原子中的电子，不仅存在绕原子核的轨道运动，还存在自旋运动。这不仅存在绕原子核的轨道运动，还存在自旋运动。这两种运动都能产生磁效应。把分子或原子看作一个整两种运动都能
4、产生磁效应。把分子或原子看作一个整体，分子或原子中各电子对外产生磁效应的总和，可体，分子或原子中各电子对外产生磁效应的总和，可等效于一个圆电流，称为等效于一个圆电流，称为“分子电流分子电流”。分子电流的。分子电流的磁矩称为磁矩称为“分子磁矩分子磁矩”表示为表示为 。+-+各电子磁矩各电子磁矩+-分子磁矩分子磁矩 无外磁场作用时，由于分子的热运动，分子无外磁场作用时，由于分子的热运动，分子磁矩取向各不相同磁矩取向各不相同,整个介质不显磁性。整个介质不显磁性。分分子子磁磁矩矩特点：存在分子固有磁矩。特点：存在分子固有磁矩。1.顺磁质无外磁场：无外磁场：无外磁场：无外磁场：MpmB=+B0pmM 有
5、外磁场时，分子磁矩要受到一个力矩有外磁场时，分子磁矩要受到一个力矩的作用。的作用。MB0这一力矩使分子磁矩转向外磁场的方向这一力矩使分子磁矩转向外磁场的方向.I.+l.B0sasa磁化面电流磁化面电流分子电流分子电流M这些分子磁矩对应的这些分子磁矩对应的分子电流分子电流在磁介质内部流向相反，在磁介质内部流向相反，它们的磁作用相互抵消；而在表面流向相同，形成一层它们的磁作用相互抵消；而在表面流向相同，形成一层磁化（束缚）磁化（束缚）电流，该电流，该磁化磁化电流产生的磁场就是介质磁电流产生的磁场就是介质磁化后所产生的化后所产生的附加附加磁场，其方向与原磁场方向相同。磁场，其方向与原磁场方向相同。顺
6、磁质磁化结果，使介质内部磁场增强。顺磁质磁化结果，使介质内部磁场增强。B0B0B 即：即：B 即分子中所有电子自旋磁矩和轨道磁即分子中所有电子自旋磁矩和轨道磁 矩的矢矩的矢量和为零。量和为零。但但抗磁质分子在磁场中会产生抗磁质分子在磁场中会产生附加附加（感生）磁矩，（感生）磁矩，与这些附加（感生）磁矩对应的分子电流同样会在与这些附加（感生）磁矩对应的分子电流同样会在介质的表面形成一层介质的表面形成一层磁化磁化电流，该电流，该磁化磁化电流产生的电流产生的磁场就是介质磁化后所产生的磁场就是介质磁化后所产生的附加磁场附加磁场。2.2.2.2.抗磁质抗磁质抗磁质抗磁质特点：特点：分子固有磁矩等于零，因
7、此不存在顺磁效应。分子固有磁矩等于零，因此不存在顺磁效应。+-+-可以证明：附加磁矩方向和外磁场可以证明：附加磁矩方向和外磁场相反相反，所以抗磁，所以抗磁质磁化结果，使介质内部磁场减弱。质磁化结果，使介质内部磁场减弱。即：即：B0B抗磁效应抗磁效应注意：注意：注意：注意：在抗磁质和顺磁质中都会存在抗磁效应，在抗磁质和顺磁质中都会存在抗磁效应，只是抗磁效应与顺磁效应相比较要小得多，只是抗磁效应与顺磁效应相比较要小得多，因此在顺磁质中，抗磁效应被顺磁效应所掩盖。因此在顺磁质中，抗磁效应被顺磁效应所掩盖。7-8-2 磁化强度与磁化电流1.1.磁化强度磁化强度 磁化强度：磁化强度：磁化强度：磁化强度：
8、磁介质中某一点处单位体积内分子磁磁介质中某一点处单位体积内分子磁磁介质中某一点处单位体积内分子磁磁介质中某一点处单位体积内分子磁矩的矢量和矩的矢量和矩的矢量和矩的矢量和。单位：磁化强度是空间坐标的矢量函数。当磁化强度磁化强度是空间坐标的矢量函数。当磁化强度矢量为恒矢量时，磁介质被均匀磁化。矢量为恒矢量时，磁介质被均匀磁化。注意注意:2.2.磁化电流磁化电流 以长直螺线管为例：以长直螺线管为例：介质磁化以后，由于分子磁矩的有序排列，其介质磁化以后，由于分子磁矩的有序排列，其宏观效果是在介质横截面边缘出现环形电流，这宏观效果是在介质横截面边缘出现环形电流，这种电流称为种电流称为“磁化电流磁化电流”
9、（Is）。）。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：磁化电流是分子电流规则排列的宏观反映，并磁化电流是分子电流规则排列的宏观反映，并不伴随电荷的定向运动，不产生热效应。而传导电不伴随电荷的定向运动，不产生热效应。而传导电流是由大量电荷作定向运动而形成的。流是由大量电荷作定向运动而形成的。磁化面电流密度：磁化面电流密度：介质表面单位长度上的磁化电流介质表面单位长度上的磁化电流磁化强度矢量：磁化强度矢量：IslIs结论：结论：磁化强度在数值上等于磁化电流面密度，它磁化强度在数值上等于磁化电流面密度，它们之间的关系由右手螺旋法则确定。
10、们之间的关系由右手螺旋法则确定。adcb结论：结论：磁化强度磁化强度 沿闭合回路的环流，等于穿过回沿闭合回路的环流，等于穿过回路所包围面积的磁化电流路所包围面积的磁化电流。7-8-3 磁介质中的磁场 磁场强度 磁介质在磁化后，由于外磁场磁介质在磁化后，由于外磁场 和附加磁场和附加磁场 都属于涡旋场。因此，在有磁介质存在时，磁场中都属于涡旋场。因此，在有磁介质存在时，磁场中的高斯定理仍成立。的高斯定理仍成立。1.有介质存在时的高斯定理有介质存在时的高斯定理 2.有介质存在时的安培环路定理有介质存在时的安培环路定理 定义“磁场强度”存在磁介质时的安培环路定理：存在磁介质时的安培环路定理：实验指出：
11、实验指出：M=m H系数系数 m称为称为“磁化率磁化率”结论：结论：磁场强度磁场强度 沿任一闭合回路的环路积分，沿任一闭合回路的环路积分，等于闭合回路所包围并穿过的传导电流的代数和等于闭合回路所包围并穿过的传导电流的代数和（在形式上与磁介质中的磁化电流无关）。（在形式上与磁介质中的磁化电流无关）。单位：令：令：称为磁介质的称为磁介质的“相对磁导率相对磁导率”令：令：称为磁导率称为磁导率（1 1）在真空中：）在真空中：（2 2）在顺磁质中：）在顺磁质中：（3 3）在抗磁质中：）在抗磁质中：顺磁质、抗磁质的磁化率顺磁质、抗磁质的磁化率 材材 料料 温度温度/K c c m/10-5 明明 矾（含铁
12、）矾（含铁）4 4830顺顺 明明 矾（含铁）矾（含铁）90 213 明明 矾（含铁）矾（含铁）293 66 磁磁 氧（液态）氧（液态）293 152 氧气氧气 293 0.19质质 钠钠 293 0.72 铀铀 293 40 铝铝 293 2.2抗抗 铋铋 293 -16.6磁磁 水水 银银 293 -2.9质质 银银 293 -2.6 铅铅 293 -1.8 铜铜 293 -1.0=N IN 匝数匝数:()例题例题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，相对相对磁导率为磁导率为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。求：环内
13、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得：得：H=r2N IHldl.=r2H=n IB=mHmrm0nI=r解:.Hldl=r2H=2rIR2 例题例题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，柱外真柱外真空。求：柱内外各区域的磁场强度和磁感应强度。空。求：柱内外各区域的磁场强度和磁感应强度。B=R2Ir2H=R2I r2得：得：=IIIH0RrRr 2.B=r2I0HrR2IRO2IR0BrR2IRO铁磁质铁磁质:铁磁质是一种强磁质，磁化后的铁磁质是一种强磁质，
14、磁化后的附加磁感应强度远大于外磁场的附加磁感应强度远大于外磁场的磁感应强度。磁感应强度。如：如：铁、镍、钴、铁、镍、钴、铁氧体。铁氧体。B=H铁磁质：铁磁质：B与与H之之间的关系比较复杂，间的关系比较复杂，不是一个常量。不是一个常量。顺磁质与抗磁质：顺磁质与抗磁质：B与与H有线性关系，有线性关系，为一常量。即：为一常量。即：实验测定的实验测定的 B 与与 H 之间的关系曲线之间的关系曲线,称为磁化特性称为磁化特性曲线或曲线或磁滞回线磁滞回线。7-8-4 铁磁质1.磁滞回线磁滞回线 e eKIRG 冲击冲击电流计电流计探测探测线圈线圈 铁环铁环(试件试件)开关开关 磁场强度磁场强度H的测量式：的
15、测量式：来确定。来确定。由由H=n I用冲击电流计用冲击电流计G,可以测出可以测出感应电量感应电量q,由此间接地测由此间接地测出出B。测定磁化曲线的实验装置测定磁化曲线的实验装置OBHACDB.EF.HCBs.BrHs.初始磁初始磁化曲线化曲线Br剩剩 磁磁.HsBs.饱和磁感应强度饱和磁感应强度矫顽力矫顽力HC磁滞回线磁滞回线 铁磁质的特点：铁磁质的特点：能产生非常强的附加磁场能产生非常强的附加磁场B甚至是外磁场的千百倍。甚至是外磁场的千百倍。而且与外场同方向。而且与外场同方向。B 和和H 呈非线性关系，呈非线性关系，不是一个恒量。不是一个恒量。它的值不它的值不仅决定于原线圈中的电流，还决定
16、于铁磁质样品磁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。化的历史。高高 值。值。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。磁滞现象，磁滞现象，B 的变化落后于的变化落后于H的变化。的变化。居里点：居里点：当温度达到一定时，铁磁质转变为顺磁质，当温度达到一定时，铁磁质转变为顺磁质，称这一温度为称这一温度为“居里点居里点”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.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 铁磁质的磁性主要来源于电子自旋磁矩。根据量子铁磁质的磁性主要来源于
17、电子自旋磁矩。根据量子力学理论，电子之间存在一种很强的力学理论，电子之间存在一种很强的“交换耦合作用交换耦合作用”，它使电子自旋在平行排列时能量更低。因此，在没有，它使电子自旋在平行排列时能量更低。因此，在没有外磁场的条件下，铁磁质的电子自旋磁矩能在小区域内外磁场的条件下，铁磁质的电子自旋磁矩能在小区域内“自发地自发地”平行排列，形成一个个小的平行排列，形成一个个小的“自发磁化区自发磁化区”，这些自发磁化区叫做，这些自发磁化区叫做“磁畴磁畴”.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 2.磁畴磁畴 磁畴大小：磁畴大小：每个磁畴所含分子数：每个磁畴所含分子数：铁
18、磁质在外磁场中的铁磁质在外磁场中的磁化过程主要为畴壁磁化过程主要为畴壁的移动和磁畴内磁矩的移动和磁畴内磁矩的转向。的转向。自发磁化方向自发磁化方向逐渐转向外磁场方逐渐转向外磁场方向（磁畴转向），向（磁畴转向），直到所有磁畴都沿直到所有磁畴都沿外磁场方向整齐排外磁场方向整齐排列时，铁磁质就达列时，铁磁质就达到磁饱和状态。到磁饱和状态。3.磁滞损耗磁滞损耗 在交变电磁场中，铁磁质的反复磁化，将引起在交变电磁场中，铁磁质的反复磁化，将引起介质的发热，称为磁滞损耗。介质的发热，称为磁滞损耗。实验和理论都可以证明，磁滞损耗和磁滞回线实验和理论都可以证明，磁滞损耗和磁滞回线所包围的面积成正比。所包围的面积
19、成正比。BH4.4.铁磁质的分类铁磁质的分类铁磁质的分类铁磁质的分类磁性材料磁性材料磁性材料磁性材料：HB软磁材料：软磁材料：磁滞回线细而窄，矫顽磁滞回线细而窄，矫顽力小。力小。磁滞损耗小，容磁滞损耗小，容易磁化，容易退磁，易磁化，容易退磁，适用于交变磁场。如适用于交变磁场。如制造电机，变压器等制造电机，变压器等的铁芯。的铁芯。硬磁材料：硬磁材料：HB磁滞回线较宽，剩余磁滞回线较宽，剩余磁感应强度和矫顽力磁感应强度和矫顽力都比较大。都比较大。适合于制造永磁体适合于制造永磁体HB矩磁材料：矩磁材料：磁滞回线接近于矩磁滞回线接近于矩形，剩余磁感应强度形，剩余磁感应强度Br接近于饱和磁感应强接近于饱和磁感应强度度Bs。适合于制作记录磁适合于制作记录磁带及计算机的记忆带及计算机的记忆元件。元件。