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1、磁介质磁化磁介质磁化1.磁介质磁介质磁介质磁介质:实体物质在磁场作用下呈现磁性实体物质在磁场作用下呈现磁性,该物体称磁介质。该物体称磁介质。1 磁介质的磁化磁介质的磁化 磁化强度矢量磁化强度矢量电介质极化：电介质极化：磁介质磁化：磁介质磁化：总磁感强度总磁感强度外加磁感强度外加磁感强度附加磁感强度附加磁感强度磁化磁化:磁介质在磁场中呈现磁性磁介质在磁场中呈现磁性(在磁场的作用下产生附加在磁场的作用下产生附加磁场磁场)的现象称为磁化。的现象称为磁化。磁介质的三种类型：磁介质的三种类型：顺磁质、抗磁质、铁磁质顺磁质、抗磁质、铁磁质。电学与磁学电学与磁学类比：类比：2实验发现实验发现：有、无磁介质的
2、螺旋管：有、无磁介质的螺旋管内磁感应强度的比值，可表征它们内磁感应强度的比值，可表征它们在磁场中的性质。在磁场中的性质。相对磁导率相对磁导率:顺磁质：顺磁质：如氧、铝、钨、铂、铬等。如氧、铝、钨、铂、铬等。磁介质磁介质抗磁质：抗磁质：铁磁质：铁磁质：如氮、水、铜、银、金、铋等。如氮、水、铜、银、金、铋等。如铁、钴、镍等，如铁、钴、镍等，超导体是理想的抗磁体。超导体是理想的抗磁体。B 与与B0 同方向，同方向，B 与与B0 反方向，反方向，B 与与B0 同方向，同方向，32.2.分子电流模型和分子磁矩分子电流模型和分子磁矩 原子中电子参与两种运动：自原子中电子参与两种运动：自旋及绕核的轨道运动，
3、对应有轨道旋及绕核的轨道运动，对应有轨道磁矩和自旋磁矩。磁矩和自旋磁矩。用等效的分子电流的磁效应来用等效的分子电流的磁效应来表示各个电子对外界磁效应的总合，表示各个电子对外界磁效应的总合，称为分子固有磁矩。称为分子固有磁矩。抗磁质抗磁质：顺磁质：顺磁质：未加外磁场时未加外磁场时:在抗磁质中，原子或分子中在抗磁质中，原子或分子中所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩矢量和为零。矢量和为零。类比：类比：电介质电介质的微观图象的微观图象有极分子、无极分子。有极分子、无极分子。在外电场作用下，分别有在外电场作用下，分别有取向取向极化、极化、位移位移极化。极化。电偶极子模型：电偶极子模
4、型：4加外磁场时加外磁场时:顺磁质：顺磁质：当外磁场存在时，各分子当外磁场存在时，各分子固有固有磁矩受磁场力矩的作用，或磁矩受磁场力矩的作用，或多或少地转向磁场方向多或少地转向磁场方向 顺磁质顺磁质的磁化。的磁化。怎么解释抗磁质：怎么解释抗磁质：B B0，B 与与B0 反方向反方向!5*电子的进动：电子的进动：在外磁场作用下，每个电子除了保持环绕原在外磁场作用下，每个电子除了保持环绕原子核的运动和电子本身的自旋以外，还要附加电子磁矩子核的运动和电子本身的自旋以外，还要附加电子磁矩以以外磁场方向为轴线的转动外磁场方向为轴线的转动。进动进动 可以证明：可以证明：不论电子原来的磁矩与磁场方向之间的夹
5、角不论电子原来的磁矩与磁场方向之间的夹角是何值，这种是何值，这种进动进动等效圆电流等效圆电流附加磁矩附加磁矩 Pm的方向永远与的方向永远与B0 的方向相反。的方向相反。方向一致!进动进动6 抗抗磁磁材材料料在在外外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，这这就就是是抗磁性的起源。抗磁性的起源。在在顺顺磁磁体体内内任任意意取取一一体体积积元元 V，其其中中各各分分子子固固有有磁磁矩矩的的矢矢
6、量量和和 将将有有一一定定的的量量值值，因因而而在在宏宏观观上上呈呈现现出出一一个个与与外磁场同向的附加磁场，这就是顺磁性的起源。外磁场同向的附加磁场，这就是顺磁性的起源。3.3.抗磁质的磁化抗磁质的磁化4.4.顺磁质的磁化顺磁质的磁化抗抗磁质：磁质：对顺磁质，对顺磁质，可以忽略可以忽略72010年首个诺贝尔奖+搞笑诺贝尔奖双料得主诞生荷兰科学家Andre Geim。十年前他因磁悬浮青蛙获得搞笑诺贝尔奖。十年后他因石墨烯（graphene）的结构获诺贝尔奖。青蛙属于抗磁质。当青蛙被放到磁场中，青蛙的每个原子都像一个青蛙属于抗磁质。当青蛙被放到磁场中，青蛙的每个原子都像一个小磁针，外界磁场对这些
7、小磁针作用的结果产生了向上的力，如果小磁针，外界磁场对这些小磁针作用的结果产生了向上的力，如果磁场的强度适当，这力与青蛙受的重力达到平衡，它们就能悬在空磁场的强度适当，这力与青蛙受的重力达到平衡，它们就能悬在空中。中。实际上动物都属于抗磁实际上动物都属于抗磁质，只要用足够强的磁质，只要用足够强的磁场，就有可能使人悬浮场，就有可能使人悬浮起来。起来。8反映磁介质磁化程度反映磁介质磁化程度(大小与方向大小与方向)的物理量。的物理量。均匀磁化均匀磁化磁化强度：磁化强度：单位体积内所有分子固有磁矩的矢量和单位体积内所有分子固有磁矩的矢量和 加上附加磁矩的矢量和加上附加磁矩的矢量和 ，称为磁化强度。，称
8、为磁化强度。磁化强度的单位：磁化强度的单位：4.4.磁化强度磁化强度注意注意：对对顺磁质顺磁质，可以忽略；可以忽略；对对抗磁质抗磁质 ，对于真空，对于真空，。外磁场为零，磁化强度为零。外磁场为零，磁化强度为零。外磁场不为零外磁场不为零:顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质95.磁化电流磁化电流 对于各向同性的均匀介质，介质内部各分子电流相互抵对于各向同性的均匀介质，介质内部各分子电流相互抵消，而在介质表面，各分子电流相互叠加，在磁化圆柱的表消，而在介质表面，各分子电流相互叠加，在磁化圆柱的表面出现一层电流，好象一个载流螺线管，称为面出现一层电流，好象一个载流螺线管，称为磁化面电流磁化面电流。10设介质表面
9、沿轴线方向设介质表面沿轴线方向单位长度单位长度上的磁化电流为上的磁化电流为jm（磁化面（磁化面电流密度），则长为电流密度），则长为l 的一段介质上的磁化电流强度的一段介质上的磁化电流强度I Im为为 取一长方形闭合回路取一长方形闭合回路ABCD，AB边在磁介质内部，平行边在磁介质内部，平行与柱体轴线，长度为与柱体轴线，长度为l，而，而BC、AD两边则垂直于柱面。两边则垂直于柱面。磁化强度对闭合回路的线积分等于通过回路所包围的面磁化强度对闭合回路的线积分等于通过回路所包围的面积内的总磁化电流。积内的总磁化电流。IImlABCD对比11无磁介质时无磁介质时有磁介质时有磁介质时2 有磁介质时的安培环
10、路定理有磁介质时的安培环路定理定义磁场强度定义磁场强度 磁磁介介质质中中的的安安培培环环路路定定理理：磁磁场场强强度度沿沿任任意意闭闭合合路路径径的的线线积积分分等等于于穿穿过过该该路路径径的的所所有有传传导导电电流流的的代代数数和，而与磁化电流无关。和，而与磁化电流无关。对比12 实实验验证证明明：对对于于各各向向同同性性的的介介质质，在在磁磁介介质质中中任意一点磁化强度和磁场强度成正比。任意一点磁化强度和磁场强度成正比。式式中中m只只与与磁磁介介质质的的性性质质有有关关，称称为为磁磁介介质质的的磁磁化化率率，是是一一个个纯纯数数。如如果果磁磁介介质质是是均均匀匀的的，它它是是一一个个常常量
11、量；如果磁介质是不均匀的，它是空间位置的函数。如果磁介质是不均匀的，它是空间位置的函数。对比13 值值得得注注意意：H 的的引引入入为为研研究究介介质质中中的的磁磁场场提提供供了了方方便便，但但它它不不是是反反映映磁磁场场性性质质的的基基本本物物理理量量，B 才是反映磁场性质的基本物理量。才是反映磁场性质的基本物理量。磁导率磁导率=0 r对比14例：长直螺旋管内充满均匀磁介质例：长直螺旋管内充满均匀磁介质 r，设电流设电流 I0 0，单位长度单位长度上的匝数为上的匝数为 n。求管内的磁感应强度求管内的磁感应强度。解：因管外磁场为零，取如图所示解：因管外磁场为零，取如图所示安培回路安培回路15例
12、例:在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质，已知螺绕环中在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质，已知螺绕环中的传导电流为的传导电流为I，单位长度内匝数单位长度内匝数n，环的横截面半径比环的平环的横截面半径比环的平均半径小得多，磁介质的相对磁导率和磁导率分别为均半径小得多，磁介质的相对磁导率和磁导率分别为 r r和和，求求环内的磁场强度和磁感应强度。环内的磁场强度和磁感应强度。解：解：在环内任取一点，过该点作在环内任取一点，过该点作一和环同心、半径为一和环同心、半径为 r 的圆形回的圆形回路。路。式中式中N为螺绕环上线圈的总匝数。由对称性可知，在所取圆形为螺绕环上线圈的总匝数。由对称性可知，在所
13、取圆形回路上各点的磁感应强度的大小相等，方向都沿切线。回路上各点的磁感应强度的大小相等，方向都沿切线。当环内充满均匀介质时当环内充满均匀介质时16例例：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)(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)(2)圆柱体内一点磁场；圆柱体内一点磁场；(
14、3)(3)圆柱面外一点的磁场。圆柱面外一点的磁场。解解:(1)(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为为半半径径作作一一圆圆，取取此此圆圆为为积积分分回回路路，根根据据安安培培环环路路定理有定理有IIIR1R2r117IIIR1R2r1r2(2)设设在在圆圆柱柱体体内内一一点点到到
15、轴轴的的垂垂直直距距离离是是r2，则则以以r2为为半半径径作作一一圆，根据安培环路定理有圆，根据安培环路定理有(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环路路定定理理,考考虑虑到到环环路路中中所所包包围围的的电电流流的的代代数数和和为为零，所以得零，所以得r318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,由由得出得出 rH曲线曲线铁磁质的铁磁质的 r 不一定是个常数，不一定是个常数，它是它是
16、H 的函数的函数，r 非线性非线性；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磁饱和磁饱和现象，到一定程度现象，到一定程度，I ，H ，而而B的增加极为缓慢的增加极为缓慢。3 铁磁质铁磁质1.磁化曲线磁化曲线19BHaO 当铁磁质达到饱和状态后，当铁磁质达到饱和状态后，要要完完全全消消除除剩剩磁磁Br，必必须须加加反反向向磁磁场场H，当当B=0时时磁磁场场的的值值Hc为铁磁质的为铁磁质的矫顽力矫顽力。当反向磁场当反向磁场H 继续增加，铁磁质的磁化达到反向饱和。继续增加，铁磁质的磁化达到反向饱和。dfBrcbHc-BreHc-Bre2.磁滞回线磁滞回线Brcb-Hc反向磁场反向磁
17、场H 减小到零，同样出现剩磁现象。减小到零，同样出现剩磁现象。不断地正向或反向缓慢改变磁场，磁化曲线为一闭不断地正向或反向缓慢改变磁场，磁化曲线为一闭合曲线合曲线磁滞回线磁滞回线。缓缓慢慢地地减减小小H，铁铁磁磁质质中中的的B并并不不按按原原来来的的曲曲线线减减小小，并并且且H=0时时，B不不等等于于0，具具有有一一定定值值，这种现象称为这种现象称为剩磁剩磁。20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 在铁磁质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的在铁磁质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子中电子的自旋交换耦合作用，这个
18、相互作用促使相邻原子中电子的自旋磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的微磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域称为小区域，这些自发磁化的微小区域称为磁畴磁畴。3.磁畴磁畴 在没有外磁场作用时在没有外磁场作用时，磁体体内磁矩排列杂，磁体体内磁矩排列杂乱，任意物理无限小体积内的乱，任意物理无限小体积内的平均磁矩为零平均磁矩为零。21 在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能将低于磁矩与外磁反向排列时的磁能，结果是磁能将低于磁矩与外磁反向排列时的磁能，结果是自自发磁化磁矩和外磁场成小角度的磁畴处于有利
19、地位发磁化磁矩和外磁场成小角度的磁畴处于有利地位，这些磁畴体积逐渐扩大，而自发磁化磁矩与外磁场成这些磁畴体积逐渐扩大，而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。较大角度的磁畴体积逐渐缩小。随着外磁场的不断增随着外磁场的不断增强，强，取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失，留存取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失，留存的磁畴将向外磁场的方向旋转，以后再继续增加磁场，的磁畴将向外磁场的方向旋转，以后再继续增加磁场，所有磁畴都沿外磁场方向整齐排列，这时磁化达到饱所有磁畴都沿外磁场方向整齐排列，这时磁化达到饱和。和。22临临界界温温度度Tc。在在Tc以以上上，铁铁磁磁性性完完全全消消失失而而成
20、成为为顺顺磁磁质质，Tc称称为为居居里里温温度度或或居居里里点点。不不同同的的铁铁磁磁质质有有不不同同的的居居里里温温度度Tc。纯纯铁铁：770C，纯镍：，纯镍：358C。居居 里里装置如图所示：将悬挂着的镍片移近永装置如图所示：将悬挂着的镍片移近永久磁铁，即被吸住，说明镍片在室温下久磁铁，即被吸住，说明镍片在室温下具有铁磁性。用酒精灯加热镍片，当镍具有铁磁性。用酒精灯加热镍片，当镍片的温度升高到超过一定温度时，镍片片的温度升高到超过一定温度时，镍片不再被吸引，在重力作用下摆回平衡位不再被吸引，在重力作用下摆回平衡位置，说明镍片的铁磁性消失，变为顺磁置，说明镍片的铁磁性消失，变为顺磁性。移去酒
21、精灯，稍待片刻，镍片温度性。移去酒精灯，稍待片刻，镍片温度下降到居里点以下恢复铁磁性，又被磁下降到居里点以下恢复铁磁性，又被磁铁吸住。铁吸住。234.铁磁质的应用铁磁质的应用作变压器的作变压器的软磁材料软磁材料。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）。大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。饱和磁感应强度大，饱和磁感应强度大，矫顽力矫顽力(Hc)小，磁滞小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小。回线的面积窄而长，损耗小。用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。BH作永久磁
22、铁的作永久磁铁的硬磁材料硬磁材料钨钢，碳钢，铝镍钴合金钨钢，碳钢，铝镍钴合金BHHc-Hc矫顽力矫顽力(Hc)大（大（10102 2A/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。用于磁电式电表中的永磁铁。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。24作存储元件的作存储元件的矩磁材料矩磁材料Br=BS，Hc不大，磁滞回线是矩形。不大，磁滞回线是矩形。用于记忆元件，当用于记忆元件，当+脉冲产生脉冲产生H Hc使磁芯呈使磁芯呈+B态，则态，则脉冲产生脉冲产生H Hc使磁芯呈使磁芯呈 B态，可做为二进制的两个态。态，可做为二
23、进制的两个态。锰镁铁氧体，锂锰铁氧体锰镁铁氧体，锂锰铁氧体BHHc-Hc 压压磁磁材材料料具具有有较较强强的的磁磁致致伸伸缩缩效应，常用于制造超声波发生器。效应，常用于制造超声波发生器。铁磁体在交变磁化磁场的作铁磁体在交变磁化磁场的作用下，它的形状随之改变，叫做用下，它的形状随之改变，叫做磁致伸缩效应磁致伸缩效应。BHO254 磁路定理磁路定理1.磁路的一般概念磁路的一般概念磁感应通量（磁通）通过的区域称为磁感应通量（磁通）通过的区域称为磁路磁路。常用电工设备中的磁路图常用电工设备中的磁路图262.磁路定理磁路定理 设截面积为设截面积为S S、长为、长为l，磁导率为，磁导率为 的的铁环上，绕以
24、紧密的线圈铁环上，绕以紧密的线圈N匝，线圈中通匝，线圈中通过的电流为过的电流为I。磁路的欧姆定理磁路的欧姆定理 m=NI为磁路的为磁路的磁动势磁动势，单位为单位为A。为闭合磁路的为闭合磁路的磁阻磁阻，单位为单位为A/WB。27讨论题讨论题讨论讨论 高压容器在工业和民用领域都有着非常广泛的应用，如锅炉、储气罐、高压容器在工业和民用领域都有着非常广泛的应用，如锅炉、储气罐、家用煤气坛等。由于高压容器长期的使用、运行家用煤气坛等。由于高压容器长期的使用、运行,局部区域受到腐蚀、磨损局部区域受到腐蚀、磨损或机械损害或机械损害,从而会形成潜在的威胁从而会形成潜在的威胁.因此世界各国对于高压容器的运行都因
25、此世界各国对于高压容器的运行都制定了严格的在役无损检测标准制定了严格的在役无损检测标准,以确保高压容器的安全运行。以确保高压容器的安全运行。目前无损检测一般采用的方法有磁粉探伤、超声波探伤和目前无损检测一般采用的方法有磁粉探伤、超声波探伤和X射线探伤等射线探伤等方法。磁粉探伤依据的是介质表面磁场分布的不连续性方法。磁粉探伤依据的是介质表面磁场分布的不连续性,可采用磁粉显示可采用磁粉显示;超声波和超声波和X射线探伤利用了波动在介质分界面反射的现象射线探伤利用了波动在介质分界面反射的现象.这些方法有的仪这些方法有的仪器结构复杂、操作繁琐器结构复杂、操作繁琐,有的数据处理麻烦、价格较高有的数据处理麻
26、烦、价格较高,对于家用容器的检对于家用容器的检测就更为不方便测就更为不方便.请根据所学的知识请根据所学的知识,探索一种利用铁磁材料实现无损探伤的方法。探索一种利用铁磁材料实现无损探伤的方法。28根据根据LC振荡电路的磁回路特性振荡电路的磁回路特性,一旦介质内部出现裂纹一旦介质内部出现裂纹,将会引起磁导率的突将会引起磁导率的突变变,从而使回路的电磁参数发生变化从而使回路的电磁参数发生变化。将这一结果用于铁磁材料表面和内部伤将这一结果用于铁磁材料表面和内部伤痕、裂纹的检测中痕、裂纹的检测中,其检测方法原理简单其检测方法原理简单,操作方便操作方便,检测灵敏度高。检测灵敏度高。LC磁回路测量原理：磁回
27、路测量原理：磁回路的基本模型如图所示。磁回路的基本模型如图所示。A是带线圈的磁芯，是带线圈的磁芯，M是是待检测的材料，如容器壁。磁回路最基本的规律是安待检测的材料，如容器壁。磁回路最基本的规律是安培环路定理培环路定理:假定整个回路采用高导磁率材料组成假定整个回路采用高导磁率材料组成,而且回路中绕有而且回路中绕有N匝线圈匝线圈,线圈中电流线圈中电流为为I I,若同一种材料中的磁场强度相同若同一种材料中的磁场强度相同,则环路定理就可以写成：则环路定理就可以写成：式中式中Hi总是沿总是沿l i方向。当回路中第方向。当回路中第i段的截面积为段的截面积为S i时时,Bi Si =i,由于环路内由于环路内
28、各处截面的磁通都相同各处截面的磁通都相同,i=.于是有：于是有：29上式中令：上式中令：分别为磁回路的磁动势和磁阻，分别为磁回路的磁动势和磁阻，则则 另一方面另一方面,根据磁回路中的自感电动势定义：根据磁回路中的自感电动势定义：由式由式(1)(1)得到：得到：假定由该回路与电容假定由该回路与电容C 组成组成LC振荡电路振荡电路,电路的振荡频率电路的振荡频率f 为：为：磁路的欧姆定理磁路的欧姆定理30由式由式(2)(2)可见可见,在回路几何参数一定的情况下在回路几何参数一定的情况下,振荡频率由回路中振荡频率由回路中的磁导率决定的磁导率决定.在磁回路图中在磁回路图中,假定由容器壁假定由容器壁M与带线圈的磁芯与带线圈的磁芯A组成回路组成回路,若维持几何参数不变若维持几何参数不变,只要容器壁是均匀的只要容器壁是均匀的,那么不同地那么不同地方的回路振荡频率便相同方的回路振荡频率便相同.在材料内部一旦出现气泡、裂纹在材料内部一旦出现气泡、裂纹,则则在其边界部位磁导率出现较大变化在其边界部位磁导率出现较大变化,振荡频率就会出现跳变振荡频率就会出现跳变.据据此就可以探测到材料表面和内部的伤痕、裂纹此就可以探测到材料表面和内部的伤痕、裂纹.31结束结束