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1、物理磁学第四节第1页，本讲稿共34页一、磁介质及其分类一、磁介质及其分类一、磁介质及其分类一、磁介质及其分类 磁介质：放入磁场后受磁场影响磁介质：放入磁场后受磁场影响（磁化磁化）反过来反过来又影响磁场的介质称为又影响磁场的介质称为“磁介质磁介质”。1、磁场会使磁介质磁化、磁场会使磁介质磁化8-7 8-7 8-7 8-7 磁介质的磁化和分类磁介质的磁化和分类磁介质的磁化和分类磁介质的磁化和分类分子电流分子电流：把分子或原子看作一个整：把分子或原子看作一个整体，体，分子或原子中各个电子对外界所分子或原子中各个电子对外界所产生磁效应的总和产生磁效应的总和，可用一个等效的可用一个等效的圆电流表示圆电流
2、表示，统称为，统称为分子电流分子电流。I I分子磁矩分子磁矩分子磁矩分子磁矩第2页，本讲稿共34页无外磁场无外磁场有外磁场有外磁场 磁化电流磁化电流 第3页，本讲稿共34页 磁化电流磁化电流 磁化面电流磁化面电流 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，这种宏观效果是在介质横截面边缘出现环形电流，这种电流称为电流称为磁化电流磁化电流I Is s又叫分子面电流分子面电流。第4页，本讲稿共34页2、处于磁化状态的磁介质使磁场发生变化、处于磁化状态的磁介质使磁场发生变化磁介质中的磁介质中的磁介质中的磁介质中的总磁感应强度
3、总磁感应强度总磁感应强度总磁感应强度为：为：为：为：传导电流传导电流I激发的磁场激发的磁场磁化电流磁化电流Is激发的磁场激发的磁场定义：定义：定义：定义：磁化电流与传导电流的区别：磁化电流与传导电流的区别：（1）磁化电流是分子电流规则排列的宏观反映磁化电流是分子电流规则排列的宏观反映，并，并不伴随电荷的定向运动，不伴随电荷的定向运动，不产生热效应不产生热效应。而传导电。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。（2 2）磁化电流在）磁化电流在磁效应磁效应方面与传导电流相当。方面与传导电流相当。第5页，本讲稿共34页（1 1 1 1）顺磁性介质：）顺磁性介质：）
4、顺磁性介质：）顺磁性介质：介质磁化后呈弱磁性。介质磁化后呈弱磁性。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Bo同向。同向。B Bo ,r 1（2 2 2 2）抗磁性介质：）抗磁性介质：）抗磁性介质：）抗磁性介质：介质磁化后呈弱磁性。介质磁化后呈弱磁性。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Bo反向。反向。B Bo ,r Bo ,r 1（4 4）超导体）超导体）超导体）超导体(完全抗磁体）：完全抗磁体）：完全抗磁体）：完全抗磁体）：B=0四类磁介质：四类磁介质：四类磁介质：四类磁介质：第6页，本讲稿共34页8-88-8 有磁介质时
5、的安培环路定理有磁介质时的安培环路定理有磁介质时的安培环路定理有磁介质时的安培环路定理 磁场强度磁场强度磁场强度磁场强度 ：把：把分子所具有的磁矩分子所具有的磁矩统称为分子磁统称为分子磁矩，用符号矩，用符号 表示。表示。1.1.分子磁矩分子磁矩2.2.附加磁矩附加磁矩：因进动而产生的等效磁矩称为附加磁因进动而产生的等效磁矩称为附加磁矩，用符号矩，用符号 表示。表示。3.3.3.3.磁化强度磁化强度磁化强度磁化强度（）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。磁化强度：磁化强度：单位体积内所有单位体积内所有分子固有磁矩的矢量分子固有磁矩的矢量和和 加上加上附
6、加磁矩的矢量和附加磁矩的矢量和 ，称为磁化强，称为磁化强度，用度，用 表示。表示。一、基本概念一、基本概念第7页，本讲稿共34页均匀磁化均匀磁化非均匀磁化非均匀磁化磁化强度的磁化强度的单位单位：注意：注意：对顺磁质，对顺磁质，可以忽略；可以忽略；对抗磁质对抗磁质 ，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第8页，本讲稿共34页二、二、二、二、磁化电流（磁化电流（磁化电流（磁化电流（I I I I I Is s s ss s）的大小）的大小）的大小）的大小 设介质表面沿设介质表面沿轴线方向轴线方向单位长度上的磁化
7、电单位长度上的磁化电流为流为 （磁化面电流的线密度磁化面电流的线密度），则长为），则长为l 的一段的一段介质上的磁化电流强度介质上的磁化电流强度I IS S为为总磁矩总磁矩磁化强度磁化强度第9页，本讲稿共34页 取一长方形闭合回路取一长方形闭合回路ABCD，AB边在磁介质边在磁介质内部，平行与柱体轴线，长度为内部，平行与柱体轴线，长度为l，而，而BC、AD两两边则垂直于柱面。边则垂直于柱面。磁化强度对闭合回路的线积分磁化强度对闭合回路的线积分等于通过回路等于通过回路所包围的面积内的总磁化电流。所包围的面积内的总磁化电流。第10页，本讲稿共34页三、有磁介质存在时的安培环路定理三、有磁介质存在时
8、的安培环路定理有介质存在时的高斯定理有介质存在时的高斯定理磁介质磁介质磁磁 化化磁化电流磁化电流附加磁场附加磁场作作用用叠叠加加磁感应线均为闭合曲线，都属于涡旋场磁感应线均为闭合曲线，都属于涡旋场磁感应线均为闭合曲线，都属于涡旋场磁感应线均为闭合曲线，都属于涡旋场高斯定理仍然成立：高斯定理仍然成立：普遍适用普遍适用第11页，本讲稿共34页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外磁场外磁场 由传导电流产生，且磁场中有磁介质时，由传导电流产生，且磁场中有磁介质时，磁场中任一点的磁感应强度磁场中任一点的磁感应强度 应为应为传导电流传导电流和和磁磁化电流化电流共同产生共同产生。磁场中安培
9、环路定理为。磁场中安培环路定理为改写上式为改写上式为磁感应强度磁感应强度 沿任一闭合回路沿任一闭合回路 L 的环流，等于穿的环流，等于穿过回路所包围面积的过回路所包围面积的传导电流传导电流和和总磁化电流总磁化电流的的代代数数和和的的 倍。倍。第12页，本讲稿共34页定义磁场强度矢量：定义磁场强度矢量：磁场强度磁场强度磁场强度磁场强度磁场强度磁场强度 沿任一闭合回路的环流，等于闭沿任一闭合回路的环流，等于闭沿任一闭合回路的环流，等于闭沿任一闭合回路的环流，等于闭沿任一闭合回路的环流，等于闭沿任一闭合回路的环流，等于闭合回路所包围并穿过的合回路所包围并穿过的合回路所包围并穿过的合回路所包围并穿过的
10、合回路所包围并穿过的合回路所包围并穿过的传导电流传导电流传导电流传导电流传导电流传导电流的代数和，的代数和，的代数和，的代数和，的代数和，的代数和，而在形而在形而在形而在形而在形而在形式上与磁介质中磁化电流无关式上与磁介质中磁化电流无关式上与磁介质中磁化电流无关式上与磁介质中磁化电流无关式上与磁介质中磁化电流无关式上与磁介质中磁化电流无关。有介质存在时的安培环路定理为有介质存在时的安培环路定理为或或第13页，本讲稿共34页（2）是是辅助量辅助量，决定运动电荷受力的仍为磁感应强度，决定运动电荷受力的仍为磁感应强度比例系数比例系数 磁介质的磁化率磁介质的磁化率，大小仅与磁介质性质有关，是单位为大小
11、仅与磁介质性质有关，是单位为1的量。的量。（1）H单位（单位（SI）：）：（4）由实验，对各向同性均匀磁介质，有由实验，对各向同性均匀磁介质，有（3）此式此式普遍适用普遍适用。表示在磁场中任一。表示在磁场中任一点处，点处，三个物理量是点点对应的关系。三个物理量是点点对应的关系。第14页，本讲稿共34页（5）由 得适用于各向同性磁介质适用于各向同性磁介质则有则有令令将 代入上式得相对磁导率相对磁导率磁导率磁导率第15页，本讲稿共34页对真空磁场：对真空磁场：对各向同性不均匀磁介质：对各向同性不均匀磁介质：两者为非线性关系。两者为非线性关系。对各向同性均匀磁介质：对各向同性均匀磁介质：对铁磁质：对
12、铁磁质：第16页，本讲稿共34页磁介质中安培环路定理的应用磁介质中安培环路定理的应用对称性分布的传对称性分布的传导电流和磁介质导电流和磁介质各向同性均匀各向同性均匀磁介质磁介质第17页，本讲稿共34页 例例 一电缆由半径为一电缆由半径为 的长直导线和套在外面单位的长直导线和套在外面单位内、外半径分别为内、外半径分别为 和和 的同轴导体圆筒组成，其的同轴导体圆筒组成，其间充满相对磁导率为间充满相对磁导率为 的各向同性顺磁质。的各向同性顺磁质。电流电流 I 由由中心导体流入中心导体流入，由外面圆筒流出由外面圆筒流出。求。求磁场分布磁场分布和和紧贴紧贴中心导线的磁介质表面的磁化电流中心导线的磁介质表
13、面的磁化电流。解：解：由对称性分析，由对称性分析，线和线和 线都是在垂直于轴线的平面内，并线都是在垂直于轴线的平面内，并以轴线上某点为圆心的同心圆。取以轴线上某点为圆心的同心圆。取距轴线距离距轴线距离 r 为半径的圆为安培环为半径的圆为安培环路路 L，顺时针绕行，则有，顺时针绕行，则有第18页，本讲稿共34页第19页，本讲稿共34页第20页，本讲稿共34页（2）由安培环路定理得）由安培环路定理得所以所以又第21页，本讲稿共34页8-9 8-9 8-9 8-9 铁磁质铁磁质铁磁质铁磁质 铁磁质是一种强磁质，磁化后的附加磁铁磁质是一种强磁质，磁化后的附加磁感应强度远大于外磁场的磁感应强度，因此感应
14、强度远大于外磁场的磁感应强度，因此用途广泛。铁、钴、镍以及许多合金都属于用途广泛。铁、钴、镍以及许多合金都属于铁磁质。铁磁质。本世纪初本世纪初:电机制造电机制造,通讯器件通讯器件50年代以后年代以后:计算机和科学技术发展计算机和科学技术发展 用于用于 信息的存储和记录（信息的存储和记录（磁盘、磁带等磁盘、磁带等）第22页，本讲稿共34页一、磁化曲线和磁滞回线一、磁化曲线和磁滞回线一、磁化曲线和磁滞回线一、磁化曲线和磁滞回线测量磁化曲线的实验装置测量磁化曲线的实验装置螺绕环螺绕环0510 1520磁强计磁强计BG铁环铁环狭缝狭缝测量测量B 的探头的探头（霍耳元件）（霍耳元件）电流表电流表电阻电阻
15、测量测量H换换向向开开关关第23页，本讲稿共34页1.1.磁化曲线磁化曲线磁化曲线磁化曲线B/TH(A/m)0.21.61.41.21.00.80.60.4200 400600 800 100018765432 B =B/H结论：结论：B/TH(A/m)0BACBsOA段：段：B随随H线性增加线性增加AB段：段：B随随H急剧增加急剧增加BC段：段：B随随H缓慢增加缓慢增加C以后：以后：B=BS第24页，本讲稿共34页2.2.磁滞回线磁滞回线磁滞回线磁滞回线AD-Hc cHs sBs sBCB Br r-Hs s-B-Bs sEFHc c-B-Br rOAOA称为称为称为称为 起始磁化曲线起始磁
16、化曲线起始磁化曲线起始磁化曲线HHs s称为称为称为称为 饱和磁场强度饱和磁场强度饱和磁场强度饱和磁场强度B Br r称为称为称为称为 剩余磁感应强度剩余磁感应强度剩余磁感应强度剩余磁感应强度HHc c称为称为称为称为 矫顽力矫顽力矫顽力矫顽力oBH（反映保持剩余状态的能力反映保持剩余状态的能力）总体总体：B落后于落后于H的变化的变化第25页，本讲稿共34页B B B B和和和和H H H H呈非线性关系呈非线性关系呈非线性关系呈非线性关系，不是一个恒量，不是一个恒量，不是一个恒量，不是一个恒量，B B不能由不能由不能由不能由HH单值确定单值确定单值确定单值确定磁滞现象磁滞现象磁滞现象磁滞现象
17、：B B B B的变化落后于的变化落后于的变化落后于的变化落后于H H H H的变化的变化的变化的变化 能产生非常强的附加磁场能产生非常强的附加磁场B,BB,B甚至是外磁甚至是外磁场的千百倍。而且与外场同方向场的千百倍。而且与外场同方向高高高高 值值值值存在磁滞损耗存在磁滞损耗存在磁滞损耗存在磁滞损耗：磁滞损耗与磁滞回线面积成正比磁滞损耗与磁滞回线面积成正比磁滞损耗与磁滞回线面积成正比磁滞损耗与磁滞回线面积成正比磁致伸缩效应磁致伸缩效应磁致伸缩效应磁致伸缩效应：铁磁体在交变磁化磁场的作用下，铁磁体在交变磁化磁场的作用下，它的形状随之改变它的形状随之改变。二、铁磁质的二、铁磁质的二、铁磁质的二、
18、铁磁质的特点特点特点特点临界温度：临界温度：各种铁磁质各有一临界温度各种铁磁质各有一临界温度 ，称为，称为居里点，当居里点，当 时，失去铁磁性，成为顺磁质。时，失去铁磁性，成为顺磁质。第26页，本讲稿共34页三、铁磁质的分类三、铁磁质的分类三、铁磁质的分类三、铁磁质的分类软磁材料：软磁材料：磁滞回线磁滞回线细而窄，矫顽力小。细而窄，矫顽力小。HHB B 磁滞损耗小，容易磁磁滞损耗小，容易磁化，容易退磁，适用于交化，容易退磁，适用于交变磁场。变磁场。如制造电机，如制造电机，变压器等的铁芯。变压器等的铁芯。第27页，本讲稿共34页 硬磁材料：硬磁材料：磁滞磁滞回线较宽，剩余磁回线较宽，剩余磁感应强
19、度和矫顽力感应强度和矫顽力都比较大。都比较大。HHB B 不易退磁不易退磁适合于制造永磁体适合于制造永磁体第28页，本讲稿共34页HHB B 矩磁材料：矩磁材料：磁滞磁滞回线接近于矩形，回线接近于矩形，剩余磁感应强度剩余磁感应强度B Br r接近于饱和磁感接近于饱和磁感应强度应强度B Bs s。适合于制作记录磁带及适合于制作记录磁带及计算机的记忆元件计算机的记忆元件第29页，本讲稿共34页 形成原因：形成原因：相邻铁原子相邻铁原子中的电子间存在着中的电子间存在着“强强交换耦合作用交换耦合作用”，此作，此作用促使相邻原子中电子用促使相邻原子中电子的的自旋的的自旋磁矩平行排列磁矩平行排列，形成形成
20、“磁畴磁畴”。磁畴体积：磁畴体积：磁畴体积：磁畴体积：1010-8-8mm3 3铁磁质的临界温度铁磁质的临界温度铁磁质的临界温度铁磁质的临界温度“居里点居里点居里点居里点”铁的居里点：铁的居里点：T T=1040K=1040K 镍的居里点：镍的居里点：T T=631K=631K。四、铁磁性的起因四、铁磁性的起因四、铁磁性的起因四、铁磁性的起因在铁磁质中存在着自发磁化的微小区域在铁磁质中存在着自发磁化的微小区域磁畴磁畴第30页，本讲稿共34页铁磁性的起因铁磁性的起因第31页，本讲稿共34页磁饱和状态磁饱和状态自发磁化自发磁化壁移壁移与与 夹角较小的磁夹角较小的磁畴扩展自己的范围畴扩展自己的范围转
21、向转向壁移壁移第32页，本讲稿共34页磁滞现象：磁滞现象：磁畴的磁壁很难完全恢复原来的形状。磁畴的磁壁很难完全恢复原来的形状。如果撤去外磁场，磁畴的某些规则排列将被保存下来，如果撤去外磁场，磁畴的某些规则排列将被保存下来，使铁磁质保留部分磁性，这就是剩磁。使铁磁质保留部分磁性，这就是剩磁。居里点：居里点：当温度升高到居里点时，剧烈的热运动使磁当温度升高到居里点时，剧烈的热运动使磁畴全部瓦解，这时铁磁质就成为一般的顺磁质了。畴全部瓦解，这时铁磁质就成为一般的顺磁质了。解释：解释：第33页，本讲稿共34页五五 磁屏蔽磁屏蔽 把磁导率不把磁导率不同的两种磁介同的两种磁介质放到磁场中，质放到磁场中，在它们的交界在它们的交界面上磁场要发面上磁场要发生突变，引起生突变，引起了磁感应线的了磁感应线的折射折射.磁屏蔽示意图磁屏蔽示意图第34页，本讲稿共34页