《磁场中的磁介质》PPT课件.ppt

第十一章 磁场中的磁介质 磁介质对 磁场的影响,铁磁质,顺磁介质,磁场B0中放入磁介质,磁介质发生磁化,产生附加磁场B,如铝、锰、铬等。,1.磁介质的分类,凡是能与磁场发生相互作用的物质叫磁介质。,顺磁介质中产生的附加磁场 与外场 方向相同，磁介质中的场 要比外场 大。,抗磁介质,抗磁介质中产生的附加磁场 与外场 方向相反，磁介质中的场 要比外场 小。,如金属金、银、铜等。,铁磁介质,铁磁介质中产生的附加磁场 与外场 方向相同，但磁介质中的场 要远比外场 大，是外场的几百倍到几万倍。,如金属钢、铁、钴、镍等。,1.磁介质中的安培环路定理,在真空中的安培环路定理中：,在介质中：,传导电流,有磁介质的总磁场,磁化电流,在介质中：,传导电流,有磁介质的总磁场, 定义：磁场强度,在各向同性均匀介质中：,磁化电流,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。, 定义：磁场强度,磁介质中的安培环路定理：磁场强度沿闭合路径的线积分，等于环路所包围的传导电流的代数和，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 。 是为消除磁化电流的影响而引入的，,2.明确几点：,和 的名字张冠李戴了。,磁介质中的环路定理,磁场强度的单位：安培/米，A/m, 是环路内、外电流共同产生的。,电介质中的高斯定理,磁介质中的安培环路定理,3.应用介质中安培环路定理解题方法,(4)由,由,(1)场对称性分析；,(2)选取环路；,(3)求环路内传导电流的代数和 Ic；,例1：长直螺线管半径为 R ，通有电流 I，线圈密度为 n , 管内插有半径为 r ,相对磁导率为 r 磁介质，求介质内和管内真空部分的磁感应强度 B 。,解：,由螺线管磁场分布可知，管内场各处均匀一致，管外场为零,1.介质内部,作 abcda 矩形回路。,在环路上应用介质中的环路定理：,在bc和da段路径上,回路内的传导电流代数和为：,因 cd 段在真空中，真空中 B = 0,则有,2.管内真空中,作环路 abcda ; 在环路上应用介质中的安培环路定理，同理有：,真空中,例2 如图所示，一半径为R1的无限长圆柱导体（导体 0 ）中均匀地通有电流I，在它外面有半径为R2的无限长同轴圆柱面，两者之间充满着磁导率为的均匀磁介质，在圆柱面上通有相反方向的电流I。试求（1）圆柱体外圆柱面内一点的磁场；（2）圆柱体内一点磁场；（3）圆柱面外一点的磁场。,解 （1）当两个无限长的同轴圆柱体和圆柱面中有电流通过时，它们所激发的磁场是轴对称分布的，而磁介质亦呈轴对称分布，因而不会改变场的这种对称分布。设圆柱体外圆柱面内一点到轴的垂直距离是r1，以r1为半径作一圆，取此圆为积分回路，根据安培环路定理有,（2）设在圆柱体内一点到轴的垂直距离是r2，则以r2为半径作一圆，根据安培环路定理有,式中 是该环路所包围的电流部分，由此得,由B H，得,（3）在圆柱面外取一点，它到轴的垂直距离是r3，以r3为半径作一圆，根据安培环路定理,考虑到环路中所包围的电流的代数和为零，所以得,即,或,11-2 铁磁质,磁介质的磁化机制,类似电介质的讨论，从物质电结构来说明磁性的起源。,相当于一 磁偶极子,整个分子磁矩是其中各个电子的轨道磁矩和自旋磁矩以及核的自旋磁矩的矢量和（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，对应有轨道磁矩和自旋磁矩。,顺磁质：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，整个分子具有一定的固有磁矩。,抗磁质：分子中各电子的磁矩完全抵消，整个分子无固有磁矩,（1）顺磁质的磁化机制,磁介质是由大量分子或原子组成，无外场时，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,有外磁场时，这些分子固有磁矩就要受到磁场的力矩作用，力矩的方向力图使分子磁矩的方向沿外场转向。,分子磁矩的矢量和:,从介质横截面看，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,未被抵消的分子电流沿柱面流动,Is,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。,磁化电流 Is 可产生附加磁场，但无热效应，因无宏观电荷移动，磁化电流束缚在介质表面，也称为束缚电流。,（2）抗磁质的磁化机制,对抗磁介质来说，无外磁场时，各电子磁矩矢量和为 0，分子磁矩 , 分子不显磁性。,抗磁材料在外磁场的作用下，磁体内任意体积元中大量分子或原子的附加磁矩的矢量和 有一定的量值，结果在磁体内激发一个和外磁场方向相反的附加磁场，这就是抗磁性的起源。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 Is， Is产生附加磁场。,Is,对于顺磁介质分子磁矩电子附加磁矩，顺磁效应 抗磁效应 ；,抗磁介质中电子附加磁矩起主要作用，显抗磁性。,抗磁性是一切磁介质固有的特性，它不仅存在于抗磁介质中，而且存在于顺磁介质中；,明确几点：,装置：环形螺绕环; 铁磁Fe,Co,Ni及稀钍族元素的化合物，能被强烈地磁化。,实验测量B,如用感应电动势测量或用小线圈在缝口处测量；,由 得出 曲线。,原理:励磁电流 I; 用安培定理得H。,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；,起始磁化曲线为 oc ,c,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化，,Hc,Br,Hc,当外磁场为 0 时，介质中的磁场并不为 0，有一剩磁 Br ;,矫顽力加反向磁场Hc，使介质内部的磁场为 0，,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，不断增加外场，介质又达到正向磁饱和状态。,磁化曲线形成一条磁滞回线。,结论,铁磁质的 不是一个常数， 它是 的函数。,B的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应。, 磁滞现象。,在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁质不显磁性；,(1)磁畴：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小区域 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增加，在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。,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加，铁磁质达到磁饱和状态。,起始磁化曲线,饱和磁化强度MS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r大的原因。,磁滞 (hysteresis) 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，而表现出来。,(1)加热法,当铁磁质的温度升高到某一温度时，磁性消失，由铁磁质变为顺磁质，该温度为居里温度 tc 。当温度低于 tc 时，又由顺磁质转变为铁磁质。,铁的居里温度 tc = 770C；,30%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，可将其制作温控元件，如电饭锅自动控温。,原因：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。,(2)敲击法：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。,(4)加交变衰减的磁场：使介质中的磁场逐渐衰减为 0 ，应用在录音机中的交流抹音磁头中。,(3)加反向磁场：提供一个矫顽力Hc ,使铁磁质退磁。,(1)软磁材料,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。,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、定子都是用软件磁性材料制成。,(2)硬磁性材料,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、耳机以及雷达中的磁控管等。,(3)非金属氧化物-铁氧体,磁滞回线呈矩形，又称矩磁材料，剩磁接近于磁饱合磁感应强度，具有高磁导率、高电阻率。,它是由Fe2O3和其他二价的金属氧化物（如NiO，ZnO等粉末混合烧结而成。,可作磁性记忆元件。,1911年，荷兰物理学家HK 昂纳斯及其助手首先发现在温度降至液氦的沸点（4.2K）以下时，水银的电阻为0。,在低温下某些物质失去电阻的性质，成为超导体。,1913年昂纳斯因他在低温物理和超导领域所做的杰出贡献，获诺贝尔物理学奖。,1.超导体的基本性质：,（1）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的电流，而几乎无热损耗。,（2）迈斯纳效应,完全抗磁性,1933年德国物理学家W.迈斯纳发现：将超导体放入磁场中，表面产生超导电流，超导电流产生的磁场与外磁场抵消，使超导体内的磁感应强度为 0。,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，使超导体可悬浮在空中。,由于超导体内电阻为0，超导电流不会产生热量，超导电流也就不会消失，超导体一直会悬浮在磁场中。,超导重力仪: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，由此预测地震。,超导磁悬浮列车:磁悬浮列车时速超过500公里/小时。,2.超导体的应用,无损耗输电:传统输电中要产生焦耳热损耗，在 10%20%，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。,美国在 磁谱仪中，将采用超导磁铁产生强磁场，2003 年再次送入地球轨道，观察暗物质和反物质,高温超导现已达到 -153C。,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Nb3Sn。其最大电流密度为 109 A/m2, 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，而且可以做得很轻便。例如，一个能产生 5T 的中型电磁铁的重量可达 20 吨，而超导磁铁的重量不过几公斤。,