传导电流+磁化电流课件

1 1、顺磁质：、顺磁质：2 2、抗磁质：、抗磁质：3 3、铁磁质：、铁磁质：4 4、超导体、超导体:磁介质的分类磁介质的分类5 5、真空中、真空中:1、顺磁质：2、抗磁质：3、铁磁质：4、超导体:磁介质的分类1顺磁质和抗磁质磁化的微观机制不同顺磁质和抗磁质磁化的微观机制不同抗磁质主是由分子产生感应磁矩形成抗磁质主是由分子产生感应磁矩形成感应磁化感应磁化顺磁质主要是由分子磁矩规则取向形成顺磁质主要是由分子磁矩规则取向形成取向磁化取向磁化顺磁质和抗磁质磁化的微观机制不同抗磁质主是由分子产生感应磁矩2磁化强度磁化强度磁介质中单位体积内分子磁矩的矢量和磁介质中单位体积内分子磁矩的矢量和 代表代表 内第个内第个 i 分子的磁矩分子的磁矩抗磁质：抗磁质：是指分子磁矩；是指分子磁矩；方向与方向与 同同方向与方向与 同同是指分子附加磁矩，是指分子附加磁矩，方向与方向与 反反方向与方向与 反反顺磁质：顺磁质：磁化电流线密度与磁极化强度：磁化电流线密度与磁极化强度：磁化电流与磁极化强度关系：磁化电流与磁极化强度关系：磁化强度磁介质中单位体积内分子磁矩的矢量和 代表 3 3 3 介质中的磁场介质中的磁场 磁场强度磁场强度 作用总是相互的，既然磁场对磁介质有磁化作用，作用总是相互的，既然磁场对磁介质有磁化作用，那么被磁化后的介质反过来也将影响原来的磁场分布那么被磁化后的介质反过来也将影响原来的磁场分布下面进一步讨论磁化后的介质对磁场产生的影响，下面进一步讨论磁化后的介质对磁场产生的影响，以及有磁介质时如何描述磁场的规律，以及有磁介质时如何描述磁场的规律，并介绍场量和磁化强度普遍关系并介绍场量和磁化强度普遍关系介质中磁场的磁感应强度介质中磁场的磁感应强度外磁场外磁场由磁化电流产生由磁化电流产生 3 介质中的磁场 磁场强度 作用总是相互的，既然磁场对4一、介质中磁场的高斯定理一、介质中磁场的高斯定理二、介质中磁场的安培环路定理二、介质中磁场的安培环路定理穿过以回路为边穿过以回路为边界的任一曲面的界的任一曲面的总电流总电流(传导电流传导电流磁化电流磁化电流)是导线中的传导电流激发的磁场和磁介质中是导线中的传导电流激发的磁场和磁介质中的磁化电流产生的附加磁场的矢量和的磁化电流产生的附加磁场的矢量和一、介质中磁场的高斯定理二、介质中磁场的安培环路定理穿过以回5困难所在：困难所在：对比电介质学习：对比电介质学习：考虑无限长直电流情况考虑无限长直电流情况困难所在：对比电介质学习：考虑无限长直电流情况6(磁场强度磁场强度)SI中中H之之单位单位：A/m取闭合回路取闭合回路l剥去外围磁介质剥去外围磁介质(磁场强度)SI中H之单位：A/m取闭合回路l剥去外围磁介质7物理意义：物理意义：磁场强度沿闭合路径的线积分，等于环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。路所包围的传导电流的代数和。有介质时的安培环路定理有介质时的安培环路定理注意：注意：的环流只与传导电流有关，在形式上与的环流只与传导电流有关，在形式上与磁介质无关磁介质无关H 的单位：的单位：真空：真空：A/m（SI）；）；物理意义：磁场强度沿闭合路径的线积分，等于环路所包围的传导电8三、各向同性的磁介质三、各向同性的磁介质表示了磁介质中任意点处表示了磁介质中任意点处磁感应强度磁感应强度 、磁场强度磁场强度和磁化强度和磁化强度 之间的之间的普遍普遍关系关系可以写成可以写成各向同性各向同性磁介质，在外场不太强的情况下磁介质，在外场不太强的情况下实验证明：实验证明：与与 成正比成正比只与介质的性质有关，称为磁介质的只与介质的性质有关，称为磁介质的磁化率磁化率三、各向同性的磁介质表示了磁介质中任意点处可以写成各向同性磁9如果介质是不均匀的如果介质是不均匀的 是空间位是空间位置的函数置的函数如果介质是均匀的如果介质是均匀的 是常数是常数代入代入令令磁介质的相对磁导率磁介质的相对磁导率磁介质的磁导率磁介质的磁导率顺磁性：顺磁性：抗磁性：抗磁性：如果介质是不均匀的 是空间位置的函数如果介质是10 r1 r2界面界面 在两种不同的磁介质分界面两侧在两种不同的磁介质分界面两侧B和和H一般要发生突一般要发生突变，但必须遵循一定的边界条件。变，但必须遵循一定的边界条件。在磁导率分别为在磁导率分别为 r1和和 r2的分界的分界面处作一扁平的柱状高斯面面处作一扁平的柱状高斯面,对此高斯面运用磁场高斯定理对此高斯面运用磁场高斯定理 S四、边界条件四、边界条件即即 或或 ，表示，表示从一种介质过渡从一种介质过渡到另一种介质，磁感应强度的法向分量不变。到另一种介质，磁感应强度的法向分量不变。r1 r2界面 在两种不同的磁介质分界面两侧B和H一般要11 在介质分界面处作一矩形的回路在介质分界面处作一矩形的回路abcda，使两长边，使两长边分别处于两种介质中与界面平行，短边很小分别处于两种介质中与界面平行，短边很小 即即 H1t=H2t，表示，表示从一种介质过渡到另一种介质，磁场从一种介质过渡到另一种介质，磁场强度的切向分量不变。强度的切向分量不变。假设在界面上不存在传导电假设在界面上不存在传导电流，根据安培环路定理有流，根据安培环路定理有bacd取切向单位矢量取切向单位矢量t 的方向沿界面向上。的方向沿界面向上。r1 r2界面界面 l 在介质分界面处作一矩形的回路abcda，使两长边分12利用磁高斯定理和安培环路定理可证利用磁高斯定理和安培环路定理可证明：在不同介质交界面两侧的磁场满明：在不同介质交界面两侧的磁场满足如下足如下边界条件边界条件：利用磁高斯定理和安培环路定理可证明：在不同介质交界面两侧的磁13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电介质中的高斯定理磁介质中的安培环路定理14 称为相对电容率称为相对电容率或相对介电常量或相对介电常量。之间的关系之间的关系 之之间的关系间的关系 称为相对磁导率称为相对磁导率磁导率磁导率介电常数介电常数 称为相对电容率 之间的关系 15静电场与静磁场的比较静电场与静磁场的比较静电场静电场静磁场静磁场（稳恒磁场）（稳恒磁场）物理量物理量高斯定理高斯定理环路定理环路定理性质方程性质方程(各项同性且各项同性且外场不太强）外场不太强）静电场与静磁场的比较静电场静磁场（稳恒磁场）物理量高斯定理环16例例1：半径为：半径为R1的一无限长载流直导线，沿轴向有电流强度为的一无限长载流直导线，沿轴向有电流强度为I的的均匀电流，其外包围一层半径为均匀电流，其外包围一层半径为R2的磁介质，相对磁导率的磁介质，相对磁导率(2)介质内外界面上的束缚电流密度介质内外界面上的束缚电流密度求求解解根据磁介质的安培环路定理根据磁介质的安培环路定理(1)磁介质中的磁化强度和磁感应强度磁介质中的磁化强度和磁感应强度由磁化强度与束缚电流密度的关系由磁化强度与束缚电流密度的关系内界面内界面:外界面外界面:例1：半径为R1的一无限长载流直导线，沿轴向有电流强度为I的17例例2：有两个半径分别为：有两个半径分别为r和和R的的“无限长无限长”同轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁同轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁导率为导率为 r 的磁介质。的磁介质。当两圆筒通有相反方向的电流当两圆筒通有相反方向的电流 I 时，试求：时，试求：(1)磁介质中任意点磁介质中任意点P的磁感强度的大小；的磁感强度的大小；(2)圆柱体外面一点圆柱体外面一点Q的磁感强度。的磁感强度。解解(1)这两个这两个“无限长无限长”的同轴圆筒，当有的同轴圆筒，当有电流通过时，其磁场是柱对称分布的。电流通过时，其磁场是柱对称分布的。例2：有两个半径分别为r和R的“无限长”同轴圆筒形导体，在它18磁介质中点磁介质中点P的磁感强度的大小：的磁感强度的大小：(2)圆柱体外面一点圆柱体外面一点Q的其磁场仍是柱的其磁场仍是柱对称分布的。对称分布的。点点Q的磁感强度的大小：的磁感强度的大小：磁介质中点P的磁感强度的大小：(2)圆柱体外面一点Q的其磁场19例例3：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，求介质内和磁介质，求介质内和管内真空部分的磁感应强度管内真空部分的磁感应强度 B。解：解：由螺线管的磁场分布可由螺线管的磁场分布可知，管内的场各处均匀一知，管内的场各处均匀一致，管外的场为致，管外的场为0；RIBHrabcd1.介质内部介质内部 作作 abcda 矩形回路。矩形回路。在环路上应用介质中的环路定理：在环路上应用介质中的环路定理：回路内的传导电流代数和为：回路内的传导电流代数和为：例3：长直螺线管半径为 R，通有电流 I，线圈密度为 n 20cd 段处在真空中，有段处在真空中，有M=0；B=0，在在bc和和da段上段上RIBHrabcdcd 段处在真空中，有M=0；B=0，在bc和da212.管内真空中管内真空中作环路作环路 abcda;在环路上应用在环路上应用介质中的安培环路定理，同介质中的安培环路定理，同理有：理有：真空中真空中RIBHrabcd2.管内真空中作环路 abcda;在环路上应用介质中的安22 4 铁磁性铁磁性铁磁质主要特征铁磁质主要特征在外磁场中，铁磁质可使原磁场大大增强。在外磁场中，铁磁质可使原磁场大大增强。1001000倍倍撤去外磁场后，铁磁质仍能保留部分磁性。撤去外磁场后，铁磁质仍能保留部分磁性。铁磁质铁磁质铁、钴、镍、镝及其合金铁、钴、镍、镝及其合金或氧化物为代表的材料或氧化物为代表的材料 4 铁磁性铁磁质主要特征在外磁场中，铁磁质可使原磁场大2305101520磁强计磁强计A测量测量H测量测量B 的探头的探头（霍尔元件）（霍尔元件）电阻电阻换换向向开开关关电流表电流表螺绕环螺绕环铁环铁环狭缝狭缝测量磁滞回线的实验装置测量磁滞回线的实验装置一、铁磁质的磁滞回线一、铁磁质的磁滞回线铁磁质的磁化规律铁磁质的磁化规律05101520磁强计A测量H测量B 的探头电阻换电流表螺绕240510 1520磁强计磁强计磁强计磁强计A.BHabcos饱和磁感应强度饱和磁感应强度BsBsBsH铁磁质的磁化规律铁磁质的磁化规律初始磁化曲线初始磁化曲线B-H曲线形成过程曲线形成过程从磁强计中可以测得从磁强计中可以测得B 根据电流的测量再由式根据电流的测量再由式可得到可得到H 05101520磁强计A.BHabcos饱和磁感应强度25Br剩余磁感应强度剩余磁感应强度Br.d.es.HcB.BHabco铁磁质的磁化规律铁磁质的磁化规律矫顽力矫顽力cH0510 1520磁强计磁强计磁强计磁强计A从磁强计中可以测得从磁强计中可以测得B 根据电流的测量再由式根据电流的测量再由式可得到可得到H Br剩余磁感应强度Br.d.es.HcB.BHabco铁260510 1520磁强计磁强计磁强计磁强计As.cHrBB.BHcHabcdeof.矫顽力矫顽力剩余磁感应强度剩余磁感应强度饱和磁感应强度饱和磁感应强度sBrB从磁强计中可以测得从磁强计中可以测得B 根据电流的测量再由式根据电流的测量再由式可得到可得到H 铁磁质的磁化规律铁磁质的磁化规律05101520磁强计As.cHrBB.BHcHab270510 1520磁强计磁强计磁强计磁强计As.cH.cHrBB.BHcHabcdef.rBgo矫顽力矫顽力剩余磁感应强度剩余磁感应强度饱和磁感应强度饱和磁感应强度sBrB从磁强计中可以测得从磁强计中可以测得B 根据电流的测量再由式根据电流的测量再由式可得到可得到H 铁磁质的磁化规律铁磁质的磁化规律05101520磁强计As.cH.cHrBB.BH280510 1520磁强计磁强计AcsrHB.cHrBB.BH磁磁 滞滞 回回 线线cHabcdefgo矫顽力矫顽力剩余磁感应强度剩余磁感应强度饱和磁感应强度饱和磁感应强度磁滞现象：磁滞现象：sBrB从磁强计中可以测得从磁强计中可以测得B 根据电流的测量再由式根据电流的测量再由式可得到可得到H 05101520磁强计AcsrHB.cHrBB.29铁磁质中铁磁质中不是线性关系不是线性关系(1)实验证明：各种铁磁质的磁化曲线都是实验证明：各种铁磁质的磁化曲线都是“不可逆不可逆”的，具有磁滞现象。的，具有磁滞现象。讨论讨论(2)不同材料，矫顽力不同。不同材料，矫顽力不同。剩磁剩磁矫顽力矫顽力(3)铁磁质温度高于某一温度铁磁质温度高于某一温度TC 时时,铁磁质转化为铁磁质转化为 顺磁质顺磁质,此临界温度称为居里点。此临界温度称为居里点。铁磁质中不是线性关系(1)实验证明：各种铁磁质的磁化曲线都30顺磁质非常数，铁磁质抗磁质顺磁质非常数，铁磁质抗磁质31二、铁磁质的理论解释二、铁磁质的理论解释磁畴磁畴(magnetic domain)：原子间电原子间电子交换耦合作用很强，促使其自旋磁矩子交换耦合作用很强，促使其自旋磁矩平行排列形成平行排列形成磁畴磁畴自发的磁化区域。自发的磁化区域。体积约为体积约为 10-1010-8 m3 。磁畴磁畴在无外磁场时，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；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。在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。Bo铁磁性主要来源于电子的自旋磁矩。铁磁性主要来源于电子的自旋磁矩。二、铁磁质的理论解释磁畴(magnetic domain)32随着外磁场增加，能够提供转向的磁畴越来越少，铁随着外磁场增加，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，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介质内的磁场也不会增加，铁磁质达到磁饱和状态。磁饱和状态磁饱和状态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MS等于每个磁畴中原来的磁化强度，等于每个磁畴中原来的磁化强度，该值很大，这就是铁磁质磁性该值很大，这就是铁磁质磁性 r大的原因。大的原因。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33磁滞磁滞(hysteresis)现象现象是由于掺杂和内应力等的作用，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。表现出来。磁滞伸缩磁滞伸缩(magnetostriction)是因磁畴在外磁场中的取向，是因磁畴在外磁场中的取向，改变了晶格间距而引起的。改变了晶格间距而引起的。当温度升高时，热运动会瓦解磁畴内磁矩的规则排列；当温度升高时，热运动会瓦解磁畴内磁矩的规则排列；在临界温度（相变温度在临界温度（相变温度Tc）时，铁磁质完全变成了顺磁质。）时，铁磁质完全变成了顺磁质。居里点居里点 Tc(Curie Point)铁磁体于铁电体类似；在交变场的作用下，它的形状会铁磁体于铁电体类似；在交变场的作用下，它的形状会随之变化，称为随之变化，称为磁致伸缩磁致伸缩（10-5数量级）它可用做换能数量级）它可用做换能器，在超声及检测技术中大有作为。器，在超声及检测技术中大有作为。如：铁为如：铁为 1040K，钴为，钴为 1390K，镍为镍为 630K不同铁磁质具有不同的转变温度不同铁磁质具有不同的转变温度磁滞(hysteresis)现象是由于掺杂和内应力等的作34纯铁纯铁硅铁硅铁钴钴磁畴磁畴纯铁硅铁钴磁畴35Si-Fe单晶单晶(001)面的面的磁畴结构磁畴结构箭头表示箭头表示磁化方向磁化方向0.1mmSi-Fe单晶箭头表示0.1mm36单晶磁畴结构单晶磁畴结构 示意图示意图多晶磁畴结构多晶磁畴结构 示意图示意图单晶磁畴结构多晶磁畴结构37 根据现代理论，铁磁质相邻原子的根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的电子之间存在很强的“交换耦合作用交换耦合作用”使得在无外磁场作用时，电子自旋磁矩使得在无外磁场作用时，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列形成自能在小区域内自发地平行排列形成自发磁化达到饱和状态的微小区域，这些发磁化达到饱和状态的微小区域，这些区域称为区域称为“磁畴磁畴”。用磁畴理论可以解释铁磁质的磁化用磁畴理论可以解释铁磁质的磁化过程、磁滞现象、磁滞损耗以及居里点。过程、磁滞现象、磁滞损耗以及居里点。1892年年罗辛格罗辛格首先提出磁畴的形成首先提出磁畴的形成是由于磁偶极子间非磁性的相互作用是由于磁偶极子间非磁性的相互作用 *深入认识深入认识磁畴磁畴 根据现代理论，铁磁质相邻原子的 用38 1926 1926年年海森堡海森堡用量子力学中的交换力解用量子力学中的交换力解释了磁偶极子间相互作用的起源释了磁偶极子间相互作用的起源 1926年海森堡用量子力学中的交换力解39 1935 1935年年 朗道和栗佛希兹朗道和栗佛希兹从磁场能量的从磁场能量的观点说明了磁畴的成因观点说明了磁畴的成因 1935年 朗道和栗佛希兹从磁场能量的40二、铁磁材料的应用二、铁磁材料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。特点：特点：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，矫顽力饱和磁感应强度大，矫顽力(HC)小，磁滞回线的面小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小（磁滞回线所围的面积小）。积窄而长，损耗小（磁滞回线所围的面积小）。用于继电器、电机、以及高频电磁元件的磁芯、磁棒。用于继电器、电机、以及高频电磁元件的磁芯、磁棒。BH二、铁磁材料的应用作变压器的软磁材料。纯铁，硅钢、坡莫合金41作永久磁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，铝镍钴合金特点：矫顽力特点：矫顽力(HC)大（大（102A/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。作永久磁铁的硬磁材料钨钢，碳钢，铝镍钴合金特点：矫顽力(H42 作存储元件的作存储元件的矩磁材料矩磁材料特点特点：Br=BS,HC不大，磁滞回线是矩形。不大，磁滞回线是矩形。锰镁铁氧体，锂锰铁氧体锰镁铁氧体，锂锰铁氧体用于用于记忆元件记忆元件，当，当+脉冲产生脉冲产生HHC使磁芯呈使磁芯呈+B态，则态，则脉冲产生脉冲产生HHC使磁芯呈使磁芯呈B态，可做态，可做为二进制的两个态。为二进制的两个态。磁化时极性的反转构成了磁化时极性的反转构成了“0”与与“1”作存储元件的矩磁材料特点：Br=BS,HC不大，磁滞回43这种磁性排列的记忆也出现在突然材料中。这种磁性排列的记忆也出现在突然材料中。当闪电通过一条条曲折的路线把电流送到当闪电通过一条条曲折的路线把电流送到地面，电流产生的强磁场能够突然磁化周地面，电流产生的强磁场能够突然磁化周围石块中的任何铁磁质。由于磁滞，在闪围石块中的任何铁磁质。由于磁滞，在闪电打击之后（电流消失之后）这些石块里电打击之后（电流消失之后）这些石块里的物质仍然具有一些磁化的记忆。经过后的物质仍然具有一些磁化的记忆。经过后来的日晒、碎裂和风化变松，形成的石块来的日晒、碎裂和风化变松，形成的石块碎片就是磁石。碎片就是磁石。这种磁性排列的记忆也出现在突然材料中。当闪电通过一条条曲折的44你真的可以听到磁畴转向的声音你真的可以听到磁畴转向的声音：使一台：使一台录音机进入它的放音模式，但是不要录音录音机进入它的放音模式，但是不要录音带（或者放一个空白带）；把音量开到最带（或者放一个空白带）；把音量开到最大，然后拿一个强磁体放到录音磁头（它大，然后拿一个强磁体放到录音磁头（它是铁磁质）上方。磁场使磁头中的磁畴突是铁磁质）上方。磁场使磁头中的磁畴突然转向，这使得通过绕在磁头上的一个线然转向，这使得通过绕在磁头上的一个线圈中的磁场突然改变。由此在线圈中突然圈中的磁场突然改变。由此在线圈中突然感应的电流被放大并且传到扩音器，使之感应的电流被放大并且传到扩音器，使之发出沙沙声。发出沙沙声。你真的可以听到磁畴转向的声音：使一台录音机进入它的放音模式，45