第十四章磁场中的介质课件

*,第十四章 磁场中的磁介质,物理学,*,8-0,第八章教学基本要求,物理学,第五版,14.1,磁介质对磁场的影响,物质的磁性,当一块介质放在外磁场中将会与磁场发生相互作用，产生一种所谓的,“磁化”,现象，介质中出现附加磁场。我们把这种在磁场作用下磁性发生变化的介质称为,“磁介质”。,收音机中的磁棒,磁芯,变压器的铁芯,螺线管的管芯,磁介质的分类,磁介质中的总磁感强度,真空中的磁感强度,介质磁化后的附加磁感强度,传导电流产生,与介质有关的电流产生,在介质均匀充满磁场的情况下,介质的相对磁导率,=,0,r,称为,磁导率,三类磁介质：,（,1,）,顺磁性介质,：,介质磁化后呈弱磁性,附加磁场,B,与外场,B,0,同向,B,B,0,r,1,（,2,）,抗磁性介质,：,介质磁化后呈弱磁性,附加磁场,B,与外场,B,0,反向,B,B,0,r,B,0,r,1,（,4,）,完全抗磁体,：,（,r,0,）,B,0,磁介质内的磁场等于零（如超导体）,磁介质种类,种 类,温度,相对磁导率,r,1,铋,汞,铜,氢（气）,293K,293K,293K,1-16.610,-5,1-2.910,-5,1-1.010,-5,1-3.8910,-5,r,1,氧（液）,氧（气）,铝,铂,90K,293K,293K,293K,1+769.910,-5,1+334.910,-5,1+1.6510,-5,1+26.010,-5,r,1,铸钢,铸铁,硅钢,坡莫合金,2.210,3,（最大值）,410,2,（最大值）,710,2,（最大值）,110,5,（最大值）,r,0,汞,铌,小于,4.15K,小于,9.26K,0,0,14.2,原子的磁矩,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。这两种运动都能产生磁效应。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，可等效于一个圆电流，称为“分子电流”。分子电流的磁矩称为“分子磁矩”表示为,。,+,-,-,+,各电子磁矩,+,-,分子磁矩,分子电流 分子磁矩,每个分子等效一个圆电流,L,r,-,e,轨道半径,r,(,圆轨道,),电子速率,轨道电流,分子磁矩,无外磁场,顺 磁 质 的 磁 化,分子圆电流和磁矩,有外磁场,同,向,时,反,向,时,无外磁场时抗磁质,分子磁矩为零,抗磁质内磁场,抗磁质的磁化,结论：,注意：,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，因此在顺磁质中，抗磁效应被顺磁效应所掩盖。,附加电子磁矩,的方向总是和外磁场 方向相反。,由于分子中每一个运动电子都要产生与外磁场反向的附加磁矩,，分子中各电子附加磁矩的矢量和即为分子的附加磁矩 。磁介质中大量分子的附加磁矩在宏观上对外显示出磁效应。这一磁效应与外磁场方向相反，我们把它称为“,抗磁效应,”。,14.3,磁介质的磁化,1.,磁化强度,为了反映磁化程度的强弱，引入“磁化强度矢量”,磁化强度：,磁介质中某一点处单位体积内分子磁矩的矢量和,。,单位：,以抗磁质为例,分子磁矩的矢量和,体积元,定义：磁介质的磁场中，某点单位体积中分子磁矩的矢量和称为该点的磁化强度。记为,以抗磁质为例,分子磁矩的矢量和,体积元,2.,磁化电流,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“,磁化电流,”（,I,s,）。,介质表面出现磁化电流,顺磁质,抗磁质,磁化强度与磁化电流间的关系,（以长螺线管磁场为例）,取一长为 面积为,S,的磁介质。则,：,它是这段介质中所有,分子电流的等效电流,它的磁矩是所有分子,磁矩的矢量和。,一般言之：介质表面极化面电流线密度,式中：,为磁化强度,为介质表面外法线的,单位矢。,磁化强度与磁化电流的关系：磁化强度 在磁场中沿任一闭合路径,L,的线积分等于穿过此闭合路径的磁化电流。,（,积分关系,）,abcda,作闭合回路,求积分,a,b,c,d,积分关系,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。,14.4 H,的环路定理,磁介质在磁化后，由于外磁场 和附加磁场 都属于涡旋场。因此，在有磁介质存在时，磁场中的高斯定理仍成立。,1.,有介质存在时的高斯定理,C,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,A,D,B,C,分子磁矩,（单位体积分子磁矩数）,传导电流,分布电流,2.,有介质存在时的安培环路定理,磁场强度,磁介质,中的,安培环路,定理,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,A,D,B,C,各向同性,磁介质,（磁化率）,相对,磁导率,磁 导 率,各向同性磁介质,磁介质中的安培环路定理,顺磁质,（非常数）,抗磁质,铁磁质,例,有两个半径分别为 和 的“无限长”同轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁导率为 的磁介质,.,当两圆筒,通有相反方向的电流 时，,试,求,（,1,）,磁介质中任意点,P,的磁感应强度的大小,;,（,2,）,圆柱体外面一点,Q,的磁感强度,.,I,I,解,I,I,同理可求,I,o,r,r,例,.,一半径为,R,1,的无限长圆柱形直导线，外面包一层半径为,R,2,，相对磁导率为,r,的圆筒形磁介质。通过导线的电流为,I,0,。,求磁介质内外磁场强度和磁感应强度的分布。,解：,R,2,R,1,14.5,铁磁质,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，因此用途广泛。铁、钴、镍以及许多合金都属于铁磁质。,400 600 800 1 000,H,/Am,-1,15,10,5,B,/10,-4,T,B=f(H),顺磁质的,B,-,H,曲线,装置,励磁电流,I,;,用安培定理得,H,感应电动势法,或用小线圈在缝口处测量,B,B-H,磁滞回线,磁滞现象,-,矫顽力,O,磁滞回线,当外磁场由 逐渐减小时，这种,B,的变化落后于,H,的变化的现象，叫做,磁滞现象,，简称,磁滞,.,由于磁滞，,时，,磁感强度,，叫做剩余磁感强度,(,剩磁,),.,铁磁质的宏观性质,1.,r,1,可使原场大幅度增加，甚至是原场的几百上千倍,2.,磁滞现象，,B,的变化落后于,H,的变化。,3.,r,与磁化历史有关，,B-H,非线性,比较：,铁磁性材料,O,软,磁材料,O,硬,磁材料,O,矩,磁铁氧体材料,实验表明，不同铁磁性物质的磁滞回线形状相差很大,.,软磁材料,应用：硅钢片,作变压器、电机、电磁铁的铁芯 铁氧体（非金属）作高频线圈的磁芯材料,特点：磁导率大 矫顽力小 容易磁化,也容易退磁 磁滞回线包围面积小 磁滞损,耗小,O,软,磁材料,特点：剩余磁感应强度大 矫顽力大 不容易磁化 也不容易退磁 磁滞回线宽 磁滞损耗大,应用：,作永久磁铁,永磁喇叭,O,硬,磁材料,硬磁材料,应用：作计算机中的记忆元件磁化时极性的反转构成了“,0”,与“,1”,特点：磁滞回线呈矩形状,O,矩,磁铁氧体材料,矩形铁氧体磁材料,铁磁性起因,铁磁质内部相邻原子的磁矩会在一个微小的区域内形成方向一致、排列非常整齐的“自发磁化区”，称为,磁畴,。,磁畴大小：,每个磁畴所含分子数：,无外磁场,有外磁场,根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的“交换耦合作用”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 形成自发磁化达到饱和状态的微小区域 这些区域称为“磁畴”,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,1892,年罗辛格首先提出 磁畴的形成,是由于磁偶极子间非磁性的相互作用,*,深入认识,磁畴,铁磁质在外磁场中的磁化过程主要为畴壁的移动和磁畴内磁矩的转向。,自发磁化方向逐渐转向外磁场方向（磁畴转向），直到所有磁畴都沿外磁场方向整齐排列时，铁磁质就达到磁饱和状态。,铁的居里点：,T,=1040,K,镍的居里点：,T,=631,K,磁滞损耗,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,实验和理论都可以证明 磁滞损耗和磁,质回线所包围的面积成正比,B,H,单晶磁畴结构,示意图,多晶磁畴结构,示意图,纯铁,硅铁,钴,磁畴,Si-Fe,单晶,(001),面的,磁畴结构,箭头表示,磁化方向,0.,1mm,