第十八讲磁介质课件

单击此处编辑母版标题样式,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,第十八讲磁介质,（优选）第十八讲磁介质,2,实验发现：充各种磁介质，磁介质内的磁场,有的比真空时弱，有的比真空时强。,该磁介质的相对磁导率,(1)抗磁质,略,1（铝,锰,氧等）,(3)铁磁质,1（铁,钴,镍等）,式中,磁介质的磁导率。,由于电子带电，电子绕原子核作轨道运动，,就相当于一个闭合载流线圈一样。,一,.电子的磁矩,11.1.2,一般磁介质的磁化机制,其磁矩为,m,=IS,I,电流强度,S,载流线圈面积,所以有,I,S,m,r,电子轨道运动的角动量,二,.原子核的磁矩,同理，质子也有轨道磁矩。,中子不带电，无轨道磁矩。,但是质子和中子都有自旋磁矩（略）。,总之，原子核有个总磁矩。,电子轨道磁矩,电子还有自旋运动，自旋磁矩和自旋角动量,S,的关系：,它比电子轨道磁矩约小一千多倍。,三,.分子磁矩和分子电流,一个分子的磁矩是其中所有电子的轨道磁矩,和自旋磁矩以及原子核的磁矩的矢量和。,i,分,1.,顺磁质,顺磁质的,0，称为分子固有磁矩。,一般由于分子的热运动,完全是混乱的,不显磁性。,这就是顺磁质被“磁化”。,外磁场越强，转向排列越整齐。,会发生转向而排列，,但是在外磁场中，,S,N,i,S,N,顺磁质内部的各,分子等效磁矩,有一定程度的排列，,分子等效电流,I,使,顺磁质内部的磁场加强；,而且顺磁质会被磁铁吸引。,2.,抗磁质,抗磁质的分子固有磁矩,=0。,但是在外磁,场中会产生感应磁矩。,以分子中某个电子的轨道运动为例,（注意：分子固有磁矩为零,分子中某个,电子的轨道磁矩不见得为零）,该磁矩在外磁场中要受力矩 ，,设该电子的轨道运动角动量为 ，,轨道磁矩为 ，,有,的方向即,的方向（向里）。,所以 要进动。,（俯视为逆时针方向）,轨道进动附加的角动量 是与 的方向一致的,所以这一进动相应的轨道磁矩（感应磁矩）,是与 反向的。,对电子的自旋运动和核的自旋运动，有类似的现象。,总之，一个抗磁质分子，在磁场中会产生一个与,外磁场反方向的感应磁矩，这个感应磁矩相应的,分子感应电流的方向如图所示，,这就是它的磁化。因此，在抗磁质内部的磁场,是被削弱的，而且抗磁质会被磁铁排斥。,S,N,i,S,N,虽然顺磁质也会产生感应磁矩,但由于它远小于固有磁矩,所以，顺磁质主要是固有磁矩起作用。,说明：,11.1.3,磁化强度和磁化电流,一,.磁化电流,顺磁质在磁场中，,它的分子固有磁矩,沿外磁场排列起来。,在外磁场作用下磁介质出现磁性或磁性,发生变化的现象称为磁化。,以顺磁质为例：,顺磁质,对均匀的磁介质：,内部各点处的小分子电流相互抵消，表面上的小分子,电流方向相同没有抵消，相当在表面上有一层表面电,流流过。（磁化电流）（或束缚电流）,记作,I。,对顺磁质和铁磁质,磁化电流产生的磁场,是加强磁介质内部原磁场的;,磁化电流,I,的大小反映了磁化的强弱。,对抗磁质,磁化电流产生的磁场,是削弱磁介质内部原磁场的。,二,.磁化强度,磁化的强弱还可以用磁化强度来描述。,定义,:磁化强度,（,V,宏观小、微观大。）,单位体积内,分子磁矩的矢量和。,对顺磁质,:,平行于,对抗磁质,:,反平行于,实验表明,:,在各向同性的顺磁质、,抗磁质内,有线性关系,和,呈非线性关系）,（对铁磁质：,（记）,三,.磁化电流与磁化强度的关系,设其内部某点处,的,如图。,、,以顺磁质为例,.,在该点处，任取一微小矢量元 ，,设它与,的夹角为,.,等效分子圆电流,为,I,、半径为,r,、,分子磁矩为 。,顺磁质,设单位体积内的分子数为,n,，,所以,与,dl,套住的总分子电流为,则与,套住,的分子,电流的中心，都是,位于以 为轴、,以,r,2,为底面积,的小柱体内。,顺磁质,这就是磁介质上任一点处,(磁化电流,与磁化强度)之间的基本关系。,在磁介质表面和磁介质内部磁化电流情况如何？,1.,磁介质表面,若 在磁介质的表面上，,可以看出某些表面会有,磁化面电流,。,定义：在垂直磁化面电流方向,的单位长度上的磁化面电流,称为磁化面电流密度,它与磁化强度的关系为,通常用,表示二者的矢量关系。,顺磁质,当,=90,0,时，,如图所示在磁介质,的端面上,无磁化面电流。,当,=0时，,如图所示在磁介质,的侧表面上，,有磁化面电流。,若磁介质均匀磁化，,通过体内任意面积的,磁化电流为零，因为,2.,磁介质内部,任取一面积,S,，其周界为,L,，则通过,S,面的,磁化电流是与周界套连的分子电流的总和。,当有磁介质存在的时候,基本规律,:,高斯定律,安培环路定理,11.2,的环路定理,一.的环路定理,定义,:磁场强度,求,有,沿任一闭合路径的磁场强度的环流，等于该,闭合路径所套连的传导电流的代数和。,当无磁介质时，上式就过渡到真空时的,环路定理。,对各向同性的磁介质,的环路定理,磁介质的 性能方程（点点对应）,称为磁化率,若磁场的分布有对称性，就可以由 的环路,定理、传导电流求出 ，然后再得到磁感应,强度 。,由 也能得到磁化强度 ：,例,1.证明：各向同性均匀磁介质内，,无传导电流处,，也无磁化电流。,【证】磁介质中取任一小面元，其周界闭合回,路,L,所套联的磁化电流为,证毕。,L,可任取，且可无限缩小，,例,2.一均匀密绕细螺绕环,n,=10,3,匝,/米,I,=2安,充满,=5,10,-4,特,米/安 的磁介质。,求:磁介质内的,及表面磁化电流面密度,.,取环路,L,如图所示，在,L,上,各点的 都沿,L,的,方向，,L,上的,H,大小相等。,【解】此磁介质是顺磁质？抗磁质？铁磁质？,铁磁质,I,设总匝数为,N,，有,（与无限长螺线管内,的,B,相同）,铁磁质上的磁化面电流密度的方向与,传导电流的方向是一样的。,讨论：如果设想把这些磁化面电流也分成,每米,10,3,匝，相当于每匝多大电流？,（,2A）,正因为如此，所以铁磁质的,B,B,0,，,铁磁质作铁心可以大大加强磁场。,例,3.,一个半径为,R,的“无限长”圆柱形,铝导线，相对磁导率为,r,(,1,),，沿,轴线方向均匀地通有电流，电流密,度为 。,试求：,（,2）,（,3）表面磁化面电流密度,（,4）,内部磁化电流密度 的分布,和 的分布,（,1）,R,r,【解】,由于传导电流和磁介质的,分布 都有柱对称性，,所以 线、线和 线,都是垂直于轴的对称圆。,根据 的环路定理：,导体外（,r R,）,:,（,1）求,设它们的方向如图。,通过场点,P 取回路,L，,方向相同，,R,r,i,0,r,P,R,r,i,0,r,P,导体内（,r 1）；下面是空气,（,r1,1），则除了,垂直入射（,1,=,2,）的,特殊情况外,一般有,2,90,0,，如下图所示。,正是因为铁磁质内部的,磁力线远远密于空气中,的磁力线；铁磁质内的,磁力线几乎与表面平行，,我们常说,:,“磁力线沿铁走”，,“铁磁质有把磁力线聚,集于其内部的性质”。,铁磁质的“磁屏蔽”作用,空腔,空气,铁,11.3,铁磁质,一,.研究磁化规律的实验装置,目的：得出,BH,的关系。,由环路定理,得,一方面，,A,R,I,冲击电流计,铁磁质,H,与,I,成正比，有一个,I,就有一个,H,。,将开关倒向，,B,-,B,，即磁通量,-,，,次级回路中会产生一定的感应电动势（见下一章），,冲击电流计能测出,，,从而可得出相应的,B:B=,/,s,.,另一方面，,再者，有一个,H、B，,就有一个,r,。,实验数据表格：,二,.起始磁化曲线,对未被磁化的材料,电流从零开始:,I,H,B,得到起始磁化曲线。,B,H,是非线性关系。,B,有饱和现象,但仍有,一定的斜率。原因:,起始磁化曲线,由,可以得出,H,曲线。,可以看出 不是常数。但是在给定了 值的,情况下，有 ，通常形式上仍说成,B,与,H,成正比。,三,.磁滞回线,B,r,剩磁,H,c,矫顽力,B,H,既不是线性,关系，也不是单值,关系，与它们的,历史有关。,“去磁”方法：,BH,的变化情况,如右图示。,H,四,.铁磁质的分类和应用,B,H,1.,硬磁材料,“胖”：剩磁大,矫顽力也大,例如：铁、钴、镍,的合金等。,用途：可作永久磁铁,（电表、喇叭、录音机磁头、,磁芯、记忆元件等）,2.,软磁材料,例如：纯铁、硅钢、,坡莫合金,（铁 78%，Ni 22%）等。,软磁材料“瘦”,:,剩磁小，矫顽力也小,这些铁芯在交变磁场中反复磁化要消耗能量，,并以热的形式放出，称为“磁损”（或“铁损”）。,可以证明：磁损与磁滞回线的面积成正比。,B,H,用途：可作变压器、镇流器、电磁铁等的铁芯。,可以证明：铁磁质中起主要作用的是电子的自旋,磁矩。电子的自旋磁矩可以不靠外磁场、,在小范围内取得一致方向而形成磁畴。,为什么铁磁质有这么,大的磁性？因为它存,在“磁畴”。,“磁畴”是铁磁质中已经存在的,许多自发的均匀磁化小区域。,五,.磁畴,