磁介质反复磁化-IFTS-ZJU课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,1,13,磁介质,一、磁介质的分类,物质受到磁场的作用产生磁性的现象叫磁化。,1,、物质的磁化,设物质在磁场,B,0,作用下产生磁场,B,/,，则空间,总磁场,1 13磁介质一、磁介质的分类 物质受到磁场的作用产生,2,相对磁导率,为磁介质的磁导率,与电介质的类比,所不同的是,E,总是与,E,0,反向，而,B,则有可能与,B,0,反向，也可能与,B,0,同向，且不同的介质其,B,的大小差异很大。根据,B,的方向及大小将磁介质分类为：,介质中，总的磁感应强度与真空中的磁感应强度之比，定义为该磁介质的相对磁导率,2相对磁导率 为磁介质的磁导率 与电介质的类比 所不同的,3,2,、三类磁介质,顺磁质,-,均匀磁介质中,B,与,B,0,同方向、则,B,B,0,，相对磁导率,如锰、镉、铝等。,抗磁质,-,均匀磁介质中,B,/,与,B,0,反方向、则,B,B,0,，,r,很大且不是常数、具有所谓,“,磁滞,”,现象,的一类磁介质。如铁、钴、镍及其合金等。,但在上述两类磁介质中,B,附加磁矩,P,m,（相差两到五个数量级）,P,m,可以忽略不计,所以,此时的磁化主要是外磁场,B,0,使,P,m,转向效应。,.,8抗磁质的磁化 3、抗磁质与顺磁质的磁化 附,9,M,0,稳定平衡,M,0,非稳定平衡,磁感应强度的大小,磁场方向：,使线圈磁矩处于,稳,定平衡,位置时的磁矩的方向,B,+,P,m,F,F,B,+,P,m,F,F,9 M0 稳定平衡 M0 非稳定平衡 磁感应强度的,10,10,11,三、磁化强度和磁化电流,对于顺磁质，我们将磁介质内某点处单位体积内分子磁矩的矢量和，定义为该点的磁化强度，即,顺磁质的,M,的方向与外磁场,B,0,的方向,一致。,对于抗磁质，磁化的主要原因是抗磁质分子在外磁场中所产生的附加磁矩,P,m,，,P,m,与,B,0,的方向相反，大小与,B,0,成正比。,抗磁质的磁化强度为,介质磁化后,在介质表面有磁化电流,I,（又称束缚电流）,单位体积元内的分子磁矩之矢量和不为零。,磁化强度：,描述磁介质的磁化程度。,11三、磁化强度和磁化电流 对于顺磁质，我们将磁介质内某,12,证明如下：,设磁介质横截面积,s,、长度,l,，介质表面单位长度圆形磁化电流,J,s,。则在长度,l,上,圆形磁化电流,I,s,=,J,s,l,，,因此在磁介质总体积,sl,上磁化电流的总磁矩为,i,s,利用充满顺磁质的长直载流螺线管可以证明，其顺磁质表面单位长度圆形磁化电流（即磁化电流密度）,J,s,=M,M,为顺磁质内磁化强度大小。,1,、磁化电流的产生,（以顺磁质的磁化为例）,2,、磁化电流与磁化强度的关系,四、磁介质中的安培环路定理,12 证明如下：设磁介质横截面积s、长度l，介质表面单,13,按定义,写成矢量式，有,式中,n,0,为介质表面法线方向单位矢。,即,13按定义 写成矢量式，有式中n0为介质表面法线方向单位矢。,14,i,s,M,3,、磁化强度的环流,由于充满顺磁质的长直螺线管内的磁场为均匀场，取如上图的矩形回路,abcd,，由安培环路定律，有,即,14 isM3、磁化强度的,15,令 为磁介质的磁场强度,单位：,A/m,对任意闭合回路进行,B,的积分,4,、磁介质中的安培环路定理,15令 为磁介质的磁场强度 单位：,16,即：,H,沿任一闭合回路的环流等于穿过该回路所围面积的传导电流之代数和,上式即为有磁介质时的安培环路定理,得,s,是回路,l,围出的面积，,I,是穿过,s,的传导电流的代数和,。,16 即：H沿任一闭合回路的环流等于穿过该回路所围面积的,17,五、,B,与,H,的关系,实验表明，在均匀各向同性的弱磁介质中，有,其中,m,称为磁介质的磁化率，只与磁介质的性质有关。,称为磁介质的相对磁导率；,即在弱磁介质中，有,上式代入,整理得,为磁介质的磁导率,17五、B与H的关系 实验表明，在均匀各向同性的弱磁介质中，,18,利用 可以方便地求有磁介质时某些对称的磁场分布。,、选择一个合适的积分回路或者使某一段积分线上,H,为常数，或使某一段积分线路上,H,处处与,d,l,垂直,3,、先由求,H,，再由 求,B,其基本步骤如下：,、首先要分析磁场分布的对称性或均匀性。,在铁磁质中，则为,18 利用 可以方便地求有磁介,19,、密绕长直螺线管内充满介质的磁感应强度,：,、环形螺线管内部充满介质的磁感应强度：,、无限长的载流圆柱体外充满介质的磁场：,内部为,外部为,19、密绕长直螺线管内充满介质的磁感应强度：、环形螺线管,20,铁磁质具有高磁导率、非线性（,不是常数）；存在,“,磁滞现象,”,；存在居里温度等三个显著特征。,2,、在外场撤除后有剩磁：,六、铁磁质,、居里温度：,对应于每一种铁磁物质都有一个临界温度（居里点），超过这个温度，铁磁物质就变成了顺磁物质。如铁的居里温度为,1034K,1,、,r,1,（即,B,B,0,）且,r,不是常数：,而是,H,（亦即电流,I,）的函数，即,r,=,H)=,H,(,I,),。因此，这时,B,与,H,间无简单的线性关系也就是说，此时,B,0,H,不成立，而只有成立。,20 铁磁质具有高磁导率、非线性（不是常数）；存在“磁,21,1,、磁化特性曲线：,1,）研究铁磁质特性的实验：,H,是电流为,I,时，铁心,中的磁场强度；,B,是,电流为,I,时，铁心中的磁感应强度；,q,是电流从,0,到,I,时、通过电流计,G,的电量；,R,是副线圈的电阻；,N,是副线圈的总匝数；,S,为环形铁心的横截面积,原理,-,铁心中,装置,-,原线圈,A,（待测铁磁质做铁心）,副线圈,B,。,211、磁化特性曲线：1）研究铁磁质特性的实验：H是电流为I,22,2,）起始磁化特性曲线：,即，,B,与,H,不成线性关系，即铁磁质的磁导率,不再是常数、而是与,H,有关,在,B-H,曲线（磁化规律）中,Om,段,-,B,随,H,增长,较慢；,mn,段,-,B,随,H,迅速增长；,na,段,-,B,随,H,增长变慢；,当,H=,s,以后，,B,不随,H,增长，磁化达到饱和。,0,B,H,s,H,a,n,m,m,B,222）起始磁化特性曲线：即，B与H不成线性关系，即铁磁质,23,不同磁介质的磁化曲线比较,抗磁介质,铁磁介质,顺磁介质,B,o,23不同磁介质的磁化曲线比较抗磁介质铁磁介质顺磁介质Bo,24,2,、磁滞回线：,B,不是,H,的,单值函数，与以前的磁化,“,历史,”,有关；,（,1,）剩磁,B,r,：,起始磁化曲线,Oa,不可逆，当改变,H,的方向和大小时、可得,B-H,曲线如图，叫,磁滞回线,。从曲线可知：,磁化曲线下降时的,B,值比起始磁化曲线中同一,H,所对应的,B,值为高，当,H,减少到零时，,B,不为零，而出现一个剩磁,B,r,242、磁滞回线：B 不是H 的单值函数，与以前的磁化“历史,25,（,4,）,磁滞损耗：,可以证明：,B-H,曲线所围的面积等于反复磁化的一个周期中单位体积的磁介质中损耗的能量。,（,3,）磁滞回线：,如果继续加大反向磁场，将其反向磁化，,并达到反向饱和，若这时逐渐撤除反向外场,其同样出现反向剩磁，要去掉反向剩磁则必须加上正向矫顽力；再正向磁化，其又可达正向饱和，这样就组成了一个封闭曲线，这个封闭曲线就叫磁滞回线。,改变,H,时、磁介质反复磁化，分子振动加剧、温度升高，产生,H,的电流提供的热损耗称为磁滞损耗。,（,2,）矫顽力,H,C,要使磁铁完全去磁，必须加上反向外场，,只有反向外场,H,C,到某一值才能完全去磁，,为去掉剩磁而加上的反向磁场,H,C,就称为矫顽力。,25（4）磁滞损耗：可以证明：B-H 曲线所围的,26,3,、磁畴,-,铁磁质的磁化理论,磁畴的几何线度从微米至毫米、体积约,10,-12,m,3,，包含,10,17,10,21,个原子。无外磁场时、磁畴的磁矩排列杂乱无章，铁磁质宏观不显磁性。,1,）磁畴,即,铁磁质中,原子磁矩自发高度有序排列的磁饱和小区。,量子理论指出：铁磁质中相邻原子由于电子轨道的交叠而产生一种,“,交换耦合效应,”,使,原子磁矩能自发地有序排列，,于是,形成坚固的平行排列的大小不等的,自发饱和磁化区。,263、磁畴-铁磁质的磁化理论 磁畴的几何线度从微米至毫,27,2,）铁磁质磁化解释,：,mn,段对应磁畴界壁快速跳跃移动、使一些缩小的磁畴消失，这是不可逆过程、引起了磁滞；,na,段对应留存的磁畴转向外磁场方向、直到饱和。,在起始磁化特性曲线中，,Om,段对应自发磁化区磁矩方向与外磁场方向相近的磁畴的扩大、自发磁化区磁矩方向与外磁场方向相反的磁畴的缩小；,磁饱和：,加上外场后，铁磁质中总是有些磁畴内分子固有磁矩的取向与外场相同或相近。这些自发磁化方向与外场相同的磁畴的边界在外场的作用下将不断地蚕食扩大，而那些自发磁化方向与外磁方向不同的磁畴的边界就逐步缩小，故开始时磁化增长较慢，而后增长很快，直到所有磁畴被外场,“,同化,”,而达磁饱和。,272）铁磁质磁化解释：mn段对应磁畴界壁,28,居里点：,30%,的坡莫合金居里温度,t,c,=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。,剩磁：,原因是在高温下磁畴瓦解了。,如铁、钴、镍的居里点分别为,770,、,1115,、,358,。,在退磁时，由于磁畴边界的移动是不可逆的，因此，磁化过程和退磁过程也是不可逆的。即在去掉外场后，磁畴在磁化过程中的某种排列可能被保留下来，这就是剩磁现象,振动和加热可以促进退磁也能证实这一点。,磁介质达到某一温度时，铁磁性消失、介质显顺磁性,这一温度称为居里点。当温度低于,t,c,时，又由顺磁质转变为铁磁质。,28居里点：30%的坡莫合金居里温度 tc=70C；,29,4,、铁磁质的分类及应用,1,）硬磁质,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等。,2,）软磁质,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,294、铁磁质的分类及应用1）硬磁质 磁滞回线较粗，剩磁很,30,3,）非金属氧化物,-,铁氧体,磁滞回线呈矩形，又称矩磁材料，剩磁接近于磁饱和磁感应强度，具有高磁导率、高电阻率。,它是由,Fe,2,O,3,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。,303）非金属氧化物-铁氧体 磁滞回线呈矩形，又称矩,31,退磁方法,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,t,c,。当温度低于,t,c,时，又由顺磁质转变为铁磁质。,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。,3,.,加反向磁场,加反向磁场，提供一个矫顽力,H,c,使铁磁质退磁。,31 退磁方法1.加热法 当铁磁质的温度升高到某一,32,4,.,加交变衰减的磁场,B,H,o,c,t,H,o,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。,324.加交变衰减的磁场BHoctHo 使介质中的磁场逐渐,33,例,13,1,螺绕环中心周长,L,10cm,环上均匀密绕线圈,N,200,匝，线圈中通有电