大学物理下第十一章磁介质

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,*,*,第十一章,磁介质,(,magnetic medium),磁介质,凡处在磁场中与磁场发生相互作用的物质。,相对磁导率,顺磁质,抗磁质,铁磁质,磁介质的分类,如氧、铝、钨、铂、铬等。,如氮、水、铜、银、金、铋等。,如铁、钴、镍等,超导体是理想的抗磁体,一、简述,2024/11/28,原子中电子参与的两种运动：,自旋,自旋磁矩,绕核的轨道运动,轨道磁矩,磁介质的磁化,分子电流和分子磁矩在外磁场中的行为,固有分子磁矩,分子电流,向磁场方向偏转，且按统计规律取向,(,顺磁,),分子磁矩在外磁场中会产生变化产生附加磁矩,(,抗磁,),。,2024/11/28,电子的拉莫进动,电子磁矩受到磁力矩,角动量定理,1),绕磁场进动附加一磁矩 与外场 反向。,2),感应磁矩：,分子中所有附加磁矩的矢量和。,抗磁性,外磁场与磁介质相互作用，使其处于特殊状态能产生新的磁矩，或者说附加的磁场,这过程为磁化。,2024/11/28,无外磁场,顺 磁 质 的 磁 化,有外磁场,顺磁质内磁场,2024/11/28,无外磁场,抗 磁 质 的 磁 化,有外磁场,抗磁质内磁场,2024/11/28,二、磁化强度,(,magnetization),M,是描述磁介质的宏观量。与介质特性、温度与统计规律有关。,单位：安培,/,米,(,A/m,),顺磁质,M,与,B,0,同向,抗磁质,M,与,B,0,反向,磁化的宏观效果：,在介质表面或内部出现宏观电流，产生附加磁场。,2024/11/28,磁化面电流,I,s,在均匀外磁场中，各向同性均匀的磁介质被磁化，沿着柱面流动未被抵消的分子电流。,（也称为束缚面电流）,磁化面电流密度,j,S,在垂直于电流流动方向上单位长度的分子面电流。,若长,l,介质表面,I,S,，,则其线密度为,设介质的截面积,S,，则有：,j,S,与,M,的关系,2024/11/28,磁化强度的环流,普遍情况下可以证明,磁化电流线密度的大小等于磁化强度的切向分量。,电介质有,以充满介质的螺旋管为例，选如图回路，求环流,磁化强度,磁化电流,2024/11/28,三、有介质时的高斯定理和安培环路定理,磁介质中的高斯定理,磁力线无头无尾。穿过任何一闭合曲面的磁通量为零。,S,磁介质中的安培环路定理,传导电流,束缚电流,有磁介质的总场,2024/11/28,定义,磁场强度,磁介质中的安培环路定理,沿任一闭合路径磁场强度的环流等于该闭合路径所包围的传导电流的代数和。,磁场强度,H,的单位：,安培,/,米,(,A/m),2024/11/28,之,间的关系,r,相对磁导率,磁导率,均为纯数或张量，描述磁介质特性的物理。,各向同性,实验证明：,m,磁化率,2024/11/28,的关系,：,的关系,2024/11/28,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,顺磁质,抗磁质,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,2024/11/28,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,l,2024/11/28,例,1,、,长直电缆由半径为,R,和,R,0,的两金属圆柱筒组成，筒间充满均匀顺磁介质，电流从内芯流过再沿外壁流回。求介质中磁场分布及介质表面的束缚电流。,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,2024/11/28,方向沿圆的切线方向,解：,方向与,B,相同,(,顺磁质,),方向垂直向外即与轴平行,向上,2024/11/28,磁介质内表面的总束缚电流：,同理外表面,方向垂直向里即与轴平行,向下,2024/11/28,例2、,细螺绕环中心周长为,10,cm,，,环上均匀密绕线圈,200,匝，电流为,0.1,A.,（,1）,若管内充满,r,=4200,的磁介质，求管内的,B,与,H,。（2）求磁介质内由导线中电流产生的磁感应强度,B,0,和由磁化电流产生的,B,的大小。,传导电流产生,B,:,解：,磁化电流产生B,:,2024/11/28,例3、,均匀面电流沿无限大导体薄片流动,i,，,面上方为真空，下方充满磁导率为,的均匀无限大抗磁质。试求真空和介质中的,H,和,B,，,并计算与导体相邻的介质表面层的磁化面电流密度,i,。,i,传导电流,j,s,i,j,S,磁化电流,H,1,H,2,解：1）,M,n,2024/11/28,（2）,j,s,与,i,反向,2024/11/28,装置：环形螺绕环;铁磁质,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,1),铁磁质的 不一定是个常数，它是 的函数,.,四、铁磁质,原理:励磁电流,I,;,用安培定理得,H,2024/11/28,2),磁滞回线,矫顽力,B,的变化落后于,H,的变化的 现象，叫做磁滞现象，简称磁滞.,O,磁滞回线,当,H=0,，但,而是仍有一定的数值 ，叫做剩余磁感强度（,剩磁,）,2024/11/28,铁磁性材料类别：,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.,2024/11/28,*,磁畴(,magnetic domain,)：,原子间电子交换耦合作用很强，促使其自旋磁矩平行排列形成,磁畴,自发的磁化区域。磁畴的线度约10,-,4,m。,铁磁性主要来源于电子的自旋磁矩。,铁磁质磁化的机制,在无外磁场的作用下磁畴取向平均抵消，能量最低，不显磁性。,无外磁场,有外磁场,2024/11/28,*,磁畴的变化可用金相显微镜观测,在外磁场较弱时，自发磁化方向与外磁场方向相同或相近的那些磁畴逐渐增大（畴壁位移），在外磁场较强时，磁畴自发磁化方向作为一个整体，不同程度地转向外磁场方向。,有外磁场,当全部磁畴都沿外磁场方向时，铁磁质的磁化就达到饱和状态。饱和磁化强度,M,S,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。,2024/11/28,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。,磁滞伸缩(,magnetostriction,),是因磁畴在外磁场中的取向，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；在临界温度（相变温度,Tc,）时，铁磁质完全变成了顺磁质。,居里点,Tc,(,Curie Point,),铁磁体于铁电体类似；在交变场的作用下，它的形状会随之变化，称为,磁致伸缩,（10,-5,数量级）它可用做换能器，在超声及检测技术中大有作为。,如：铁为 1040,K,，,钴为 1390,K,，,镍为 630,K,2024/11/28,