大學(xué)物理：12.磁介質(zhì)

1、磁場中的磁介質(zhì),第十二章,12-1 磁介質(zhì) 磁化強度,磁介質(zhì)能與磁場產(chǎn)生相互作用的物質(zhì),磁化磁介質(zhì)在磁場作用下所發(fā)生的變化,一、 物質(zhì)磁性的概述,無磁介質(zhì)時,加入磁介質(zhì)后,附加磁場,根據(jù) 的大小和方向可將磁介質(zhì)分為四大類,1,此種磁介質(zhì)稱 為順磁質(zhì),2,此種磁介質(zhì)稱 為抗磁質(zhì),弱磁質(zhì),3,此種磁介質(zhì)稱為鐵磁質(zhì),強磁質(zhì),4) 超導(dǎo)體 B = 0,二、分子電流與分子磁矩,電子繞核的軌道運動,電子本身自旋,等效于圓電流 分子電流,分子磁矩在外磁場中受到 磁力矩作用，使它向磁場 方向偏轉(zhuǎn),物質(zhì)的抗磁性,分子磁矩受到的力矩,角動量定理,繞磁場進動產(chǎn)生一附加磁矩 與原磁場 方向相反,1、順磁質(zhì),分子的固有

2、磁矩不為零,無外磁場作用時，由于分子的熱運動，分子磁矩取向各不相同,整個介質(zhì)不顯磁性,三、磁介質(zhì)的順磁性與抗磁性,有外磁場時，分子磁矩要受到一個力矩的作用，使分子磁矩轉(zhuǎn)向外磁場的方向,分子磁矩產(chǎn)生的磁場方向和外磁場方向一致，順磁質(zhì)磁化結(jié)果，使介質(zhì)內(nèi)部磁場增強,順磁質(zhì),2、抗磁質(zhì),分子的固有磁矩為零,在外磁場作用下產(chǎn)生附加磁矩,電子的附加磁矩總是削弱外磁場的作用,抗磁性是一切磁介質(zhì)共同具有的特性,任一體積元中,3、介質(zhì)磁化的過程如下,在外場中,在外場中,四、磁化強度與磁化電流,1、定義,磁化強度 ：在被磁化的磁介質(zhì)中，單位體積內(nèi) 分子磁矩的矢量和,討論,在磁介質(zhì)被磁化后,也可以不同，非均勻磁化,

3、1） 可以相同，均勻磁化,2,磁化電流,分子電流的宏觀表現(xiàn),Is磁化面電流，安培表面電流,s沿軸線單位長度上的磁化電流（磁化面電流密度,2、磁化強度與磁化電流的關(guān)系,取如圖所示的積分環(huán)路abcda,磁化強度對閉合回路L的線積分，等于穿過以L為周界的任意曲面的磁化電流的代數(shù)和,磁化強度M在量值上等于磁化面電流密度,一、磁介質(zhì)中的高斯定理,通過磁場中任一閉合曲面的總磁通量為零,磁介質(zhì)中的高斯定理,12-2介質(zhì)中的磁場 磁場強度,真空中,二、磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理,定義磁場強度,在穩(wěn)恒磁場中，磁場強度矢量沿任一閉合路徑的線積分（即環(huán)流）等于包圍在環(huán)路內(nèi)各傳導(dǎo)電流的代數(shù)和，而與磁化電流無關(guān),單位：安培

4、/米(A/m,幾點說明,2） 的單位是A/m（SI制,三、 各向同性的磁介質(zhì),介質(zhì)的磁導(dǎo)率,電介質(zhì)中的 高斯定理,磁介質(zhì)中的 安培環(huán)路定理,例1 一環(huán)形螺線管，管內(nèi)充滿磁導(dǎo)率為，相對磁導(dǎo)率為r的順磁質(zhì)。環(huán)的橫截面半徑遠小于環(huán)的半徑。單位長度上的導(dǎo)線匝數(shù)為n。 求：環(huán)內(nèi)的磁場強度和磁感應(yīng)強度,解,例2 一無限長載流圓柱體，通有電流I ，設(shè)電流 I 均勻分布在整個橫截面上。柱體的磁導(dǎo)率為，柱外為真空。 求：柱內(nèi)外各區(qū)域的磁場強度和磁感應(yīng)強度,解,在分界面上H 連續(xù), B 不連續(xù),練習(xí) 一磁導(dǎo)率為1的無限長圓柱形直導(dǎo)線，半徑為 R1，其中均勻地通有電流 I 。在導(dǎo)線外包一層磁導(dǎo)率為 2 的圓柱形不導(dǎo)

5、電的磁介質(zhì)，其外半徑為 R2，如圖所示。求磁場強度和磁感應(yīng)強度的分布,解：由安培環(huán)路定律,練習(xí) 一電纜由半徑為R1的長直導(dǎo)線和套在外面的內(nèi)、外半徑分別為R2和R3的同軸導(dǎo)體圓筒組成，其間充滿相對磁導(dǎo)率為r的各向同性非鐵磁質(zhì)。電流I由中心導(dǎo)體流入，由外面圓筒流回。求磁場分布,解：由介質(zhì)中的安培環(huán)路定理,無限長直電流的磁場,圓電流中心的磁場,長螺線管電流中部的磁場,環(huán)形長螺線管中部的磁場,無限大均勻磁介質(zhì)中磁場的畢-薩定律,靜電場與靜磁場的比較,靜電場,靜磁場,穩(wěn)恒磁場,對應(yīng)量,高斯定理,環(huán)路定理,性質(zhì)方程,1、鐵磁質(zhì)的特性,12-3 鐵磁質(zhì),一、鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律,2、磁化曲線,磁強計測量B,如用

6、感應(yīng)電動勢測量 或用小線圈在縫口處測量,由 得出 曲線,鐵磁質(zhì)的 不一定是個常數(shù)， 它是 的函數(shù),原理: 勵磁電流 I; 用安培定理得H,B和H也不是線性關(guān)系,3、磁滯回線,B的變化落后于H，從而具有剩磁，即磁滯效應(yīng),磁滯回線-不可逆過程,在交變電流的勵磁下反復(fù)磁化使其溫度升高的 磁滯損耗與磁滯回線所包圍的面積成正比,磁化過程不可逆,存在損耗,M、B、H不是線性關(guān)系，且非單值,每個H對應(yīng)不同的B，與磁化的歷史有關(guān),去磁,在沒有達到飽和值之前，減小外磁場，反復(fù)進行,二、鐵磁質(zhì)內(nèi)的磁疇結(jié)構(gòu),根據(jù)現(xiàn)代理論，鐵磁質(zhì)相鄰原子的電子之間存在很強的“交換耦合作用”，使得在無外磁場作用時，電子自旋磁矩能在小區(qū)

7、域內(nèi)自發(fā)地平行排列，形成自發(fā)磁化達到飽和狀態(tài)的微小區(qū)域。 這些區(qū)域稱為“磁疇”。 相互間有一很薄的過渡 層稱為疇壁,多晶磁疇結(jié)構(gòu) 示意圖,1、自發(fā)磁化和磁疇,2、鐵磁質(zhì)的磁化機理,1）無外磁場時，各磁疇的磁化方向不同，對外不顯磁性,2）在外磁場作用下，磁疇發(fā)生變化,A 外磁場較弱時，凡磁矩方向與外磁場相同或相近的磁疇都要擴大（疇壁向外移動,B 隨著外磁場的不斷增強，取向與外磁場成較大角度的磁疇全部消失，留存的磁疇將向外磁場的方向轉(zhuǎn)向，再增大外磁場，所有磁疇沿外場方向整齊排列，這時磁化達到飽和,3） 疇壁的外移及磁疇磁矩的取向是不可逆的， 當(dāng)外磁場減弱或消失時磁疇不按原來變化規(guī)律逆著退回原狀。這

8、解釋了磁滯的原因,4）既然磁疇起因于電子自旋磁矩的自發(fā)有序排列，而熱運動是有序排列的破壞者，因而當(dāng)溫度高于某一臨界時，磁疇就不復(fù)存在，鐵磁質(zhì)就變?yōu)槠胀槾刨|(zhì)。這一臨界溫度叫居里點,把一塊有剩磁的鐵磁質(zhì)加熱至居里點以上再冷卻，其剩磁會完全消失,例如，鐵的居里點是1043K,順磁性 來自分子的固有磁矩,抗磁性 起因于電子的軌道運動在外磁場作用的變化,鐵磁性 起因于電子自旋磁矩的自發(fā)有序排列,三種磁介質(zhì)起因的比較,顯示磁疇結(jié)構(gòu)的鐵粉圖形,純鐵,硅鐵,鈷,三種鐵磁性物質(zhì)的磁疇,Si-Fe單晶 (001)面的 磁疇結(jié)構(gòu),箭頭表示 磁化方向,三 、 鐵磁質(zhì)的應(yīng)用,1、軟磁材料,特點：矯頑力 小，（,磁滯特

9、性不明顯，磁滯損耗低,磁滯回線成細長條,大，易磁化，也易退磁,用途：適用于交變磁場中,電子設(shè)備中的各種電感元件、變壓器、鎮(zhèn)流器，電動機和發(fā)電機中的鐵芯等。繼電器、電磁鐵的鐵芯也用軟磁材料,純鐵，硅鋼坡莫合金(Fe，Ni)，鐵氧體等,2、硬磁材料作永久磁鐵,鎢鋼，碳鋼，鋁鎳鈷合金,3、矩磁材料作存儲元件,Br=BS ，Hc不大，磁滯回線是矩形。 用于記憶元件，當(dāng)+脈沖產(chǎn)生HHC使磁芯呈+B態(tài)，則脈沖產(chǎn)生H HC使磁芯呈 B態(tài)，可做為二進制的兩個態(tài),矯頑力(Hc)大（102A/m)，剩磁Br大 磁滯回線的面積大，損耗大,用于磁電式電表中的永磁鐵。 耳機中的永久磁鐵，永磁揚聲器,錳鎂鐵氧體，鋰錳鐵氧

10、體,例1、 圖示為三種不同的磁介質(zhì)的BH關(guān)系曲線，其中虛線表示的是B=oH的關(guān)系。a、b、c各代表哪一類磁介質(zhì)的BH關(guān)系曲線,a代表 的BH關(guān)系曲線,鐵磁質(zhì),b代表 的BH關(guān)系曲線,c代表 的BH關(guān)系曲線,順磁質(zhì),抗磁質(zhì),抗磁質(zhì)和順磁質(zhì)的B和H間是線性關(guān)系,相對磁導(dǎo)率r 與1相差不大。在一般性(精度要求不高)的問題中，可以把抗磁質(zhì)和順磁質(zhì)的相對磁導(dǎo)率r 看作是1,對鐵磁質(zhì)， B和H間是非線性的, 相對磁導(dǎo)率r1,例2、一矩磁材料具有矩形磁滯回線，如圖（1）所示，外加磁場一超過矯頑力，磁化方向就立即翻轉(zhuǎn)。矩磁材料可以用于制作電子計算機中存儲元件的環(huán)形磁芯。圖（2）為這樣的磁芯，其外直徑為0.8mm，內(nèi)直徑為0.5mm，高為0.3mm，若磁芯原來已被磁化