大學(xué)物理多媒體07磁介質(zhì)課堂PPT

1、1磁疇圖象磁疇圖象第九章第九章有磁介質(zhì)時的磁場有磁介質(zhì)時的磁場2 9.1磁介質(zhì)對磁場的影響磁介質(zhì)對磁場的影響9.3 磁介質(zhì)的磁化磁介質(zhì)的磁化 9.4 有磁介質(zhì)時磁場的規(guī)律有磁介質(zhì)時磁場的規(guī)律9.5 鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì) 9.6 簡單磁路簡單磁路 9.2 原子、分子的磁矩原子、分子的磁矩 本章目錄本章目錄3 9.1 磁介質(zhì)對磁場的影響磁介質(zhì)對磁場的影響 磁介質(zhì)磁介質(zhì)（magnetic medium）是能夠影響是能夠影響磁場分布的物質(zhì)。磁場分布的物質(zhì)。傳導(dǎo)電流傳導(dǎo)電流 ， 00bi 介質(zhì)磁化介質(zhì)磁化， b bbb 0 均勻各向同性介質(zhì)均勻各向同性介質(zhì)有：有：0bbr r 相對磁導(dǎo)率相對磁導(dǎo)率 （relat

2、ive permeability）0bbi0i0均勻各向同性磁介質(zhì)均勻各向同性磁介質(zhì)長直密繞螺線管長直密繞螺線管總磁感強度總磁感強度充滿充滿磁場所在空間時，磁場所在空間時，4 弱磁質(zhì)，弱磁質(zhì)，1 r 順磁質(zhì)順磁質(zhì)（paramagnetic substance）1 r 如：如：mn ，al，o2，n2 抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)（diamagnetic substance）1 r 如：如：cu，ag，cl2，h2 鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)（ferromagnetic substance）1 r 如：如：fe，co，ni 磁介質(zhì)的分類：磁介質(zhì)的分類：某些磁介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率見書某些磁介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率見書 p 287 表表9.

3、15 9.2 原子、分子的磁矩原子、分子的磁矩 一一 . 電子的磁矩電子的磁矩ism電子的軌道運動電流電子的軌道運動電流rei2v 222rerremvv 軌道磁矩軌道磁矩電子軌道運動的角動量電子軌道運動的角動量rmlev 電子軌道磁矩與軌道角動量的關(guān)系：電子軌道磁矩與軌道角動量的關(guān)系：lmeme2 smeme 電子自旋磁矩和自旋角動量電子自旋磁矩和自旋角動量 s 的關(guān)系：的關(guān)系：6質(zhì)子軌道磁矩質(zhì)子軌道磁矩，lmemp2 中子無軌道磁矩。中子無軌道磁矩。質(zhì)子和中子都有自旋磁矩：質(zhì)子和中子都有自旋磁矩：smegmp2 g 稱為稱為 g 因子，因子， 質(zhì)子質(zhì)子g = 5.5857，中子中子g =

4、3.8261。整個原子核的自旋磁矩整個原子核的自旋磁矩imegmp2 i為核的自旋角動量，為核的自旋角動量， 因子因子g由原子核決定。由原子核決定。由上可知，核磁矩遠小于電子磁矩。由上可知，核磁矩遠小于電子磁矩。二二 . 質(zhì)子和中子的磁矩質(zhì)子和中子的磁矩三三 . 原子核的磁矩原子核的磁矩7四四 . 分子磁矩和分子電流分子磁矩和分子電流電子軌道磁矩電子軌道磁矩電子自旋磁矩電子自旋磁矩原子核的磁矩原子核的磁矩( molecular magnetic moment )(molecularcurrent)i分分s分分m分分分子電流分子電流 i分分分子磁矩分子磁矩 m分分等效等效8在磁場作用下，在磁場作

5、用下，9.3 磁介質(zhì)的磁化磁介質(zhì)的磁化 磁化磁化 （magnetization）：）：介質(zhì)出現(xiàn)磁性或磁性發(fā)生變化的現(xiàn)象。介質(zhì)出現(xiàn)磁性或磁性發(fā)生變化的現(xiàn)象。 一一. 順磁質(zhì)的磁化順磁質(zhì)的磁化 順磁質(zhì)分子有順磁質(zhì)分子有固有的分子磁矩固有的分子磁矩（主要是電子（主要是電子 m分分 10-23am2。00 b熱運動使熱運動使 完全完全分分m00 b顯現(xiàn)磁性。顯現(xiàn)磁性。方向方向,0b排列趨于排列趨于使使分分0mb混亂，不顯磁性?；靵y，不顯磁性。軌道和自旋磁矩的貢獻），軌道和自旋磁矩的貢獻），9二二 . 抗磁質(zhì)的磁化抗磁質(zhì)的磁化抗磁質(zhì)的分子固有磁矩為抗磁質(zhì)的分子固有磁矩為 0。00 b不顯磁性不顯磁性 ，

6、分分 0 m 0b分分m附加磁矩附加磁矩 0b顯示抗磁性顯示抗磁性為什么為什么 反平行于反平行于 呢？呢？分分m0b10 以電子的軌道運動為例，以電子的軌道運動為例，第第 i 個電子受的磁力矩個電子受的磁力矩0bmmii 電子軌道角動量增量電子軌道角動量增量iiiltml dd 電子旋進，它引起的感應(yīng)電子旋進，它引起的感應(yīng) 這種效應(yīng)在順磁質(zhì)中也有，這種效應(yīng)在順磁質(zhì)中也有，不過與分子固有磁矩的轉(zhuǎn)向效應(yīng)相比弱得多。不過與分子固有磁矩的轉(zhuǎn)向效應(yīng)相比弱得多。i-e0bimilimim im。 0b磁矩磁矩反平行于反平行于111.磁化強度：磁化強度：vmmvlim0 分分對對順磁質(zhì)順磁質(zhì)和和抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)

7、，實驗表明：實驗表明：bm 2.磁化電流：磁化電流： 由于介質(zhì)磁化而出現(xiàn)的一些等效由于介質(zhì)磁化而出現(xiàn)的一些等效三三 . 磁化強度與磁化電流磁化強度與磁化電流 （magnetization and magnetization current）的附加電流分布。的附加電流分布。對對鐵磁質(zhì)，鐵磁質(zhì)，實驗表明：實驗表明：m和和b呈非線性關(guān)系，呈非線性關(guān)系，而且是非單值對應(yīng)關(guān)系而且是非單值對應(yīng)關(guān)系12 介質(zhì)內(nèi)：介質(zhì)內(nèi)：穿過穿過l所圍曲面所圍曲面 s 的磁化電流的磁化電流)dcos( dlsini 分分分分 cosd lmlmd llmid 則套住則套住 dl 的分子電流：的分子電流：l放大放大ld i分分

8、 s磁介質(zhì)磁介質(zhì)設(shè)分子濃度為設(shè)分子濃度為 n， lds分分m13 介質(zhì)表面：介質(zhì)表面：tmld選選lmisdd 磁化面電流密度磁化面電流密度tssmlij ddnsemj nmtmldsi dlmtd 149.4 有磁介質(zhì)時磁場的規(guī)律有磁介質(zhì)時磁場的規(guī)律 考慮到磁化電流，（考慮到磁化電流，（1）式則需要修改。）式則需要修改。設(shè)：設(shè)：i0 傳導(dǎo)電流，傳導(dǎo)電流，i 磁化電流。磁化電流。)(d00內(nèi)內(nèi)內(nèi)內(nèi)iilbl lmild000 內(nèi)內(nèi)磁磁介介質(zhì)質(zhì)li0i 一一. h 的環(huán)路定理的環(huán)路定理）（）（內(nèi)內(nèi)2 0d1 d0 sbilbsl 真空中的規(guī)律真空中的規(guī)律15內(nèi)內(nèi)00d)(ilmbl mbh 0

9、 令令 磁場強度磁場強度（magnetic field intensity）得：得： lilh內(nèi)內(nèi)0d 的環(huán)路定理的環(huán)路定理h h 的單位：的單位： 真空：真空：00 bhm ，。 a/m410oe13 奧斯特奧斯特 oe（cgsm），），（oersted）a/m （ si ）；）；16 各向同性磁介質(zhì)：各向同性磁介質(zhì)：hm 磁化率磁化率 （magnetic susceptibility）1 rm hbmbhm 00hhbrm 00)1( hb hhmmr ）（1m r 0 磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率（permeability）令令則有則有真空：真空： = 017二二. 環(huán)路定理的應(yīng)用舉例環(huán)路定理的應(yīng)用舉例

10、例例1介質(zhì)中閉合回路介質(zhì)中閉合回路l所套聯(lián)的分子電流為：所套聯(lián)的分子電流為：證：證： llmlhlmidd 0dilhmlm 000 ii ，則，則若若l可任取，且可無限縮小，可任取，且可無限縮小，故故 i0 = 0 處，處，i = 0 。lmld磁磁介介質(zhì)質(zhì)無傳導(dǎo)電流處，也無磁化電流。無傳導(dǎo)電流處，也無磁化電流。證明在各向同性均勻磁介質(zhì)內(nèi)，證明在各向同性均勻磁介質(zhì)內(nèi)，18電流密度為電流密度為 j（沿（沿z），），導(dǎo)體相對磁導(dǎo)率為導(dǎo)體相對磁導(dǎo)率為 r ，求：求：sjb 和和解：解：)(ybb 且且xybby)(0 ：xybby)(0 ：有有分析分析的對稱性，的對稱性，bx j rhh y zx

11、j yz didixb /d 例例2 如圖示，如圖示，已知已知均勻載流無限大厚平板均勻載流無限大厚平板19板外：板外：對圖示矩形回路對圖示矩形回路 l，x j r y y -yl lh0 -h)2(dhljlhl ljhlh 22外外jhh 外外xyyjhh 外外xyyjhhb00 外外外外x j r y y -yl l 0 板內(nèi)：板內(nèi)：有有對圖示矩形回路對圖示矩形回路 l ，有有xjyhbrr00 內(nèi)內(nèi)內(nèi)內(nèi))2(dyljlhl 內(nèi)內(nèi)ljylh 22內(nèi)內(nèi)20 x j rhh y z sj nsm求磁化面電流密度求磁化面電流密度上表面：上表面：下表面：下表面：nssemj )(1(xjhmrs

12、zjhjrs)1( jhr )1( smshm內(nèi)內(nèi) ， yen srh內(nèi)內(nèi))1( ， yen )(1(xjhmrs jhjrs )1( （同上表面）（同上表面）思考思考 沿沿x向單位長度的磁化面電流為何不為向單位長度的磁化面電流為何不為0？21 三三 . 磁場的界面關(guān)系磁場的界面關(guān)系 靜磁屏蔽靜磁屏蔽0d sbs由由可得可得 b1n = b2n (1)設(shè)界面無傳導(dǎo)電流，設(shè)界面無傳導(dǎo)電流，0d lhl由由可得可得 h1t = h2t (2)2211 ttbb 即：即： (2)12n1b2b 1 212t1h2h 1 2）（00 sj22在在 1很大的介質(zhì)很大的介質(zhì)1中，中， 線幾乎平行界面，線幾

13、乎平行界面，b這就是鐵磁質(zhì)中這就是鐵磁質(zhì)中 線沿鐵芯延續(xù)線沿鐵芯延續(xù)的情形。的情形。b2211tg1tg1)1( )2( ：， 02 21 若若，21 則則，21 當當時，時，。 21 ，1tgtg2211 n線線1b線線2b 1 2 1 2n線線1b線線2b 1 2 2 1 90 223b內(nèi)內(nèi)r2r10b鐵管（鐵管（ 板面）板面） 靜磁屏蔽靜磁屏蔽計算表明：計算表明：)(4212222rrrkr ，trr 2 屏蔽系數(shù)屏蔽系數(shù)精密探頭、顯象管精密探頭、顯象管都需要磁屏蔽。都需要磁屏蔽。00212222)(4kbbrrrbr 內(nèi)內(nèi)212)(rrrt 若若 r = 4000r2 = 10cm t

14、 = 1cm時，時， k = 0.5% t = 0.1cm時，時，k = 5% 則則 24各電子的自旋磁矩靠交換偶合作用使方向一致，各電子的自旋磁矩靠交換偶合作用使方向一致，9.5 鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)（ferromagnetic substance）一一. 磁疇磁疇（magnetic domain）從而形成從而形成自發(fā)的均勻磁化小區(qū)域自發(fā)的均勻磁化小區(qū)域 磁疇。磁疇。鐵磁質(zhì)中起主要作用的是電子的自旋磁矩。鐵磁質(zhì)中起主要作用的是電子的自旋磁矩。未加磁場未加磁場在磁場在磁場 b 中中25各種材料磁疇線度相差較大：各種材料磁疇線度相差較大：磁疇體積約為磁疇體積約為10-6(mm)3，一個磁疇中約有一個磁疇

15、中約有10121015個原子。個原子。易磁化方向易磁化方向由晶體結(jié)構(gòu)決定。由晶體結(jié)構(gòu)決定。磁疇磁矩沿某個磁疇磁矩沿某個易磁化方向易磁化方向(direction of easy所有的磁疇為什么不形成一個磁化整體呢？所有的磁疇為什么不形成一個磁化整體呢？nsns靜磁能高靜磁能高交換能低交換能低nssn靜磁能低靜磁能低交換能高交換能高 矛盾因素協(xié)調(diào)平矛盾因素協(xié)調(diào)平衡，才使鐵磁體衡，才使鐵磁體整體能量最低。整體能量最低。magnetization)排列。排列。從從10-3m到到10-6m，一般為一般為10-410-5m，26二二 . 鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì) 關(guān)系非線性，關(guān)系非線性

16、，hb也不單值，也不單值，.const 形式上形式上表示為表示為，hb 也不唯一。也不唯一。1. 起始磁化曲線起始磁化曲線00nihi 測測sb 測測 lnilhlh， 0d(由此可得到由此可得到b h曲線：曲線：)00niilnh 試件試件磁磁通通計計nsi0i027 i 起始磁導(dǎo)率起始磁導(dǎo)率 m 最大磁導(dǎo)率最大磁導(dǎo)率 巴克豪森效應(yīng)巴克豪森效應(yīng)（barkhausen effect）bn跳躍跳躍躍變躍變mm tg放大放大ii tgb hbsbi h0 h0sc bm a金相結(jié)構(gòu)分析，金相結(jié)構(gòu)分析， 測晶粒度、測晶粒度、且是無損探測、且是無損探測、 快捷簡便?？旖莺啽?。雜質(zhì)分布、雜質(zhì)分布、 應(yīng)力

17、分布，應(yīng)力分布，bs 飽和磁感強度飽和磁感強度（saturation magnetic induction）可用作可用作28bn跳躍跳躍躍變躍變mm tg放大放大ii tgb hbsbi h0 h0sc bm ah h h hbhshah = 00（可逆）（可逆）（不可逆）（不可逆）（不可逆）（不可逆） （飽和）（飽和）演示演示巴克豪森效應(yīng)巴克豪森效應(yīng)（kd046）29磁滯回線磁滯回線hhc-hcsbsbrb-bs-br02.磁滯回線磁滯回線（hysteresis loop）b落后于落后于h的變化，稱為的變化，稱為磁滯現(xiàn)象。磁滯現(xiàn)象。br 剩余磁感強度剩余磁感強度 （remanent magn

18、etic induction） hc 矯頑力矯頑力（coercive force）磁滯是由于晶體缺陷和內(nèi)應(yīng)力、磁滯是由于晶體缺陷和內(nèi)應(yīng)力、“磁滯損耗磁滯損耗” （hysteresis loss） 正比于正比于bh 回線所圍的面積?；鼐€所圍的面積。以及磁疇在外磁場減退時，以及磁疇在外磁場減退時，沿易磁化方向排列而造成的。沿易磁化方向排列而造成的。就近就近30三三 . 硬磁和軟磁材料硬磁和軟磁材料1. 硬磁材料硬磁材料 （hard magnetic material）特點：特點：磁滯損耗大，磁滯損耗大，適合制作永久磁鐵、適合制作永久磁鐵、碳鋼、鎢鋼碳鋼、鎢鋼hhcbbbr 也大，也大，磁芯（記憶元

19、件）等。磁芯（記憶元件）等。hc大大 （102a/m），），一般一般hc 為為104- -106a/m，一般為一般為103- -104 g。磁滯回線磁滯回線“胖胖”，31 “矩磁材料矩磁材料”bbrhch-hc-brbr-br“0” “1”可作記憶元件可作記憶元件32 2. 軟磁材料軟磁材料（soft magnetic material ）hc小（?。?02a/m），）， 磁滯回線磁滯回線“瘦瘦”，磁滯損耗小，磁滯損耗小，適于制作交流適于制作交流電磁鐵、變壓電磁鐵、變壓器鐵芯等。器鐵芯等。 演示演示 磁滯回線磁滯回線（kd044）純鐵、硅鋼純鐵、硅鋼 hbhcbr大大m 坡莫合金坡莫合金(fe78%、ni 22%)用于電子設(shè)備用于電子設(shè)備hbbrhc大大i 特點：特點：一般約一般約hc 為為1a/m 。33四四.居里點居里點（curie point） 磁疇磁疇mt（自發(fā)磁化減弱）（自發(fā)磁化減弱）0 磁磁疇疇mttc（磁疇瓦解，表現(xiàn)順磁性）（磁疇瓦解，表