CH12磁介質中的恒定磁場

1、第12章 磁介質中的恒定磁場P.1/15能與磁場發(fā)生相互作用的物質能與磁場發(fā)生相互作用的物質磁介質磁介質(magnetic medium):被極化被極化附加電場附加電場0E外場外場極化電荷極化電荷電介質電介質削弱外場削弱外場磁介質磁介質被磁化被磁化附加磁場附加磁場0B外場外場磁化電流磁化電流？ 設外場磁感應強度為設外場磁感應強度為B0 , 介質介質磁化后附加磁場為磁化后附加磁場為B 磁介質中磁場：磁介質中磁場：BBB0相對磁導率相對磁導率:(relative permeability)0BBr真空螺線管的磁場真空螺線管的磁場:nIB00則則, 介質螺線管的磁場介質螺線管的磁場:nIBBr00r

2、令令r0 磁導率磁導率(permeability)磁介質分類磁介質分類:弱磁性介質弱磁性介質順磁質順磁質(paramagnet): r略略 1, B B0 , B 與與B0 同向同向抗磁質抗磁質(diamagnetic material): r略略 1, B 1, B B0, B 與與B0同向同向超導材料超導材料r = 0 B = 0 完全抗磁性完全抗磁性磁介質分類磁介質分類:弱磁性介質弱磁性介質順磁質順磁質(paramagnet): r略略 1, B B0 , B 與與B0 同向同向抗磁質抗磁質(diamagnetic material): r略略 1, B B0 , B 與與B0 反向反向

3、(1) 分子磁矩分子磁矩(molecular magnetic moment)”, mP-各原子磁矩各原子磁矩+-+1m2m分子磁矩分子磁矩+-mp第12章 磁介質中的恒定磁場P.3/15分子電流分子電流:無外磁場時無外磁場時:0mP0,mP0mP0,mP(2) 分子附加磁矩分子附加磁矩+mmvf+mmvfmmPm第12章 磁介質中的恒定磁場P.4/15分子電流分子電流:無外磁場時無外磁場時:0mP0,mP0mP0,mP順磁質順磁質: BPMm+-+mPmPmP-mPmPmP0mP,mmPP分子固有磁矩取向極化分子固有磁矩取向極化第12章 磁介質中的恒定磁場P.5/15(1) 磁化強度磁化強度

4、(magnetization): 磁化程度強弱的物理量磁化程度強弱的物理量磁化強度磁化強度: 單位體積內分子磁矩單位體積內分子磁矩的矢量和的矢量和.VPPMmm0Vlin單位：安培單位：安培米米-1(Am-1)順磁質順磁質:VPMm0Vlin抗磁質抗磁質:VPMm0Vlin方向與外磁場方向相同方向與外磁場方向相同.方向與外磁場方向相反方向與外磁場方向相反. 分子附加磁矩是抗磁質的磁分子附加磁矩是抗磁質的磁化的唯一原因化的唯一原因.順磁質順磁質: BPMm抗磁質抗磁質: +mmvf+mmvfmPm附加磁矩與外場方向相反附加磁矩與外場方向相反. 在外磁場中，每個運動電子在外磁場中，每個運動電子都要

5、產生與外磁場方向相反的都要產生與外磁場方向相反的附加磁矩附加磁矩 ，分子附加磁矩為，分子附加磁矩為m 故附加磁場方向與故附加磁場方向與外磁場方向相反外磁場方向相反.0mP第12章 磁介質中的恒定磁場P.6/15(2) 磁化電流磁化電流(magnetization current) 介質磁化的宏觀效果是在介介質磁化的宏觀效果是在介質橫截面邊緣出現環(huán)形電流質橫截面邊緣出現環(huán)形電流, 這這種電流稱為種電流稱為“磁化電流磁化電流Is”.M0B磁化電流與傳導電流的區(qū)別：磁化電流與傳導電流的區(qū)別： 磁化電流是分子內電荷運動一磁化電流是分子內電荷運動一段段接合而成段段接合而成, 不同于傳導電流不同于傳導電流

6、的電荷定向運動的電荷定向運動, 又稱束縛電流又稱束縛電流, 其磁效應與傳導電流相當其磁效應與傳導電流相當, 但不但不產生熱效應產生熱效應.磁化面電流密度：磁化面電流密度：LIjss分子磁矩的矢量和分子磁矩的矢量和:SIPPsmmssSjLSLSjVSIMsjM 磁化強度在數值上等于磁化電磁化強度在數值上等于磁化電流面密度流面密度, 兩者關系為右螺旋兩者關系為右螺旋.可以推知：磁化強度的環(huán)流為可以推知：磁化強度的環(huán)流為sLIlMd第12章 磁介質中的恒定磁場P.7/15磁介質中磁場磁介質中磁場:BBB0 由磁化電流產生的微觀機理由磁化電流產生的微觀機理可知可知: 磁化電流與傳導電流在產磁化電流與

7、傳導電流在產生磁場方面等效生磁場方面等效.0dSSBLM0BB如圖取如圖取 L 回路回路)(ds00IIlBL)d(00LlMI00dIlMBL定義磁場強度定義磁場強度:(magnetic field intensity)MBH0單位單位: Am-1磁介質中安培環(huán)路定理磁介質中安培環(huán)路定理:0dIlHL 磁場強度沿任一閉合回路的環(huán)磁場強度沿任一閉合回路的環(huán)流流, 等于閉合回路所包圍的傳導等于閉合回路所包圍的傳導電流的代數和電流的代數和, 而在形式上與磁而在形式上與磁介質中的磁化電流無關介質中的磁化電流無關.第12章 磁介質中的恒定磁場P.8/15分析分析: (1)0dIlHL只與穿過只與穿過L

8、的傳導電流代數和有關的傳導電流代數和有關. (2) 對各向同性磁介質：對各向同性磁介質：HMm磁化率磁化率由由MBH0)(0MHBHm)1 ( 0 0HrH mr1介質相對磁導率介質相對磁導率r0 介質磁導率介質磁導率0dIlHLHB在真空中在真空中:10rMHB0 在對稱性分析基礎上選取適當在對稱性分析基礎上選取適當環(huán)路環(huán)路L; (1) 由由 求磁場強度求磁場強度H 分布分布; (3) 由由 求磁感應強度求磁感應強度B分分 布布;(4) 由由 M = mH、求磁化電流求磁化電流0dIlHLHBsjM 第12章 磁介質中的恒定磁場P.9/15為了測試某種材料的相為了測試某種材料的相對磁導率對磁

9、導率, 常將材料做成橫截面常將材料做成橫截面為圓形的螺繞環(huán)芯子為圓形的螺繞環(huán)芯子, 設環(huán)上繞設環(huán)上繞有線圈有線圈200匝匝, 平均圍長平均圍長0.1m, 橫橫截面積為截面積為5 10-5m2, 當線圈內通當線圈內通有電流有電流0.1A時用磁通計測得穿過時用磁通計測得穿過橫截面積的磁通量為橫截面積的磁通量為6 10-5 Wb, 試計算該材料的相對磁導率試計算該材料的相對磁導率.IlHLdNILHLNIHBr0r0截面磁場近似均勻截面磁場近似均勻BSm30mr104.78NISL解解: 選如圖所示的安培環(huán)路選如圖所示的安培環(huán)路rNOL第12章 磁介質中的恒定磁場P.10/15高高 : B 隨隨H

10、迅速增長迅速增長, 平均斜率平均斜率比非鐵磁質大得多比非鐵磁質大得多.非線性非線性: B 和和H 呈非線性關系呈非線性關系, 單單值關系值關系, 非恒量非恒量.磁滯磁滯(hysteresis): B 的變化落后于的變化落后于H 的變化的變化.存在居里點存在居里點: 臨界溫度時臨界溫度時, 失去失去鐵磁性成為順磁質鐵磁性成為順磁質. 鐵鐵: T=1040K 鎳鎳: T=631K實驗實驗: 鐵磁質芯的螺線管鐵磁質芯的螺線管, 通以電通以電流流 I .nIH 改變改變 I , 測量測量 H 值和值和 B 值值, 畫出畫出 B H 曲線曲線.HBO第12章 磁介質中的恒定磁場P.11/15由由HB,

11、畫出畫出 H 曲線曲線OHmax磁導率曲線：磁導率曲線：畫出畫出 B H 曲線分析曲線分析Oa : 起始磁化曲線起始磁化曲線Hs : 飽和磁場強度飽和磁場強度Br : 剩余磁感應強度剩余磁感應強度Hc : 矯頑力矯頑力(coercive force)磁滯效應磁滯效應:磁滯損耗磁滯損耗: 磁感應強度磁感應強度B 變化跟不上磁場變化跟不上磁場強度強度H 的變化的變化. 材料熱效應大小與磁滯回線面材料熱效應大小與磁滯回線面積成正比積成正比.-HsHsOaBr-HcdHcHB-BrBs第12章 磁介質中的恒定磁場P.12/15BHOBHO軟磁材料軟磁材料 磁滯損耗小磁滯損耗小, 容容易磁化易磁化, 容

12、易退容易退磁磁, 適用于交變適用于交變磁場磁場. 如制造電如制造電機機, 變壓器等的變壓器等的鐵芯鐵芯.硬磁材料硬磁材料 磁滯損耗較大磁滯損耗較大, 不易磁化不易磁化, 不易不易退磁退磁, 適合于制適合于制造永磁體造永磁體.BHO矩磁材料矩磁材料 適合于制作記適合于制作記錄磁帶及計算機錄磁帶及計算機的記憶元件的記憶元件.第12章 磁介質中的恒定磁場P.13/15磁疇體積：磁疇體積： 10-12 10-8m3 鐵磁質相鄰原子間存在很鐵磁質相鄰原子間存在很強的交換耦合作用強的交換耦合作用, 使得無使得無外場時電子自旋磁矩在微小外場時電子自旋磁矩在微小區(qū)域內自發(fā)地平行排列區(qū)域內自發(fā)地平行排列, 形形成一個個小的自發(fā)磁化區(qū)成一個個小的自發(fā)磁化區(qū),稱為稱為“磁疇磁疇”.第12章 磁介質中的恒定磁場P.14/15鐵磁質在外磁場中的磁化鐵磁質在外磁場中的磁化過程主要為疇壁的移動和過程主要為疇壁的移動和磁疇內磁矩的轉向磁疇內磁矩的轉向. 自發(fā)磁化方向逐漸轉自發(fā)磁化方向逐漸轉向外磁場方向向外磁場方向(磁疇轉磁疇轉向向), 直到所有磁疇都沿直到所有磁疇都沿外磁場方向整齊排列外磁場方向整齊排列時時, 鐵磁質就達到磁飽鐵磁質就達到磁飽和狀態(tài)和狀態(tài). 第12章 磁介質中的恒定磁場P.15/1