第14章磁場中的磁介質(zhì)

1、1第第14章磁場中的磁介質(zhì)章磁場中的磁介質(zhì)Magnetic Material in Magnetic Field主要內(nèi)容主要內(nèi)容 磁介質(zhì)對磁場的影響磁介質(zhì)對磁場的影響 原子的磁矩原子的磁矩 磁磁介質(zhì)的磁化介質(zhì)的磁化 的環(huán)路定理的環(huán)路定理 鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì) 簡單磁路簡單磁路H2 14.1 磁介質(zhì)對磁場的影響磁介質(zhì)對磁場的影響 The Function of Magnetic Medium for Magnetic Field磁介質(zhì)磁介質(zhì)是指放在磁場中受磁場影響或反過來影響是指放在磁場中受磁場影響或反過來影響原來磁場的物質(zhì)。原來磁場的物質(zhì)。 2.相對磁導(dǎo)率相對磁導(dǎo)率 設(shè)真空中原來磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為設(shè)真

2、空中原來磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 ，放入磁介質(zhì)后，磁介質(zhì)因磁化而使磁介質(zhì)放入磁介質(zhì)后，磁介質(zhì)因磁化而使磁介質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度變?yōu)榈拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度變?yōu)锽, 0B33.磁介質(zhì)的分類磁介質(zhì)的分類(1)抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)則相對磁導(dǎo)率則相對磁導(dǎo)率 0/rB B1r例如鉍例如鉍(293K)51 16.6 101r 4(2)順磁質(zhì)順磁質(zhì)51 26 101r 1r例如鉑例如鉑(293K) 順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)對磁場的影響都極為微弱順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)對磁場的影響都極為微弱 (3)鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)1 r 且與且與B0有關(guān)有關(guān)例如鐵例如鐵 最大值最大值 約為約為r35 105 14.214.2 原子的磁矩原子的磁矩Atomic Magnetic M

3、oment原子中運(yùn)動的電子的軌道磁矩原子中運(yùn)動的電子的軌道磁矩(1)圓電流的磁矩圓電流的磁矩nmISene 為圓面積的正法線單位矢量為圓面積的正法線單位矢量,它與電流它與電流流向成右手螺旋法則流向成右手螺旋法則.6(2)原子中運(yùn)動的電子的軌道磁矩原子中運(yùn)動的電子的軌道磁矩電子的沿圓形軌道運(yùn)動電流電子的沿圓形軌道運(yùn)動電流2Ierv電子的軌道磁矩電子的軌道磁矩2e rmISv電子的沿圓形軌道角動量電子的沿圓形軌道角動量eLmrv則電子的軌道磁矩則電子的軌道磁矩2eemLm72.原子中運(yùn)動的電子的內(nèi)稟自旋磁矩原子中運(yùn)動的電子的內(nèi)稟自旋磁矩249.27 10/2BeeeemsJ Tmm上式中的上式中的

4、s為內(nèi)稟自旋角動量為內(nèi)稟自旋角動量/ 2s 玻爾磁子玻爾磁子3.原子中原子核磁矩原子中原子核磁矩 原子核也有磁矩原子核也有磁矩,但小于電子磁矩的千分但小于電子磁矩的千分之一之一.84.分子磁矩分子磁矩 電子軌道磁矩，電子自旋磁矩，原子核電子軌道磁矩，電子自旋磁矩，原子核的磁矩的總和，叫的磁矩的總和，叫分子磁矩。分子磁矩。 某些分子在正常情況下某些分子在正常情況下,其磁矩的矢量和其磁矩的矢量和一定，稱為分子的一定，稱為分子的固有磁矩固有磁矩。5.順磁質(zhì)順磁質(zhì)特點(diǎn)：分子的固有磁矩不為零特點(diǎn)：分子的固有磁矩不為零在外磁場中，受磁力矩的作用，使分子磁在外磁場中，受磁力矩的作用，使分子磁矩與外磁場方向一

5、致。矩與外磁場方向一致。附加磁場使附加磁場使 B B096.抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)特點(diǎn)：特點(diǎn)：分子的固有磁矩為零分子的固有磁矩為零機(jī)理：分子中各電荷的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，在外機(jī)理：分子中各電荷的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，在外磁場作用下產(chǎn)生磁場作用下產(chǎn)生“進(jìn)動進(jìn)動”，導(dǎo)致逆，導(dǎo)致逆著外磁場方向產(chǎn)生感生磁矩。著外磁場方向產(chǎn)生感生磁矩。10*電子軌道運(yùn)動在磁場中的進(jìn)動和附加磁矩電子軌道運(yùn)動在磁場中的進(jìn)動和附加磁矩11 14.3 磁介質(zhì)的磁化磁介質(zhì)的磁化 Magnetization of Magnetic Medium 磁介質(zhì)的磁化磁介質(zhì)的磁化(1)磁化電流：磁化電流：在磁介質(zhì)內(nèi)部各處，與磁矩在磁介質(zhì)內(nèi)部各處，與磁矩相對應(yīng)小圓電流，相鄰

6、的分子環(huán)流的方向相對應(yīng)小圓電流，相鄰的分子環(huán)流的方向總是相反而相互抵消總是相反而相互抵消,但在磁介質(zhì)表面，卻但在磁介質(zhì)表面，卻沿著相同的方向流通沿著相同的方向流通,形成磁介質(zhì)表面的電形成磁介質(zhì)表面的電流流,稱為稱為磁化電流磁化電流(束縛電流束縛電流).12*磁介質(zhì)表面束縛電流的產(chǎn)生磁介質(zhì)表面束縛電流的產(chǎn)生(a)為順磁質(zhì)，為順磁質(zhì)，(b)為抗磁質(zhì)為抗磁質(zhì).磁介質(zhì)的磁化：磁介質(zhì)的磁化：在外磁場作用下在外磁場作用下, 磁介質(zhì)表磁介質(zhì)表面感生出束縛面感生出束縛 (磁化磁化)電流的現(xiàn)象。電流的現(xiàn)象。其面電流密度用其面電流密度用 表示表示j132.磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度iimMV(1)定義定義:im體積元內(nèi)第體

7、積元內(nèi)第i個分子的磁矩個分子的磁矩M的單位：的單位：A/m (2)實(shí)驗(yàn)表明：對于各向同性的順磁質(zhì)和實(shí)驗(yàn)表明：對于各向同性的順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)(以及鐵磁質(zhì)在磁場較弱時以及鐵磁質(zhì)在磁場較弱時)，BMrr01 14B為外磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為外磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度3.磁化強(qiáng)度與磁化強(qiáng)度與束縛電流的關(guān)系束縛電流的關(guān)系設(shè)單位體積內(nèi)的分設(shè)單位體積內(nèi)的分子個數(shù)為子個數(shù)為 n, ,與與 dr鉸鉸鏈的分子電流：鏈的分子電流：2d (cos d )Iniar2a im一個一個分子的磁矩分子的磁矩nmM磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度.15dd cosIM rdMr則則ddddIIjlr若若 與沿介質(zhì)表面的一個長度元與沿介質(zhì)表面的一個長

8、度元 一致一致drdlcosMlM16njMe 與閉合路徑鉸鏈的束縛電流與閉合路徑鉸鏈的束縛電流ddLLIIMr若若0 ，即即M與表面平行與表面平行jM17 14.4 H的環(huán)路定理的環(huán)路定理 Circuital Theorem of H1. 1. 磁介質(zhì)內(nèi)的磁介質(zhì)內(nèi)的總磁感強(qiáng)度總磁感強(qiáng)度自由電流自由電流00 IB 介質(zhì)磁化的介質(zhì)磁化的束縛電流束縛電流 IB ，0BBB總磁感強(qiáng)度總磁感強(qiáng)度182. 的環(huán)路定理的環(huán)路定理H由安培環(huán)路定律由安培環(huán)路定律00d()ininLBrII(1)如圖所示如圖所示又因?yàn)橛忠驗(yàn)閐dinLLIIMr所以所以00() dinLBMrI19(2)磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度H定義磁

9、場強(qiáng)度定義磁場強(qiáng)度0BHM/HB0r 單位單位 (SI)制制 安安/米米 A/m對各向同性磁介質(zhì)對各向同性磁介質(zhì)0dinLHrI(3) 的環(huán)路定理的環(huán)路定理H20例例19-1 一無限長直螺線管，單位長度上的一無限長直螺線管，單位長度上的匝數(shù)為匝數(shù)為n，螺線管內(nèi)充滿相對磁導(dǎo)率為，螺線管內(nèi)充滿相對磁導(dǎo)率為 的的均勻磁介質(zhì)。今在導(dǎo)線內(nèi)通以電流均勻磁介質(zhì)。今在導(dǎo)線內(nèi)通以電流I，求管，求管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁介質(zhì)表面的面束縛電流內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁介質(zhì)表面的面束縛電流密度。密度。r解：解：如圖如圖充滿介質(zhì)后，管內(nèi)充滿介質(zhì)后，管內(nèi)磁場應(yīng)均勻，其方磁場應(yīng)均勻，其方向平行于軸線，管向平行于軸線，管外磁場為零外磁場為零

10、21則有則有:根據(jù)根據(jù)H的環(huán)路定理的環(huán)路定理HlnlIHnILabbccddaH drH drH drH drH drHl00rrBHnI (1)(1)rrMHnI又又(1)trjMMnI 22順磁質(zhì)：順磁質(zhì)： ，束縛電流方向與自，束縛電流方向與自由電流方向相同由電流方向相同0 j抗磁質(zhì)：，束縛電流方向與自由抗磁質(zhì)：，束縛電流方向與自由電流方向相反電流方向相反0 j鐵磁質(zhì)：，管內(nèi)磁場主要由束鐵磁質(zhì)：，管內(nèi)磁場主要由束縛電流產(chǎn)生縛電流產(chǎn)生0 j由此可見由此可見(1)rjnI 23解解:自由電流和介質(zhì)的分布都具有軸對稱自由電流和介質(zhì)的分布都具有軸對稱性，所以介質(zhì)中的磁場也具有軸對稱性，所以介質(zhì)中的

11、磁場也具有軸對稱性性. .一根長直單芯電纜的芯是一半徑為一根長直單芯電纜的芯是一半徑為R的金屬導(dǎo)體，它與導(dǎo)電外壁間充的金屬導(dǎo)體，它與導(dǎo)電外壁間充滿相對磁導(dǎo)率為滿相對磁導(dǎo)率為 的均勻介質(zhì)的均勻介質(zhì).電流電流I均勻流過芯的橫截面并沿電纜外壁均勻流過芯的橫截面并沿電纜外壁流回流回.求磁介質(zhì)中磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布求磁介質(zhì)中磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布和緊貼導(dǎo)體芯的磁介質(zhì)表面上的束和緊貼導(dǎo)體芯的磁介質(zhì)表面上的束縛電流縛電流r例例19-224 如圖如圖 都沿圓周切向，都沿圓周切向，且在同一圓周上各點(diǎn)數(shù)值且在同一圓周上各點(diǎn)數(shù)值相等相等BH、d2LHlHrI作安培環(huán)路如圖，則有作安培環(huán)路如圖，則有2IHr002rrIBHr

12、25(1)2rIjR 的方向與軸線平行的方向與軸線平行j2(1)rIjRI01rrMB 由由jM 及及得到得到26 14.5 鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì) Ferromagnetic Material1.磁化曲線磁化曲線(1)環(huán)狀鐵芯被磁化環(huán)狀鐵芯被磁化2NIHr改變改變I，可以得多組，可以得多組H和和B的值，由此可繪的值，由此可繪磁化曲線磁化曲線27(2)鐵磁質(zhì)中的鐵磁質(zhì)中的B和和 隨隨H變化的磁化曲線變化的磁化曲線 r28(3)鐵磁質(zhì)中的閉合磁化曲線鐵磁質(zhì)中的閉合磁化曲線 磁滯回線磁滯回線oa：起始磁化曲線：起始磁化曲線 (不可逆不可逆)a點(diǎn)點(diǎn):磁飽和狀態(tài)磁飽和狀態(tài)逐步增大反向電流逐步增大反向電流,0cH

13、HB ab: H減小至零減小至零, ,B 0 磁滯磁滯, : 剩剩磁磁rBcH叫矯頑力叫矯頑力鐵磁質(zhì)的磁化，與鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)的磁化，與鐵磁質(zhì)磁化歷史有關(guān)。磁化歷史有關(guān)。292. 軟磁材料軟磁材料 硬磁材料硬磁材料cH很小很小,磁滯回線瘦磁滯回線瘦,如圖如圖(a),常用來常用來做電磁鐵等的鐵芯做電磁鐵等的鐵芯軟磁材料軟磁材料:cH較大較大,磁滯回線較胖磁滯回線較胖,如圖如圖(b),常用來常用來做磁記錄材料做磁記錄材料硬磁材料硬磁材料:303. 居里點(diǎn)居里點(diǎn)TcTc:鐵磁鐵磁質(zhì)質(zhì)特性消失成為順磁特性消失成為順磁質(zhì)的質(zhì)的轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變溫度例如例如 鐵的鐵的Tc: 1040K 鈷的鈷的Tc: 1390K4

14、.鐵磁性的微觀解釋鐵磁性的微觀解釋磁疇理論磁疇理論磁疇如圖磁疇如圖:自發(fā)磁化的小區(qū)域，自發(fā)磁化的小區(qū)域，線度約線度約10-4m；每一；每一區(qū)區(qū)域內(nèi)所有域內(nèi)所有原原子磁矩的子磁矩的方向一致方向一致。31導(dǎo)致磁滯導(dǎo)致磁滯的原因是磁疇的磁壁很難恢復(fù)原狀的原因是磁疇的磁壁很難恢復(fù)原狀. .若若cTT磁疇消失磁疇消失成為順磁質(zhì)成為順磁質(zhì)5. 磁場的邊界條件磁場的邊界條件“磁滯損耗磁滯損耗” ” 正比于正比于磁滯回線磁滯回線所圍的面積。所圍的面積。由圖由圖(a)，根據(jù)，根據(jù)H的環(huán)路定理的環(huán)路定理120ttLH drHlHl 忽略短邊積分值忽略短邊積分值32則則12ttHH由圖由圖(b)，根據(jù)磁通連續(xù)定理，

15、根據(jù)磁通連續(xù)定理120nnsB dSBSBS (忽略筒側(cè)面的積分值忽略筒側(cè)面的積分值)則則12nnBB336.磁屏蔽磁屏蔽根據(jù)上述磁場的邊界條件，由圖可得根據(jù)上述磁場的邊界條件，由圖可得111222121122/tantan/tntnttrtrtBBBBBBHH則則1122tantanrr2211tantanrr34由于鐵磁質(zhì)的由于鐵磁質(zhì)的21r在在 很大的鐵磁質(zhì)中，很大的鐵磁質(zhì)中， 線幾乎平行于線幾乎平行于表面。表面。Br22B上圖為一鐵管在磁場中上圖為一鐵管在磁場中 線的分布圖，實(shí)線的分布圖，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)了磁屏蔽磁屏蔽。357.永磁體永磁體永磁體是仍保留著一定的磁化狀態(tài)的永磁體是仍保留著一定的

16、磁化狀態(tài)的鐵磁體鐵磁體.上圖為永磁體中的上圖為永磁體中的MBH36 14.6 簡單磁路簡單磁路 Simple Magnetic Circuit1.磁路磁路 鐵磁材料鐵磁材料 很大，鐵芯有使很大，鐵芯有使磁場集中到它內(nèi)磁場集中到它內(nèi)部的作用。部的作用。r由鐵芯由鐵芯(或有一定間隙或有一定間隙)構(gòu)成的這種磁感線構(gòu)成的這種磁感線的通路叫磁路的通路叫磁路.如圖如圖(b)37例例19-3 如圖所示的一個鐵環(huán)如圖所示的一個鐵環(huán),設(shè)環(huán)的長度設(shè)環(huán)的長度 ,截面積截面積 ,環(huán)上氣隙的寬度環(huán)上氣隙的寬度 , 環(huán)的一部分上繞有線圈環(huán)的一部分上繞有線圈 匝匝 , 設(shè)通過的電流設(shè)通過的電流 , 而鐵芯而鐵芯相應(yīng)的相應(yīng)的 ,求鐵環(huán)氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度的求鐵環(huán)氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)值數(shù)值.0.5lm424 10Sm 31.0 10 m200N 0.5IA5000r解解: 做一條沿著鐵環(huán)軸線做一條沿著鐵環(huán)軸線穿過氣隙的封閉曲線穿過氣隙的封閉曲線38則有則有:0dddLlHrH rHrNI0HlHNI由于由于:000