關(guān)于節(jié)物質(zhì)的磁性.pptx

1、第15章 物質(zhì)的磁性(The Magnet of Material)【學(xué)習(xí)目的】1、了解順磁質(zhì)、抗磁質(zhì)和鐵磁質(zhì)磁化過(guò)程的宏觀特征和規(guī)律。2、了解原子的磁矩及磁介質(zhì)的磁化過(guò)程。3、掌握磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理及磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)的計(jì)算。4、了解鐵磁質(zhì)的磁化現(xiàn)象，了解磁疇、剩磁、磁滯回線、居里溫度點(diǎn)等概念。15.1 物質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響15.3 物質(zhì)的磁化15.2 原子的磁矩15.4 H矢量及其環(huán)路定理15.5 鐵磁質(zhì)15.1 磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響磁 化：磁場(chǎng)對(duì)磁場(chǎng)中的物質(zhì)的作用稱(chēng)為磁化。磁介質(zhì)：在磁場(chǎng)中影響原磁場(chǎng)的物質(zhì)稱(chēng)為磁介質(zhì)。總磁感強(qiáng)度附加磁感強(qiáng)度外加磁感強(qiáng)度 磁化后介質(zhì)內(nèi)部的磁場(chǎng)與附加磁場(chǎng)和外磁場(chǎng)的關(guān)

2、系：抗磁質(zhì)(銅、鉍、硫、氫、銀等)鐵磁質(zhì)(鐵、鈷、鎳等)順磁質(zhì)(錳、鉻、鉑、氧、氮等)在介質(zhì)均勻充滿(mǎn)磁場(chǎng)的情況下定義相對(duì)磁導(dǎo)率磁介質(zhì)的分類(lèi)15.2 原子的磁矩電子軌道運(yùn)動(dòng)的閉合電流為：“-”表示電流方向與電子運(yùn)動(dòng)方向相反 面積：一、經(jīng)典表示式一個(gè)周期掃過(guò)的面積：因此二、量子表示式 玻爾磁子 分子電流：把分子或原子看作一個(gè)整體，分子或原子中各個(gè)電子對(duì)外界所產(chǎn)生磁效應(yīng)的總和，可用一個(gè)等效的圓電流表示，統(tǒng)稱(chēng)為分子電流。 分子磁矩：把分子所具有的磁矩統(tǒng)稱(chēng)為分子磁矩，用符號(hào) 表示。三、分子電流和分子磁矩 電子的進(jìn)動(dòng)：在外磁場(chǎng) 的作用下，分子或原子中和每個(gè)電子相聯(lián)系的磁矩都受到磁力矩的作用，由于分子或原子

3、中的電子以一定的角動(dòng)量作高速轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)，每個(gè)電子除了保持環(huán)繞原子核的運(yùn)動(dòng)和電子本身的自旋以外，還要附加電子磁矩以外磁場(chǎng)方向?yàn)檩S線的轉(zhuǎn)動(dòng)，稱(chēng)為電子的進(jìn)動(dòng)。進(jìn)動(dòng)進(jìn)動(dòng)進(jìn)動(dòng) 附加磁矩：因進(jìn)動(dòng)而產(chǎn)生的等效磁矩稱(chēng)為附加磁矩，用符號(hào) 表示。 可以證明：不論電子原來(lái)的磁矩與磁場(chǎng)方向之間的夾角是何值，在外磁場(chǎng) 中，電子角動(dòng)量 進(jìn)動(dòng)的轉(zhuǎn)向總是和外磁場(chǎng) 的方向構(gòu)成右手螺旋關(guān)系。這種等效圓電流的磁矩的方向永遠(yuǎn)與 的方向相反。進(jìn)動(dòng)進(jìn)動(dòng)進(jìn)動(dòng)15.3 磁介質(zhì)的磁化 在順磁體內(nèi)任意取一體積元 ，其中各分子磁矩的矢量和 將有一定的量值，因而在宏觀上呈現(xiàn)出一個(gè)與外磁場(chǎng)同向的附加磁場(chǎng)，這就是順磁性的起源。一、順磁質(zhì)的磁化 順磁性是

4、磁矩不為零的原子（分子）在磁場(chǎng)中各種取向的平均效果。原子（分子）磁矩在外磁場(chǎng)的作用下會(huì)沿其方向排列。 抗磁材料在外磁場(chǎng)的作用下，磁體內(nèi)任意體積元中大量分子或原子的附加磁矩的矢量和 有一定的量值，結(jié)果在磁體內(nèi)激發(fā)一個(gè)和外磁場(chǎng)方向相反的附加磁場(chǎng)，這就是抗磁性的起源。它是一切磁介質(zhì)所共有的性質(zhì) 。二、抗磁質(zhì)的磁化抗磁性是磁場(chǎng)對(duì)電子軌道運(yùn)動(dòng)作用的結(jié)果。對(duì)于原子，只有在磁矩為零的情況下，抗磁性才顯出來(lái)。 1、抗磁性是一切磁介質(zhì)固有的特性，它不僅存在于抗磁介質(zhì)中，也存在于順磁介質(zhì)中； 2、對(duì)于順磁介質(zhì)，分子磁矩電子附加磁矩，順磁效應(yīng) 抗磁效應(yīng)3、抗磁介質(zhì)中電子附加磁矩起主要作用，顯抗磁性幾點(diǎn)注意：無(wú)外場(chǎng)B

5、o時(shí)，分子的磁矩排列雜亂無(wú)章，分子磁矩的矢量和有外場(chǎng)Bo 時(shí)，分子磁矩沿外場(chǎng)轉(zhuǎn)向，分子磁矩的矢量和Bo三、磁化電流Bo B 從導(dǎo)體橫截面看，導(dǎo)體內(nèi)部分子電流兩兩反向，相互抵消。導(dǎo)體邊緣分子電流同向。 等效分子電流可等效成磁介質(zhì)表面的磁化電流Is，Is產(chǎn)生附加磁場(chǎng)B。 Bo 磁化電流（安培表面電流、束縛電流）15.4 H矢量及其環(huán)路定理無(wú)磁介質(zhì)時(shí)有磁介質(zhì)時(shí)本節(jié)討論磁化后的磁介質(zhì)如何影響磁場(chǎng)分布。因此，根據(jù)真空中安培環(huán)路定理定義磁場(chǎng)強(qiáng)度 H的環(huán)路定理 表明：磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量的環(huán)流和傳導(dǎo)電流I有關(guān)，而在形式上與磁介質(zhì)的磁性無(wú)關(guān)。其單位在國(guó)際單位制中是A/m. 磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理：磁場(chǎng)強(qiáng)度沿任意閉合路

6、徑的線積分等于穿過(guò)該路徑的所有傳導(dǎo)電流的代數(shù)和，而與磁化電流無(wú)關(guān)。 例1 在均勻密繞的螺繞環(huán)內(nèi)充滿(mǎn)均勻的順磁介質(zhì)，已知螺繞環(huán)中的傳導(dǎo)電流為 ，單位長(zhǎng)度內(nèi)匝數(shù) ，環(huán)的橫截面半徑比環(huán)的平均半徑小得多，磁介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率和磁導(dǎo)率分別為 和 。求環(huán)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度。解：在環(huán)內(nèi)任取一點(diǎn)，過(guò)該點(diǎn)作一和環(huán)同心、半徑為 的圓形回路。 式中 為螺繞環(huán)上線圈的總匝數(shù)。由對(duì)稱(chēng)性可知，在所取圓形回路上各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小相等，方向都沿切線。當(dāng)環(huán)內(nèi)是真空時(shí)當(dāng)環(huán)內(nèi)充滿(mǎn)均勻介質(zhì)時(shí)磁介質(zhì)均勻充滿(mǎn)整個(gè)磁場(chǎng)空間 例2 如圖所示，一半徑為R1的無(wú)限長(zhǎng)圓柱體（導(dǎo)體0）中均勻地通有電流I，在它外面有半徑為R2的無(wú)限長(zhǎng)同軸圓柱面

7、，兩者之間充滿(mǎn)著磁導(dǎo)率為的均勻磁介質(zhì)，在圓柱面上通有相反方向的電流I。試求（1）圓柱體外圓柱面內(nèi)一點(diǎn)的磁場(chǎng)；（2）圓柱體內(nèi)一點(diǎn)磁場(chǎng)；（3）圓柱面外一點(diǎn)的磁場(chǎng)。解：（1）當(dāng)兩個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的同軸圓柱體和圓柱面中有電流通過(guò)時(shí)，它們所激發(fā)的磁場(chǎng)是軸對(duì)稱(chēng)分布的，而磁介質(zhì)亦呈軸對(duì)稱(chēng)分布，因而不會(huì)改變場(chǎng)的這種對(duì)稱(chēng)分布。設(shè)圓柱體外圓柱面內(nèi)一點(diǎn)到軸的垂直距離是r1，以r1為半徑作一圓，取此圓為積分回路，根據(jù)安培環(huán)路定理有（2）設(shè)在圓柱體內(nèi)一點(diǎn)到軸的垂直距離是r2，則以r2為半徑作一圓，根據(jù)安培環(huán)路定理有 式中 是該環(huán)路所包圍的電流部分，由此得則由BH，得 （3）在圓柱面外取一點(diǎn)，它到軸的垂直距離是r3，以r3為半徑

8、作一圓，根據(jù)安培環(huán)路定理,考慮到環(huán)路中所包圍的電流的代數(shù)和為零，所以得即或15.5 鐵磁質(zhì)(1)在外磁場(chǎng)的作用下能產(chǎn)生很強(qiáng)的附加磁場(chǎng)。(3)外磁場(chǎng)停止作用后，仍能保持其磁化狀態(tài)。(4)具有臨界溫度Tc。在Tc以上，鐵磁性完全消失而成為順磁質(zhì)，Tc稱(chēng)為居里溫度或居里點(diǎn)。不同的鐵磁質(zhì)有不同的居里溫度Tc。純鐵：770C，純鎳：358C。(2)相對(duì)磁導(dǎo)率和磁化率不是常數(shù)，而是隨外磁場(chǎng)的變化而變化；具有磁滯現(xiàn)象， 之間不具有簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。與弱磁質(zhì)相比，鐵磁質(zhì)具有以下特點(diǎn)：AR12K接磁通計(jì)把未磁化的均勻鐵磁質(zhì)充滿(mǎn)一螺繞環(huán)，如圖： 線圈中通入電流(勵(lì)磁電流)后，鐵磁質(zhì)就被磁化。 根據(jù)有介質(zhì)時(shí)的安培環(huán)路

9、定理，當(dāng)勵(lì)磁電流為I時(shí)，環(huán)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度：一、磁化曲線 鐵芯中的B由磁通計(jì)上的次級(jí)線圈測(cè)出，這樣，通過(guò)改變勵(lì)磁電流，可得到對(duì)應(yīng)的一組B和H的值，從而給出一條關(guān)于試樣BH的關(guān)系曲線（磁化曲線）。OHACBSAR12K接磁通計(jì) 使勵(lì)磁電流從零開(kāi)始，此時(shí)B=H=0，然后逐漸增大電流，以增大H 。測(cè)得B與H的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖所示： 隨H的增大，B先緩慢增大(OA段)，然后迅速增大(AB段)，過(guò)B點(diǎn)后，B又緩慢增大(BC段)。 從S開(kāi)始，B隨H的增大而非常緩慢地增大，介質(zhì)的磁化達(dá)到飽和。與S對(duì)應(yīng)的HS稱(chēng)飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度，相應(yīng)的BS稱(chēng)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。 根據(jù) ，可以求出不同H值對(duì)應(yīng)的r值，由此可見(jiàn)鐵磁質(zhì)B-H顯著的非

10、線性特點(diǎn)。ACBS 當(dāng)鐵磁質(zhì)達(dá)到飽和狀態(tài)后，緩慢地減小H，鐵磁質(zhì)中的B并不按原來(lái)的曲線減小，并且H=0時(shí)，B不等于0，具有一定值，這種現(xiàn)象稱(chēng)為剩磁。 要完全消除剩磁Br，必須加反向磁場(chǎng)，當(dāng)B=0時(shí)磁場(chǎng)的值Hc為鐵磁質(zhì)的矯頑力。 當(dāng)反向磁場(chǎng)繼續(xù)增加，鐵磁質(zhì)的磁化達(dá)到反向飽和。反向磁場(chǎng)減小到零，同樣出現(xiàn)剩磁現(xiàn)象。不斷地正向或反向緩慢改變磁場(chǎng)，磁化曲線為一閉合曲線磁滯回線。二、磁滯回線B的變化總落后于H的變化，稱(chēng)磁滯現(xiàn)象。 在反復(fù)磁化過(guò)程中能量的損失叫做磁滯損耗。緩慢磁化過(guò)程，經(jīng)歷一次磁化過(guò)程損耗的能量與磁滯回線包圍的面積成正比。 鐵磁體在交變磁化磁場(chǎng)的作用下，它的形狀隨之改變，叫做磁致伸縮效應(yīng)。

11、在反復(fù)磁化時(shí)，由于分子狀態(tài)不斷改變，導(dǎo)致分子振動(dòng)加劇，溫度升高。單晶磁疇結(jié)構(gòu)示意圖多晶磁疇結(jié)構(gòu)示意圖 在鐵磁質(zhì)中，相鄰鐵原子中的電子間存在著非常強(qiáng)的交換耦合作用，這個(gè)相互作用促使相鄰原子中電子的自旋磁矩平行排列起來(lái)，形成一個(gè)自發(fā)磁化達(dá)到飽和狀態(tài)的微小區(qū)域，這些自發(fā)磁化的微小區(qū)域稱(chēng)為磁疇。三、磁疇 在沒(méi)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，磁體體內(nèi)磁矩排列雜亂，任意物理無(wú)限小體積內(nèi)的平均磁矩為零。 在外磁場(chǎng)作用下，磁矩與外磁場(chǎng)同方向排列時(shí)的磁能將低于磁矩與外磁反向排列時(shí)的磁能，結(jié)果是自發(fā)磁化磁矩和外磁場(chǎng)成小角度的磁疇處于有利地位，這些磁疇體積逐漸擴(kuò)大，而自發(fā)磁化磁矩與外磁場(chǎng)成較大角度的磁疇體積逐漸縮小。隨著外磁場(chǎng)的不

12、斷增強(qiáng)，取向與外磁場(chǎng)成較大角度的磁疇全部消失，留存的磁疇將向外磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)，以后再繼續(xù)增加磁場(chǎng)，所有磁疇都沿外磁場(chǎng)方向整齊排列，這時(shí)磁化達(dá)到飽和。鐵磁質(zhì)的磁化 剩磁現(xiàn)象：當(dāng)外磁場(chǎng)減小到零時(shí)，已被磁化的鐵磁體內(nèi)的各個(gè)磁疇由于受到阻礙它們轉(zhuǎn)向的摩擦阻力，使它們不能按原來(lái)的磁化規(guī)律恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，而保留有部分磁性。 高溫和振動(dòng)的去磁作用：分子熱運(yùn)動(dòng)破壞磁疇內(nèi)磁矩的有規(guī)則排列，當(dāng)溫度達(dá)到臨界溫度（居里點(diǎn)）時(shí)，鐵磁體轉(zhuǎn)化為普通的順磁體。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，磁疇的體積約為 矯頑力很小(Hc102Am-1)，磁滯回線窄，所圍的面積小，磁滯損耗小。 軟磁材料如純鐵、硅鋼、鐵氧體等材料，適用于交變磁場(chǎng)中，常用作變壓器、繼電器、電動(dòng)機(jī)、電磁鐵和發(fā)動(dòng)機(jī)的鐵芯。四、軟磁材料 矯頑力大，剩磁大、磁滯回線寬，所圍的面積大，磁滯損耗大。 硬磁材料如碳鋼、鎢鋼、鋁鎳鈷合金等材料。磁化后能保持很強(qiáng)的磁性，適用于制成各種類(lèi)型的永久磁鐵。五、硬磁材料 矩磁材料的磁滯回線接近于矩形，特點(diǎn)是剩磁Br接近飽和值BS。 壓磁材料具有較強(qiáng)的磁致伸縮效應(yīng)，常用于制造超聲波發(fā)生器。 當(dāng)矩磁材料在不同方向的外磁場(chǎng)磁化后，總是處于 和 兩種剩磁狀態(tài)，可作電子計(jì)算機(jī)的“記憶”元件。本章小結(jié)本章的計(jì)算方法1、磁介質(zhì)中安培環(huán)路定理的應(yīng)用 在電流分布及介質(zhì)分布具有相應(yīng)對(duì)