大學(xué)物理：21章 物質(zhì)的磁性

1、第二十一章 磁介質(zhì) 本章教學(xué)要求：了解介質(zhì)的磁化現(xiàn)象及其微觀解釋。了解鐵磁質(zhì)的特性。了解各向同性介質(zhì)中H和B之間的關(guān)系和區(qū)別。了解介質(zhì)中磁場(chǎng)的高斯定理和安培環(huán)路定理。 本章重點(diǎn)：磁場(chǎng)的高斯定理和安培環(huán)路定理，磁場(chǎng)的高斯定理和安培環(huán)路定理本章難點(diǎn)：各類磁介質(zhì)的磁化機(jī)理，鐵磁質(zhì)的特性返回目錄下一頁上一頁 第二十一章 磁介質(zhì) 21.1 磁介質(zhì)及其磁化21.3 鐵磁質(zhì)返回總目錄21.2 磁介質(zhì)中的高斯定理與安培環(huán)路定理 第二十一章 磁介質(zhì) 21.1 磁介質(zhì)及其磁化磁介質(zhì)：一切實(shí)物物質(zhì)，在磁場(chǎng)作用下都會(huì)產(chǎn)生不同程 度的磁化，磁化了的物質(zhì)又反過來影響原來的 磁場(chǎng)。凡是有這種特性的物質(zhì)都叫磁介質(zhì)。返回本章目

2、錄下一頁磁介質(zhì)內(nèi)部：定義介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率：三種不同的磁介質(zhì)：返回本章目錄下一頁上一頁實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：有、無磁介質(zhì)的螺旋管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的比值，可表征它們?cè)诖艌?chǎng)中的性質(zhì)。磁介質(zhì)順磁質(zhì)，抗磁質(zhì)都稱為弱磁質(zhì)返回本章目錄下一頁上一頁分子的固有磁矩 ，返回本章目錄下一頁上一頁抗磁質(zhì)順磁質(zhì)21.1.2 順磁質(zhì)與抗磁質(zhì)的磁化返回本章目錄下一頁上一頁抗磁質(zhì)的磁化機(jī)理*電子的進(jìn)動(dòng)：在外磁場(chǎng)作用下，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)。 可以證明：不論電子原來的磁矩與磁場(chǎng)方向之間的夾角是何值，這種進(jìn)動(dòng)等效圓電流附加磁矩Pm的方向永遠(yuǎn)與B0 的方向相反。進(jìn)動(dòng)方向一致

3、!進(jìn)動(dòng) 順磁質(zhì) ，即在 作用下 轉(zhuǎn)向方向，使得 與 同向。 抗磁質(zhì) ，但進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生 ， 與 反向，使得 與 反向。 分析（b）（c）兩圖有：分子中各個(gè)電子因進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生的附加磁矩 總與 的方向相反。順磁質(zhì)抗磁質(zhì)返回本章目錄下一頁上一頁2010年首個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)+搞笑諾貝爾獎(jiǎng)雙料得主誕生荷蘭科學(xué)家Andre Geim。十年前他因磁懸浮青蛙獲得搞笑諾貝爾獎(jiǎng)。十年后他因石墨烯（graphene）的結(jié)構(gòu)獲諾貝爾獎(jiǎng)。青蛙屬于抗磁質(zhì)。當(dāng)青蛙被放到磁場(chǎng)中，青蛙的每個(gè)原子都像一個(gè)小磁針，外界磁場(chǎng)對(duì)這些小磁針作用的結(jié)果產(chǎn)生了向上的力，如果磁場(chǎng)的強(qiáng)度適當(dāng)，這力與青蛙受的重力達(dá)到平衡，它們就能懸在空中。 實(shí)際上動(dòng)物都屬于抗磁

4、質(zhì)，只要用足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)，就有可能使人懸浮起來。 磁化強(qiáng)度（與電極化強(qiáng)度 定義類似。）4、磁化強(qiáng)度順磁質(zhì)的磁化強(qiáng)度方向與外磁場(chǎng)方向相同，方向與外磁場(chǎng)方向相反。抗磁質(zhì)的磁化強(qiáng)度單位：（安/米) 0B(a)順磁質(zhì)0B(b)抗磁質(zhì)反映磁介質(zhì)磁化程度(大小與方向)的物理量。5. 磁化電流 對(duì)于各向同性的均勻介質(zhì)，介質(zhì)內(nèi)部各分子電流相互抵消，而在介質(zhì)表面，各分子電流相互疊加，在磁化圓柱的表面出現(xiàn)一層電流，好象一個(gè)載流螺線管，稱為磁化面電流。58 磁化電流的產(chǎn)生2ok.swf設(shè)介質(zhì)表面沿軸線方向單位長(zhǎng)度上的磁化電流為jm （磁化面電流密度），則長(zhǎng)為l 的一段介質(zhì)上的磁化電流強(qiáng)度Im為 取一長(zhǎng)方形閉合回路AB

5、CD，AB邊在磁介質(zhì)內(nèi)部，平行與柱體軸線，長(zhǎng)度為l，而BC、AD兩邊則垂直于柱面。磁化強(qiáng)度對(duì)閉合回路的線積分等于通過回路所包圍的面積內(nèi)的總磁化電流。IImlABCD對(duì)比，故對(duì)總磁場(chǎng)有 21-2 磁介質(zhì)中的高斯定理與安培環(huán)路定理21-2-1 磁介質(zhì)中的高斯定理無磁介質(zhì)時(shí)有磁介質(zhì)時(shí)21-2-2 有磁介質(zhì)時(shí)的安培環(huán)路定理定義磁場(chǎng)強(qiáng)度 磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理：磁場(chǎng)強(qiáng)度沿任意閉合路徑的線積分等于穿過該路徑的所有傳導(dǎo)電流的代數(shù)和，而與磁化電流無關(guān)。 實(shí)驗(yàn)證明：對(duì)于各向同性的介質(zhì)，在磁介質(zhì)中任意一點(diǎn)磁化強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。 式中m只與磁介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，稱為磁介質(zhì)的磁化率，是一個(gè)純數(shù)。如果磁介質(zhì)是均勻的，它

6、是一個(gè)常量；如果磁介質(zhì)是不均勻的，它是空間位置的函數(shù)。對(duì)比 值得注意：H 的引入為研究介質(zhì)中的磁場(chǎng)提供了方便，但它不是反映磁場(chǎng)性質(zhì)的基本物理量，B 才是反映磁場(chǎng)性質(zhì)的基本物理量。磁導(dǎo)率 =0 r對(duì)比21-2-3 磁化強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系各向同性的介質(zhì)I 例 有兩個(gè)半徑分別為 和 的“無限長(zhǎng)”同軸圓筒形導(dǎo)體，在它們之間充以相對(duì)磁導(dǎo)率為 的磁介質(zhì).當(dāng)兩圓筒通有相反方向的電流 時(shí)，試 求（1）磁介質(zhì)中任意點(diǎn) P 的磁感應(yīng)強(qiáng)度的 大小;（2）圓柱體外面一點(diǎn) Q 的 磁感強(qiáng)度.解 對(duì)稱性分析I同理可求II2、實(shí)驗(yàn)（略）3. 磁化曲線(a)(b)(c)21-3 鐵磁質(zhì)一、鐵磁質(zhì)的特性1.

7、特性（1）由于磁化，鐵磁質(zhì)內(nèi)部磁場(chǎng)比無鐵磁質(zhì)時(shí)增大百倍至千倍以上。（2） 不是恒量。即 與 不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。（3）磁化場(chǎng)撤除后，鐵磁質(zhì)內(nèi)仍得到一定的磁性。返回本章目錄下一頁上一頁4. 磁滯回線(a) BH磁滯回線(b)MH磁滯回線5. 磁滯損耗 磁滯伸縮 居里點(diǎn)返回本章目錄下一頁上一頁圖無外磁場(chǎng)外磁場(chǎng)外磁場(chǎng)外磁場(chǎng)(a)(b)(c)(d)1、“磁疇”理論二、鐵磁質(zhì)的磁化機(jī)理單晶磁疇結(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，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)域稱為磁疇

8、。3. 磁疇 在沒有外磁場(chǎng)作用時(shí)，磁體體內(nèi)磁矩排列雜亂，任意物理無限小體積內(nèi)的平均磁矩為零。無外磁場(chǎng)外磁場(chǎng)外磁場(chǎng)外磁場(chǎng)(a)(b)(c)(d) 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。臨界溫度Tc。在Tc以上，鐵磁性完全消失而成為順磁質(zhì)，Tc稱為居里溫度或居里點(diǎn)。不同的

9、鐵磁質(zhì)有不同的居里溫度Tc。純鐵：770C，純鎳：358C。居 里裝置如圖所示：將懸掛著的鎳片移近永久磁鐵，即被吸住，說明鎳片在室溫下具有鐵磁性。用酒精燈加熱鎳片，當(dāng)鎳片的溫度升高到超過一定溫度時(shí)，鎳片不再被吸引，在重力作用下擺回平衡位置，說明鎳片的鐵磁性消失，變?yōu)轫槾判浴Ｒ迫ゾ凭珶?，稍待片刻，鎳片溫度下降到居里點(diǎn)以下恢復(fù)鐵磁性，又被磁鐵吸住。 4. 鐵磁質(zhì)的應(yīng)用作變壓器的軟磁材料。純鐵，硅鋼坡莫合金(Fe，Ni)，鐵氧體等。r大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大，矯頑力(Hc)小，磁滯回線的面積窄而長(zhǎng)，損耗小。用于繼電器、電機(jī)、以及各種高頻電磁元件的磁芯、磁棒。BH作永久磁鐵的硬磁材料鎢鋼，碳鋼，鋁鎳鈷合金B(yǎng)HHc-Hc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(jī)中的永久磁鐵，永磁揚(yáng)聲器。作存儲(chǔ)元件的矩磁材料Br=BS，Hc不