大學物理課件：8-9 鐵磁質(zhì)

1、1磁場磁介質(zhì)磁化磁場分布*有磁介質(zhì)時的磁場規(guī)律*磁場場量和磁化強度之間的普遍關(guān)系式有磁介質(zhì)時高斯定理仍成立：其中：磁感應(yīng)強度B是導線中傳導電流所激發(fā)（或真空中）的磁場B0與磁介質(zhì)磁化后磁化電流激發(fā)的附加磁場 B的矢量和。二、有磁介質(zhì)時安培環(huán)路定理2有磁介質(zhì)時安培環(huán)路定理:由真空中的安培環(huán)路定理有磁介質(zhì)時：引進一個新物理量-磁場強度 （H）H的單位：A/m 3上式即為有磁介質(zhì)時的安培環(huán)路定理，它表明磁場強度H 沿任意閉合回路L的線積分，等于穿過該回路所包圍的所有傳導電流的代數(shù)和，而與磁化電流無關(guān)。由是在任何情況下普遍適用的，甚至對于鐵磁質(zhì)。這里磁介質(zhì)的分布會影響H，但不會影響H的環(huán)流，在磁場分布

2、有高度對稱性時，可以較方便的處理有磁介質(zhì)時的磁場問題。4B、M、H 三個物理量的關(guān)系實驗證明：對于各向同性的介質(zhì)，在磁介質(zhì)中任意一點磁化強度和磁場強度成正比： 式中 只與磁介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，稱為磁介質(zhì)的磁化率，是一個純數(shù)。對均勻磁介質(zhì)，它是一個常量；如果磁介質(zhì)是不均勻的，它是空間位置的函數(shù)（這時上式不適用）。介質(zhì)相對磁導率介質(zhì)絕對磁導率將上式代入 ，得：（該式適用各向同性的介質(zhì)，對非均勻介質(zhì)不適用）5真 空順磁質(zhì)抗磁質(zhì) 對于鐵磁質(zhì)，M與H呈非線性關(guān)系，甚至沒有單值關(guān)系，但H=B/0-M始終成立，并仍采用關(guān)系式M=cmH和B= H的形式，這時 ，r 和m都不是常量，m 102 103 。 對各向同

3、性的順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)， 、r 和m都是常量。且m很小， r 近似為1，說明磁化對傳導電流的磁場影響很小。 6例1、在均勻密繞的螺繞環(huán)內(nèi)充滿均勻的順磁介質(zhì)，已知螺繞環(huán)中的傳導電流為 ，單位長度內(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)的相對磁導率為 。求環(huán)內(nèi)的磁場強度和磁感應(yīng)強度。解：在環(huán)內(nèi)任取一點，過該點作一和環(huán)同心、半徑為 r 的圓形回路：式中N為螺繞環(huán)上線圈的總匝數(shù)。由對稱性可知，在所取圓形回路上各點的磁感應(yīng)強度的大小相等，方向都沿切線，則：磁介質(zhì)中的磁場強度H值與真空中的相等7結(jié)論：當環(huán)內(nèi)充滿均勻磁介質(zhì)后，環(huán)內(nèi)的磁感應(yīng)強度改變到環(huán)內(nèi)是真空時的 r 倍。注意：只有當均勻磁介質(zhì)充滿整

4、個磁場空間時，此關(guān)系式才成立。當環(huán)內(nèi)是真空時，環(huán)內(nèi)的磁感應(yīng)強度為：當環(huán)內(nèi)充滿均勻介質(zhì)時，環(huán)內(nèi)的磁感應(yīng)強度為：B 和B0大小之比為：8例2、在均勻密繞的螺繞環(huán)內(nèi)有一空氣隙，除空氣外隙充滿均勻的順磁介質(zhì)，已知螺繞環(huán)中的傳導電流為 I ，線圈匝數(shù)為N ，環(huán)和空氣隙的長度分別為l、l0，磁介質(zhì)的磁導率為 m 。求環(huán)內(nèi)的磁場強度和磁感應(yīng)強度。(設(shè)環(huán)的橫截面半徑比環(huán)的平均半徑小得多)解：在環(huán)內(nèi)任取一點，過該點作一和環(huán)同心、半徑為 r 的圓形回路, 根據(jù)安培環(huán)路定理，有：根據(jù)高斯定理，有：9如果沒有磁介質(zhì)時環(huán)內(nèi)的磁感應(yīng)強度為B0，則方向沿順時針方向沿順時針10I 例3 有兩個半徑分別為 R1 和 R2 的“

5、無限長”同軸圓筒形導體，在它們之間充以相對磁導率為 r 的磁介質(zhì).當兩圓筒通有相反方向的電流 I 時，求距導體軸線中心為r處的磁感應(yīng)強度大小.解: 兩個無限長同軸圓筒激發(fā)的磁場是軸對稱分布的，而磁介質(zhì)也呈相同的對稱分布，因而不會改變磁場的對稱性。作圓形回路如圖所示，則有：I11如果把內(nèi)圓筒換成圓柱形導體，情況如何？12例4：一半徑為 R1 的無限長圓柱形直導線，外面包一層外半徑為 R2 ，相對磁導率為 r 的圓筒形順磁質(zhì)，通過導線的電流為 I 。求（1）磁介質(zhì)內(nèi)外磁場強度和磁感應(yīng)強度的分布；（2）磁介質(zhì)內(nèi)外表面上的磁化電流密度。 IrrR2R1I解：(1) 磁場分布為軸對稱，在距圓柱軸線等距離

6、處的各點H大小相等，方向沿圓柱切向且與電流成右手螺旋關(guān)系。選以軸線上一點為圓心，半徑為r的圓形回路.13由H的環(huán)路定理，有: 圓柱體內(nèi)磁介質(zhì)內(nèi)磁介質(zhì)外方向沿逆時針方向沿逆時針方向沿逆時針14(2) （解一）磁化面電流密度與磁介質(zhì)中的磁場有關(guān)IrrR2R1在順磁質(zhì)內(nèi)表面 rR1處，和I同方向，在磁介質(zhì)外表面R2處，和I反方向。根據(jù)：可判斷出磁介質(zhì)內(nèi)外表面上的磁化電流密度分別為：（抗磁質(zhì)的面電流方向相反）(2) （解二）選介質(zhì)2內(nèi)外表面處窄條弧形回路 （單邊弧長分別為l1和l2，順時針繞向）21由真空中的環(huán)路定理，有: 介質(zhì)2內(nèi)表面處（r=R1）：介質(zhì)2外表面處（r=R2）：當為正時， sR1和s

7、R2同I反方向，反之同I同方向168-9 鐵磁質(zhì)鐵磁性主要來源于電子的自旋磁矩的整齊排列。 鐵磁質(zhì)是應(yīng)用最廣泛的磁介質(zhì). 20世紀初, 主要應(yīng)用于電機制造和通訊器件; 20世紀50年代后, 主要應(yīng)用于信息存儲和記錄, 如磁帶、硬盤等; 新應(yīng)用將不斷發(fā)展.與弱磁質(zhì)相比，鐵磁質(zhì)具有以下特點：(1)在外磁場的作用下能產(chǎn)生很強的附加磁場, 可達幾千;17(2)外磁場停止作用后，仍能保持其部分磁化狀態(tài);(5)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稱為居里溫度或居里點。不同的鐵磁質(zhì)有不同的居里溫度Tc，鐵770C，鎳358C, 鈷1115C。熱磁輪實驗居 里(3)M和H不一定平行，

8、大小也不是簡單的正比關(guān)系；r 和 不是常數(shù)，而是隨磁場強度H (即外磁場) 的變化而變化;(4) M和隨變化，且落后于的變化，具有磁滯現(xiàn)象;18 把待測的未磁化的均勻鐵磁質(zhì)做成環(huán)狀，外面均勻密繞匝線圈，線圈中通入電流(勵磁電流)后，鐵磁質(zhì)就被磁化。根據(jù)有介質(zhì)時的安培環(huán)路定理，當勵磁電流為I時，環(huán)內(nèi)的磁場強度：一、磁化曲線 鐵芯中的B由磁通計上的次級線圈測出，這樣，通過改變勵磁電流，可得到對應(yīng)的一組B 和H 的值，的測量。(原理見13章)可計算出對應(yīng)的M值。根據(jù)公式：19 測得與H的對應(yīng)關(guān)系（磁化曲線）,如圖. 隨H的增大，先緩慢增大(OA段)，然后迅速增大(AB段)，過B點過后，又緩慢增大(B

9、C段)。 從某一開始，不再隨H的增大而增大，介質(zhì)的磁化達到飽和。飽和時的磁化強度稱飽和磁場強度S。 鐵磁質(zhì)的曲線與曲線外形相似，但無水平部分.( 由于 ) 根據(jù) m=B/H，可以求出不同H值對應(yīng)的 和r值，由此可見鐵磁質(zhì)顯著的非線性特點。20二、磁滯回線 當鐵磁質(zhì)達到飽和狀態(tài)后，緩慢地減小H，鐵磁質(zhì)中的B并不按原來的曲線減小，并且H=0時，B不等于0，具有一定值，這種現(xiàn)象稱為剩磁。 要完全消除剩磁Br，必須加反向磁場，當B=0時磁場的值Hc為鐵磁質(zhì)的矯頑力。 如果反向磁場繼續(xù)增加，鐵磁質(zhì)的磁化達到反向飽和。反向磁場減小到零，同樣出現(xiàn)剩磁現(xiàn)象。不斷地正向或反向緩慢改變磁場，磁化曲線為一閉合曲線磁

10、滯回線。-HcdHc-BrefBrcbBHaO磁滯回線演示21 B的變化總落后于H的變化，稱磁滯現(xiàn)象。 鐵磁性材料在交變磁場作用下被反復(fù)磁化時將會發(fā)熱，這種反復(fù)磁化過程中能量的損失叫做磁滯損耗。磁滯損耗的大小與回線包圍的面積成正比。-HcdHc-BrefBrcbBHaO 鐵磁體在交變磁化磁場的作用下，它的形狀隨之改變，叫做磁致伸縮效應(yīng)（超聲技術(shù)應(yīng)用）。 研究鐵磁質(zhì)的磁性必須知道材料的磁滯回線，不同材料的磁滯回線形狀不同（寬，窄，剩磁，矯頑力）22三、 磁疇 在鐵磁質(zhì)中，相鄰原子中的電子間存在著非常強的交換耦合作用（分子場理論，量子力學），這個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

11、成一個自發(fā)磁化達到飽和狀態(tài)的微小區(qū)域，這些自發(fā)磁化的微小區(qū)域稱為磁疇。鐵磁質(zhì)產(chǎn)生強磁性的內(nèi)在原因顯示磁疇結(jié)構(gòu)的鐵粉圖形23在沒有外磁場作用時，每個磁疇中各原子的磁矩自發(fā)磁化，取向一致，但不同磁疇的自發(fā)磁化方向不同，以保證體系能量最低。所以宏觀上不表現(xiàn)磁性。單晶磁疇結(jié)構(gòu)示意圖多晶磁疇結(jié)構(gòu)示意圖在外磁場中，磁矩與外磁場同方向排列時的磁能將低于磁矩與外磁反向排列時的磁能，所以磁矩傾向于與外磁場同方向排列24在外磁場作用下，磁矩傾向于與外磁場同方向排列，結(jié)果是自發(fā)磁化磁矩和外磁場成小角度的磁疇處于有利地位，這些磁疇體積逐漸擴大，而自發(fā)磁化磁矩與外磁場成較大角度的磁疇體積逐漸縮?。昏F磁質(zhì)磁化過程示意圖隨

12、著外磁場的不斷增強，取向與外磁場成較大角度的磁疇全部消失；留存的磁疇將向外磁場的方向旋轉(zhuǎn)；以后再繼續(xù)增加磁場，所有磁疇都沿外磁場方向整齊排列，這時磁化達到飽和。25BHO 矯頑力很小(Hc102Am-1)，磁滯回線窄，所圍的面積小，磁滯損耗小。易磁化和退磁。 軟磁材料如純鐵、硅鋼、坡莫合金、鐵氧體等材料，適用于交變磁場中，常用作變壓器、繼電器、電動機、電磁鐵和發(fā)動機的鐵芯。1、軟磁材料 工業(yè)上依據(jù)鐵磁材料的磁滯回線來決定其用途。根據(jù)磁滯回線的不同，可以將其區(qū)分為軟磁材料和硬磁材料。 高溫時，鐵磁質(zhì)分子的熱運動要破壞磁疇內(nèi)磁矩的有序排列，在臨界溫度（Tc），轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾刨|(zhì)。四、磁性材料的分類26

13、硬磁材料如碳鋼、鎢鋼、鋁鎳鈷合金等材料。因磁化后能保持很強的磁性，并且剩磁不易消除，適用于制成各種類型的永久磁鐵。 矩磁材料的磁滯回線接近于矩形，特點是剩磁Br接近飽和值BS，Hc很小3、矩磁材料 當矩磁材料在不同方向的外磁場磁化后，總是處于+Bs和-Bs 兩種剩磁狀態(tài)，可作電子計算機的“記憶”元件。2、硬磁材料 矯頑力大，剩磁大、磁滯回線寬，所圍的面積大，磁滯特性顯著。BHO27磁屏蔽磁屏蔽示意圖有鐵磁質(zhì)包圍的空腔，不會有外磁場進入腔內(nèi).28例1 一鐵制的螺繞環(huán)平均圓周長30 cm，截面積為lcm2，在環(huán)上均勻繞以300 匝導線，當繞組內(nèi)的電流為0.032A時，環(huán)內(nèi)的磁通量為210-6Wb，

14、試計算 (1)環(huán)內(nèi)磁感應(yīng)強度; (2)環(huán)內(nèi)磁場強度; (3)環(huán)內(nèi)材料的磁導率、相對磁導率 及磁化率; (4) 磁化面電流。目錄結(jié)束分析：由于螺繞環(huán)內(nèi)的磁感應(yīng)強度具有同心圓的軸對稱分布，對均勻密繞的細螺繞環(huán)可認為環(huán)內(nèi)的磁感應(yīng)強度均勻，環(huán)外為零。29解：(1) 環(huán)內(nèi)的磁感應(yīng)強度近似均勻分布，所以磁感應(yīng)強度為：(2) 根據(jù)安培環(huán)路定理：=HlNI=HNIl3000.0320.3=32(A/m )(3) 環(huán)內(nèi)材料的磁導率為：磁導率：=m0.0232=6.2510-4(H/m )相對磁導率：mr=mm04p10-76.2510-4=497=30磁化面電流為：磁化率：方向同導線電流相同。(5) 磁化面電流密度為：31例2. 如圖所示，一根細長的永磁棒沿軸向