大學(xué)物理第11章磁場(chǎng)中的磁介質(zhì)課件

上章我們學(xué)習(xí)了真空中穩(wěn)恒電流激發(fā)的磁場(chǎng)及其規(guī)律。當(dāng)空間有介質(zhì)(導(dǎo)體、絕緣體)存在時(shí)，磁場(chǎng)將與介質(zhì)發(fā)生相互作用，我們把磁場(chǎng)中的介質(zhì)稱為磁介質(zhì)。磁介質(zhì)在外加磁場(chǎng)作用下自身產(chǎn)生附加磁場(chǎng)的過程稱為磁化。本章簡(jiǎn)要介紹磁介質(zhì)的性質(zhì)、磁化的機(jī)制、以及磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理。第十一章磁場(chǎng)中的磁介質(zhì)

與電介質(zhì)的情況類似，穩(wěn)恒磁場(chǎng)中的磁介質(zhì)因磁化而產(chǎn)生磁化電流和附加磁場(chǎng)；磁介質(zhì)內(nèi)的總場(chǎng)為原磁場(chǎng)B0與附加磁場(chǎng)B’的矢量和。一、磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響§11.1磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響但附加磁場(chǎng)并不總是削弱原磁場(chǎng)（這一點(diǎn)和介質(zhì)的極化不同），B’

的方向，隨磁介質(zhì)的材料構(gòu)成而不同。大致可以分為三類：順磁質(zhì)

B'與B0同向，B

>B0抗磁質(zhì)

B'與B0反向，B<B0鐵磁質(zhì)

B'與B0同向，B>>B0，順磁質(zhì)：μr≥1如金屬鋁、錳、鉻等?？勾刨|(zhì)：μr

≤1如金屬金、銀、銅等。鐵磁質(zhì)：μr>>1如金屬鐵、鈷、鎳等。順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的磁性很弱，統(tǒng)稱弱磁質(zhì)，它們的相對(duì)磁導(dǎo)率一般是常數(shù)；鐵磁質(zhì)的磁性很強(qiáng)，且具有非線性和磁滯特性，屬于強(qiáng)磁場(chǎng)物質(zhì)，常常是制作磁鐵的材料，它們的相對(duì)磁導(dǎo)率往往是變化的。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，均勻磁介質(zhì)磁化后，磁介質(zhì)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度與無介質(zhì)時(shí)(真空中)的磁感應(yīng)強(qiáng)度有比例關(guān)系，這就是介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率；（可用均勻介質(zhì)充滿長(zhǎng)直螺線管驗(yàn)證）。順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的磁化可用安培分子電流假說解釋，而鐵磁質(zhì)的磁化很復(fù)雜，后面我們將用磁疇的概念解釋。1.順磁質(zhì)的磁化機(jī)理——順磁性順磁質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：無外磁場(chǎng)時(shí)，順磁質(zhì)中的每個(gè)分子雖然具有磁矩m≠0，但由于分子熱運(yùn)動(dòng)而使其取向無規(guī)則，物質(zhì)分子的總分子磁矩m=0，物質(zhì)對(duì)外不顯磁性。有外磁場(chǎng)時(shí)，各分子磁矩在外磁場(chǎng)力矩的作用下，向外場(chǎng)方向偏轉(zhuǎn)取向，物質(zhì)分子的總分子磁矩m=m≠0，從而產(chǎn)生附加磁場(chǎng)B'。m和B'及Bo同向——順磁性。無外場(chǎng)Bo時(shí)，分子的磁矩排列雜亂無章，介質(zhì)內(nèi)分子磁矩的矢量和m=m=0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m=m≠0對(duì)各向同性（均勻）磁介質(zhì)，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。等效對(duì)各向同性（均勻）磁介質(zhì)，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'。Is⊙對(duì)各向同性（均勻）磁介質(zhì)，磁化電流Is只出現(xiàn)在介質(zhì)表面，介質(zhì)內(nèi)部無磁化電流。

磁化電流Is

可產(chǎn)生附加磁場(chǎng)B'

，但無熱效應(yīng)，因?yàn)闊o宏觀電荷的移動(dòng)，磁化電流束縛在介質(zhì)表面上，不可引出，因此，磁化電流也稱為束縛電流。Is角速度與外磁場(chǎng)同向時(shí)i產(chǎn)生與B0反向的附加電子磁矩m'抗磁質(zhì)的總磁矩m=m'≠0

與B0反向產(chǎn)生與B0反向的附加磁場(chǎng)B’'角速度與外磁場(chǎng)反向時(shí)，可作類似分析而得到相同的結(jié)論。超導(dǎo)體是理想的抗磁體，具有超導(dǎo)性和完全抗磁性。有磁介質(zhì)時(shí)，安培環(huán)路定理是：磁介質(zhì)的總場(chǎng)傳導(dǎo)電流磁化電流三、磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理無磁介質(zhì)時(shí)：根據(jù)實(shí)驗(yàn)規(guī)律所以由于磁化電流的計(jì)算很繁，所以我們從無磁介質(zhì)時(shí)出發(fā)。定義磁場(chǎng)強(qiáng)度：例1、長(zhǎng)直單芯電纜的芯是一根半徑為R的金屬導(dǎo)體，它與外壁之間充滿均勻磁介質(zhì)，電流從芯流過再沿外壁流回。求介質(zhì)中磁場(chǎng)分布。方向沿圓的切線方向解：取如圖所示安培回路例2：P140,例11.1。電介質(zhì)中的高斯定理磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理§11.2鐵磁質(zhì)

在工程技術(shù)上常用的磁介質(zhì)是鐵磁質(zhì)，如電機(jī)、變壓器和電表等。鐵磁質(zhì)有如下特點(diǎn)：1．在外磁場(chǎng)作用下能產(chǎn)生很強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；μ>>12．當(dāng)外磁場(chǎng)停止作用時(shí)，仍能保持其磁化狀態(tài)；3．B與H之間不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系（與順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)不同）；4．鐵磁質(zhì)都有一臨界溫度。在此溫度（居里溫度）之上，鐵磁性完全消失而成為順磁質(zhì)。

Fe(1040K)Co(630K)Ni(1390K)磁化曲線——磁介質(zhì)內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H的變化關(guān)系曲線。OHBABCS一、鐵磁介質(zhì)的磁化機(jī)理——磁疇1.磁疇磁疇——鐵磁質(zhì)中因電子自旋而引起的強(qiáng)烈相互作用，在鐵磁質(zhì)內(nèi)形成磁性很強(qiáng)的小區(qū)域。磁疇的體積約為10-12m3

。

在無外磁場(chǎng)時(shí)，各磁疇排列雜亂無章，鐵磁質(zhì)不顯磁性；在外磁場(chǎng)中，各磁疇沿外場(chǎng)轉(zhuǎn)向，介質(zhì)內(nèi)部的磁場(chǎng)迅速增加，在鐵磁質(zhì)充磁過程中伴隨著發(fā)聲、發(fā)熱。二、鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律——磁滯回線1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?

確定鐵磁質(zhì)內(nèi)的B隨外場(chǎng)H的變化關(guān)系,確定其磁導(dǎo)率m的特點(diǎn)和鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律。a2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果o~a:

起始磁化曲線，未經(jīng)磁化的鐵磁質(zhì),起始時(shí),B

隨H

而增大,到a點(diǎn)達(dá)到飽和。bBrBHoa~b:當(dāng)外磁場(chǎng)減小時(shí)，介質(zhì)中的磁場(chǎng)并不沿起始磁化曲線返回，而是滯后于外磁場(chǎng)變化——磁滯現(xiàn)象,當(dāng)H=0時(shí),B=Br≠0，Br——剩磁。b~c

:加上反向外磁場(chǎng)，則B

繼續(xù)減小,當(dāng)H=-Hc時(shí)，B=0，Hc稱為矯頑力,即為了消除剩磁所需加的反向外磁場(chǎng)Hc

。BrHcBHoac~d：繼續(xù)增加反向磁場(chǎng)，介質(zhì)達(dá)到反向磁飽和狀態(tài)。d~e~f：改變外磁場(chǎng)為正向磁場(chǎng)，不斷增加外場(chǎng)，介質(zhì)又達(dá)到正向磁飽和狀態(tài)。bcdef磁滯回線——閉合曲線abcdefa。實(shí)驗(yàn)結(jié)論鐵磁質(zhì)具有非線性，其m值具有非單值性，與磁化的歷史有關(guān)。鐵磁質(zhì)會(huì)出現(xiàn)磁滯和剩磁現(xiàn)象。

由于超導(dǎo)體內(nèi)電阻為0，超導(dǎo)電流不會(huì)產(chǎn)生熱量，超導(dǎo)電流也就不會(huì)消失，超導(dǎo)體一直會(huì)懸浮在磁場(chǎng)中。利用這種現(xiàn)象可制成超導(dǎo)重力儀，用來預(yù)測(cè)地震，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生之前，地表面的重力場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，超導(dǎo)球的位置也會(huì)發(fā)生變化，由此來預(yù)測(cè)地震。還可制造超導(dǎo)磁懸浮列車，世界上最快的磁懸浮列車時(shí)速超過500公里/小時(shí)。2.超導(dǎo)體的應(yīng)用無損耗輸電。傳統(tǒng)輸電過程中總要產(chǎn)生一部分焦耳熱損耗，一般在10%~20%，如果采用超導(dǎo)體輸電，幾乎沒有電能損失，而且不需要升壓，可以不用變壓器設(shè)備，也不必架設(shè)高壓線，可以在地下管道中。甚至可以直接傳輸直流電。產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)。因超導(dǎo)體無熱損耗，可通過很大電流，如用超導(dǎo)芯線為Nb3Sn。其最大電流密度為10