大學物理-11.7磁介質

本章基本要求：了解三種磁介質：抗磁質、順磁質、鐵磁質；了解磁介質的磁化現(xiàn)象及其微觀解釋；了解磁場強度的概念以及在各向同性介質中H和B的關系。理解

H

的環(huán)路定理，并能求解有理想磁介質存在時恒定電流的磁場分布；討論磁場和磁介質的相互作用：磁介質的三種類型：順磁質、抗磁質、鐵磁質磁介質對磁場的影響磁場強度及其規(guī)律鐵磁質的特性磁介質主要內容運動電荷磁鐵電流電流運動電荷磁鐵磁場一、磁介質及其分類1.磁介質對磁場的影響

——相對磁導率反映磁介質性質11.7磁介質磁介質2.磁介質的分類(2)順磁質（錳、鉻、鉑、氧）(1)抗磁質（鋅、銅、水銀、鉛）減弱原場增強原場(3)鐵磁質通常不是常數(shù)具有顯著的增強原磁場的性質強磁性物質弱磁性物質在物質的分子中電子繞原子核作軌道運動——軌道磁矩；電子有自旋——自旋磁矩。分子內所有電子的全部磁矩的矢量和，稱為分子的固有磁矩——分子磁矩。分子磁矩可以用一個等效的圓電流來表示。1、分子電流和分子磁矩二、抗磁質與順磁質的磁化S當沒有外磁場作用時：

抗磁質分子：固有磁矩Pm=0，∴∑Pm=0介質不顯磁性；順磁質分子：固有磁矩Pm≠0，由于熱運動仍有∑Pm=0也不顯磁性。分子圓電流和磁矩

無外磁場順磁質的磁化有外磁場順磁質內磁場：2、順磁質和抗磁質的磁化：

無外磁場時抗磁質分子磁矩為零

抗磁質內磁場同向時

反向時抗磁質的磁化抗磁質的磁化

附加磁場B/的方向與外磁場B0方向相反，這就是抗磁效應(抗磁質的磁化與無極分子電介質的極化過程類似)。B/完全由△Pm產(chǎn)生，因為△Pm總是與B0反向，所以B/與B0反方向。順磁質的磁化

即分子磁矩受到一個磁力矩：因為分子固有磁矩Pm>>附加磁矩△Pm（相差兩個數(shù)量級）,ΔPm可以忽略不計,所以,此時的磁化主要是外磁場B0使Pm轉向效應。1.磁化（束縛）電流

以長直螺線管為例：介質磁化以后，由于分子磁矩的有序排列，其宏觀效果是在介質橫截面邊緣出現(xiàn)環(huán)形電流，這種電流稱為“磁化電流”（Is）。三、磁介質中的安培環(huán)路定理抗磁質順磁質抗磁質束縛電流束縛電流L順磁質2.磁介質中的安培環(huán)路定理將安培環(huán)路定理用到磁介質中，并取以r為半徑的閉合同心圓周為積分路徑，則有：其中：在理想磁介質中，有對稱性可知半徑r的圓周上B大小相等方向沿圓周切線，得:另外一方面有：可得：代入磁介質中的安培環(huán)路定理可得：令：定義磁場強度：

磁介質中的安培環(huán)路定理單位：A/m磁介質中的安培環(huán)路定理例11.13一根“無限長”的直圓柱形銅導線，外包一層相對磁導率為μr的圓筒形磁介質，導線半徑為R1，磁介質的外半徑為R2，導線內有電流I通過，電流均勻分布在橫截面上，銅的相對磁導率可取1求：(1)介質內外的磁場強度分布，并畫出H-r圖，加以說明(r是磁場中某點到圓柱軸線的距離)；(2)介質內外的磁感應強度分布，并畫出B-r圖，加以說明.解(1)求H-r關系由于電流分布的軸對稱性，因而磁場分布也有軸對稱性，因此可用安培環(huán)路定理求解.在垂直于軸線的平面上，選擇積分回路L為以圓柱軸線為圓心、r為半徑的圓周，由式(9.60)可得當r≤R1時，

當R1＜r＜R2時，當r＞R2時，畫出H-r曲線，如圖所示.(2)求B-r關系由已求出的介質內外的磁場強度分布，再根據(jù)B＝μH＝μ0μrH確定介質內外的磁感應強度分布.當r＜R1，該區(qū)域在金屬導體內，可作為真空處理，μr＝1，故當R1＜r＜R2，該區(qū)域是相對磁導率為μr的磁介質內，故當r＞R2，該區(qū)域為真空，故畫出B-r曲線，如圖所示.可見，在邊界r＝R1和r＝R2處，磁感應強度B不連續(xù).鐵磁質具有高磁導率、非線性（不是常數(shù)）；存在“磁滯現(xiàn)象”；存在居里溫度等三個顯著特征。四、鐵磁質1）r>>1（即B>>B0）且r不是常數(shù)：而是H（亦即電流I）的函數(shù)，即r=r

H)=r

[H(I)]。因此，這時B與H間無簡單線性關系。2）存在“磁滯現(xiàn)象”(如:在外場撤除后有剩磁)：3）居里溫度：

對應于每一種鐵磁物質都有一個臨界溫度（居里點），超過這個溫度，鐵磁物質就變成了順磁物質。如鐵的居里溫度為1034K。1、磁化曲線1）研究鐵磁質特性的實驗：原理----鐵芯中裝置----原線圈A（待測鐵磁質做鐵芯）副線圈B。

ABGkeH是電流為I時，鐵心中的磁場強度；B是電流為I時，鐵心中的磁感應強度；q是電流從0到I時、通過電流計G的電量；R是副線圈的電阻；N是副線圈的總匝數(shù)；S為環(huán)形鐵心的橫截面積。2）起始磁化特性曲線：

即，B與H不成線性關系，即鐵磁質的磁導率不再是常數(shù)、而是與H有關。在B-H曲線（磁化規(guī)律）中Om段---B隨H增長較慢；

mn段---B隨H迅速增長；

na段----B隨H增長變慢；當H=Ｈs以后，B不隨H增長，磁化達到飽和。0BHsHanmmB不同磁介質的磁化曲線比較抗磁介質鐵磁介質順磁介質Bo矯頑力

當外磁場由逐漸減小時，這種B的變化落后于H的變化的現(xiàn)象，叫做磁滯現(xiàn)象，簡稱磁滯.由于磁滯，時，磁感強度，叫做剩余磁感強度(剩磁).O磁滯回線2、磁滯回線（1）剩磁Br：磁化曲線下降時的B值比起始磁化曲線中同一H所對應的B值為高，當H減少到零時，B不為零，而出現(xiàn)一個剩磁Br。（2）矯頑力HC要使磁鐵完全去磁，必須加上反向外場，只有反向外場HC到某一值才能完全去磁，為去掉剩磁而加上的反向磁場HC就稱為矯頑力。（4）

磁滯損耗：可以證明：B-H曲線所圍的面積正比于反復磁化的一個周期中單位體積的磁介質中損耗的能量。（3）磁滯回線：如果繼續(xù)加大反向磁場，將其反向磁化，并達到反向飽和，若這時逐漸撤除反向外場,其同樣出現(xiàn)反向剩磁，要去掉反向剩磁則必須加上正向矯頑力；再正向磁化，其又可達正向飽和，這樣就組成了一個封閉曲線，這個封閉曲線就叫磁滯回線。改變H時、磁介質反復磁化，分子振動加劇、溫度升高，產(chǎn)生H的電流提供的熱損耗稱為磁滯損耗。3、磁疇1）磁疇即鐵磁質中原子磁矩自發(fā)高度有序排列的磁飽和小區(qū)。鐵磁質內部相鄰原子的磁矩會在一個微小的區(qū)域內形成方向一致、排列非常整齊的“自發(fā)磁化區(qū)”，稱為磁疇。磁疇大?。好總€磁疇所含分子數(shù)：磁疇的幾何線度從微米至毫米、體積約10-12m3，包含1017—1021個原子。無外磁場時、磁疇的磁矩排列雜亂無章，鐵磁質宏觀不顯磁性。量子理論指出：鐵磁質中相鄰原子由于電子軌道的交疊而產(chǎn)生一種“交換耦合效應”使原子磁矩能自發(fā)地有序排列，于是形成堅固的平行排列的大小不等的自發(fā)飽和磁化區(qū)。2）鐵磁質磁化解釋：

①磁飽和：加上外場后，鐵磁質中總是有些磁疇內分子固有磁矩的取向與外場相同或相近。這些自發(fā)磁化方向與外場相同的磁疇的邊界在外場的作用下將不斷地蠶食擴大，而那些自發(fā)磁化方向與外磁方向不同的磁疇的邊界就逐步縮小，故開始時磁化增長較慢，而后增長很快，直到所有磁疇被外場“同化”而達磁飽和。

mn段對應磁疇界壁快速跳躍移動、使一些縮小的磁疇消失，這是不可逆過程、引起了磁滯；na段對應留存的磁疇轉向外磁場方向、直到飽和。在起始磁化特性曲線中，Om段對應自發(fā)磁化區(qū)磁矩方向與外磁場方向相近的磁疇的擴大、自發(fā)磁化區(qū)磁矩方向與外磁場方向相反的磁疇的縮??；剩磁：

在退磁時，由于磁疇邊界的移動是不可逆的，因此，磁化過程和退磁過程也是不可逆的。即在去掉外場后，磁疇在磁化過程中的某種排列被保留下來，這就是剩磁現(xiàn)象――振動和加熱可以促進退磁也能證實這一點。居里點：30%的坡莫合金居里溫度tc=70°C；利用鐵磁質具有居里溫度的特點，可將其制作溫控元件，如電飯鍋自動控溫。原因是在高溫下磁疇瓦解了。如鐵、鈷、鎳的居里點分別為770℃、1115℃、358℃。磁介質達到某一溫度時，鐵磁性消失、介質顯順磁性,這一溫度稱為居里點。當溫度低于

tc時，又由順磁質轉變?yōu)殍F磁質。4、鐵磁質的分類及其應用1）硬磁質磁滯回線較粗，剩磁很大，這種材料充磁后不易退磁，適合做永久磁鐵。如碳鋼、鋁鎳鈷合金和鋁鋼等。

可用在磁電式電表、永磁揚聲器、耳機以及雷達中的磁控等。2）軟磁質磁滯回線細長，剩磁很小。象軟鐵、坡莫合金、硒鋼片、鐵鋁合金、鐵鎳合金等。由于軟磁材料磁滯損耗小，適合用在交變磁場中，如變壓器鐵芯、繼電器、電動機轉子、定子都是用軟磁材料制成。3）非金屬氧化物----鐵氧體

磁滯回線呈矩形，又稱矩磁材料，剩磁接近于飽和磁感應強度，具有高磁導率、高電阻率。

它是由Fe2O3和其他二價的金屬氧化物（如NiO，ZnO等)粉末混合燒結而成?？勺鞔判杂洃浽?/p>

退磁方法1.加熱法當鐵磁質的溫度升高到某一溫度時，磁性消失，由鐵磁質變?yōu)轫槾刨|，該溫度為居里溫度

tc

。當溫度低于tc時，又由順磁質轉變?yōu)殍F磁質。原因：由于加熱使磁介質中的分子、原子的振動加劇，提供了磁疇轉向的能量，使鐵磁質失去磁性。2.敲擊法通過振動可提供磁疇轉向的能量，使介質失去磁性。如敲擊永久磁鐵會使磁鐵磁性減小。3.加反向磁場加反向磁場，提供一個矯頑力Hc,使鐵磁質退磁。4.加交變衰減的磁場BH