大學(xué)物理下第12章磁場中的磁介質(zhì)

磁場中的磁介質(zhì)第十二章12-1

磁介質(zhì)磁化強(qiáng)度磁介質(zhì)——能與磁場產(chǎn)生相互作用的物質(zhì)磁化——磁介質(zhì)在磁場作用下所發(fā)生的變化一、物質(zhì)磁性的概述RI無磁介質(zhì)時(shí)：RI磁介質(zhì)加入磁介質(zhì)后附加磁場根據(jù)的大小和方向可將磁介質(zhì)分為四大類RI錳、鉻、氮?dú)?---1）此種磁介質(zhì)稱為順磁質(zhì)RI銀、銅、氫….2）此種磁介質(zhì)稱為抗磁質(zhì)弱磁質(zhì)RI鐵、鈷、鎳及其合金3）此種磁介質(zhì)稱為鐵磁質(zhì)強(qiáng)磁質(zhì)4)超導(dǎo)體B=0二、分子電流與分子磁矩電子繞核的軌道運(yùn)動(dòng)電子本身自旋等效于圓電流——分子電流分子磁矩分子磁矩在外磁場中受到磁力矩作用，使它向磁場方向偏轉(zhuǎn)物質(zhì)的抗磁性：分子磁矩受到的力矩角動(dòng)量定理繞磁場進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生一附加磁矩與原磁場方向相反1、順磁質(zhì)分子的固有磁矩不為零無外磁場作用時(shí)，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，分子磁矩取向各不相同,整個(gè)介質(zhì)不顯磁性。三、磁介質(zhì)的順磁性與抗磁性有外磁場時(shí)，分子磁矩要受到一個(gè)力矩的作用，使分子磁矩轉(zhuǎn)向外磁場的方向。分子磁矩產(chǎn)生的磁場方向和外磁場方向一致，順磁質(zhì)磁化結(jié)果，使介質(zhì)內(nèi)部磁場增強(qiáng)。（順磁質(zhì)）得多,忽略不計(jì)。因此磁介質(zhì)中的磁場是加強(qiáng)了。指出一點(diǎn)：附加磁矩與相比要小2、抗磁質(zhì)分子的固有磁矩為零在外磁場作用下產(chǎn)生附加磁矩電子的附加磁矩總是削弱外磁場的作用。抗磁性是一切磁介質(zhì)共同具有的特性?？偱c外磁場方向反向任一體積元中3、介質(zhì)磁化的過程如下：在外場中順磁質(zhì)抗磁質(zhì)在外場中四、磁化強(qiáng)度與磁化電流1、定義磁化強(qiáng)度：在被磁化的磁介質(zhì)中，單位體積內(nèi)分子磁矩的矢量和。分子的固有磁矩的矢量和附加磁矩的矢量和討論：在磁介質(zhì)被磁化后也可以不同，非均勻磁化（1）可以相同，均勻磁化（2）對(duì)于順磁質(zhì)：附加磁場與原磁場同向?qū)τ诳勾刨|(zhì)：附加磁場與原磁場反向磁化電流分子電流的宏觀表現(xiàn)Is——磁化面電流，安培表面電流αs——沿軸線單位長度上的磁化電流（磁化面電流密度）2、磁化強(qiáng)度與磁化電流的關(guān)系取如圖所示的積分環(huán)路abcda:磁化強(qiáng)度對(duì)閉合回路L的線積分，等于穿過以L為周界的任意曲面的磁化電流的代數(shù)和。磁化強(qiáng)度M在量值上等于磁化面電流密度。adcbS一、磁介質(zhì)中的高斯定理通過磁場中任一閉合曲面的總磁通量為零磁介質(zhì)中的高斯定理12-2介質(zhì)中的磁場磁場強(qiáng)度真空中二、磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理定義磁場強(qiáng)度在穩(wěn)恒磁場中，磁場強(qiáng)度矢量沿任一閉合路徑的線積分（即環(huán)流）等于包圍在環(huán)路內(nèi)各傳導(dǎo)電流的代數(shù)和，而與磁化電流無關(guān)。單位：安培/米(A/m)幾點(diǎn)說明：1）是一輔助物理量，描述磁場的基本物理量仍然是（名稱張冠李戴了）3）是一普遍關(guān)系式，可以寫成：2）的單位是A/m（SI制）三、各向同性的磁介質(zhì)介質(zhì)的磁導(dǎo)率令：稱為相對(duì)磁導(dǎo)率電介質(zhì)中的高斯定理磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理

稱為相對(duì)電容率或相對(duì)介電常量之間的關(guān)系之間的關(guān)系稱為相對(duì)磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率介電常量例1一環(huán)形螺線管，管內(nèi)充滿磁導(dǎo)率為μ，相對(duì)磁導(dǎo)率為μr的順磁質(zhì)。環(huán)的橫截面半徑遠(yuǎn)小于環(huán)的半徑。單位長度上的導(dǎo)線匝數(shù)為n。

求：環(huán)內(nèi)的磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度解：例2一無限長載流圓柱體，通有電流I，設(shè)電流

I

均勻分布在整個(gè)橫截面上。柱體的磁導(dǎo)率為μ，柱外為真空。求：柱內(nèi)外各區(qū)域的磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度。解：IR在分界面上H

連續(xù),B

不連續(xù)IR練習(xí)一磁導(dǎo)率為1的無限長圓柱形直導(dǎo)線，半徑為R1，其中均勻地通有電流I。在導(dǎo)線外包一層磁導(dǎo)率為2

的圓柱形不導(dǎo)電的磁介質(zhì)，其外半徑為

R2，如圖所示。求磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布。21IR2R1解：由安培環(huán)路定律21IR2R1練習(xí)一電纜由半徑為R1的長直導(dǎo)線和套在外面的內(nèi)、外半徑分別為R2和R3的同軸導(dǎo)體圓筒組成，其間充滿相對(duì)磁導(dǎo)率為μr的各向同性非鐵磁質(zhì)。電流I由中心導(dǎo)體流入，由外面圓筒流回。求磁場分布。解：由介質(zhì)中的安培環(huán)路定理無限長直電流的磁場圓電流中心的磁場長螺線管電流中部的磁場環(huán)形長螺線管中部的磁場無限大均勻磁介質(zhì)中磁場的畢-薩定律靜電場與靜磁場的比較靜電場靜磁場（穩(wěn)恒磁場）對(duì)應(yīng)量高斯定理環(huán)路定理性質(zhì)方程1、鐵磁質(zhì)的特性12-3

鐵磁質(zhì)一、鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律（1）能產(chǎn)生特別強(qiáng)的附加磁場,使磁介質(zhì)中的遠(yuǎn)大于,其值可達(dá)幾百、甚至幾千以上（2）鐵磁質(zhì)的磁導(dǎo)率不是常量，與不是線性關(guān)系（3）磁化強(qiáng)度隨外磁場而變，其變化落后于外磁場的變化，而且在外磁場停止作用后，仍保留部分磁性里點(diǎn)，當(dāng)溫度超過居里點(diǎn)時(shí)，鐵磁質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾刨|(zhì)。（4）一定的鐵磁材料存在一特定的臨界溫度—居2、磁化曲線磁強(qiáng)計(jì)測量B,如用感應(yīng)電動(dòng)勢測量或用小線圈在縫口處測量；由得出曲線鐵磁質(zhì)的不一定是個(gè)常數(shù)，它是的函數(shù)原理:

勵(lì)磁電流I;

用安培定理得H05101520磁強(qiáng)計(jì)AB和H也不是線性關(guān)系初始磁化曲線.......矯頑力飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度磁滯回線剩磁3、磁滯回線

B的變化落后于H，從而具有剩磁，即磁滯效應(yīng)。磁滯回線--不可逆過程在交變電流的勵(lì)磁下反復(fù)磁化使其溫度升高的磁滯損耗與磁滯回線所包圍的面積成正比。①磁化過程不可逆④存在損耗②M、B、H不是線性關(guān)系，且非單值每個(gè)H對(duì)應(yīng)不同的B，與磁化的歷史有關(guān)。③去磁在沒有達(dá)到飽和值之前，減小外磁場，反復(fù)進(jìn)行二、鐵磁質(zhì)內(nèi)的磁疇結(jié)構(gòu)根據(jù)現(xiàn)代理論，鐵磁質(zhì)相鄰原子的電子之間存在很強(qiáng)的“交換耦合作用”，使得在無外磁場作用時(shí)，電子自旋磁矩能在小區(qū)域內(nèi)自發(fā)地平行排列，形成自發(fā)磁化達(dá)到飽和狀態(tài)的微小區(qū)域。這些區(qū)域稱為“磁疇”。相互間有一很薄的過渡層稱為疇壁。多晶磁疇結(jié)構(gòu)示意圖1、自發(fā)磁化和磁疇2、鐵磁質(zhì)的磁化機(jī)理（1）無外磁場時(shí)，各磁疇的磁化方向不同，對(duì)外不顯磁性。（2）在外磁場作用下，磁疇發(fā)生變化。A

外磁場較弱時(shí)，凡磁矩方向與外磁場相同或相近的磁疇都要擴(kuò)大（疇壁向外移動(dòng)）。B

隨著外磁場的不斷增強(qiáng)，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轉(zhuǎn)向，再增大外磁場，所有磁疇沿外場方向整齊排列，這時(shí)磁化達(dá)到飽和。（3）

疇壁的外移及磁疇磁矩的取向是不可逆的，當(dāng)外磁場減弱或消失時(shí)磁疇不按原來變化規(guī)律逆著退回原狀。這解釋了磁滯的原因。（4）既然磁疇起因于電子自旋磁矩的自發(fā)有序排列，而熱運(yùn)動(dòng)是有序排列的破壞者，因而當(dāng)溫度高于某一臨界時(shí)，磁疇就不復(fù)存在，鐵磁質(zhì)就變?yōu)槠胀槾刨|(zhì)。這一臨界溫度叫居里點(diǎn)。把一塊有剩磁的鐵磁質(zhì)加熱至居里點(diǎn)以上再冷卻，其剩磁會(huì)完全消失。例如，鐵的居里點(diǎn)是1043K。順磁性

來自分子的固有磁矩。抗磁性

起因于電子的軌道運(yùn)動(dòng)在外磁場作用的變化。鐵磁性

起因于電子自旋磁矩的自發(fā)有序排列。三種磁介質(zhì)起因的比較顯示磁疇結(jié)構(gòu)的鐵粉圖形純鐵硅鐵鈷三種鐵磁性物質(zhì)的磁疇Si-Fe單晶(001)面的磁疇結(jié)構(gòu)箭頭表示磁化方向三、鐵磁質(zhì)的應(yīng)用1、軟磁材料特點(diǎn)：①矯頑力小，（）磁滯特性不明顯，磁滯損耗低，磁滯回線成細(xì)長條。②大，易磁化，也易退磁用途：適用于交變磁場中電子設(shè)備中的各種電感元件、變壓器、鎮(zhèn)流器，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)中的鐵芯等。繼電器、電磁鐵的鐵芯也用軟磁材料。純鐵，硅鋼坡莫合金(Fe，Ni)，鐵氧體等。2、硬磁材料——作永久磁鐵鎢鋼，碳鋼，鋁鎳鈷合金3、矩磁材料——作存儲(chǔ)元件Br=BS

，Hc不大，磁滯回線是矩形。用于記憶元件，當(dāng)+脈沖產(chǎn)生H>HC使磁芯呈+B態(tài)，則–脈沖產(chǎn)生H<–

HC使磁芯呈–B態(tài)，可做為二進(jìn)制的兩個(gè)態(tài)。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。錳鎂鐵氧體，鋰錳鐵氧體例1、圖示為三種不同的磁介質(zhì)的B~H關(guān)系曲線，其中虛線表示的是B=oH的關(guān)系。a、b、c各代表哪一類磁介質(zhì)的B~H關(guān)系曲線：a代表的B~H關(guān)系曲線。鐵磁質(zhì)b代表的B~H關(guān)系曲線。c代表的B~H關(guān)系曲線。順磁質(zhì)抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)和順磁質(zhì)的B和H間是線性關(guān)系,相對(duì)磁導(dǎo)率r與1相差不大。在一般性(精度要求不高)的問題中，可以把抗磁質(zhì)和順磁質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率r看作是1。BHabc對(duì)鐵磁質(zhì)，B和H間是非線性的,相對(duì)磁導(dǎo)率r>>1。

例2、一矩磁材料具有矩形磁滯回線，如圖（1）所示，外加磁場一超過矯頑力，磁化方向就立即翻轉(zhuǎn)。矩磁材料可以用于制作電子計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)元件的環(huán)形磁芯。圖（2）為這樣的磁芯，其外直徑為0.8mm，內(nèi)直徑為0.5mm，高為0.3mm，若磁芯原來已被磁化，方向如圖?，F(xiàn)需使磁芯中自內(nèi)到外的磁化方向全部翻轉(zhuǎn)，長直導(dǎo)線中脈沖電流im的峰值至少需多大？設(shè)磁芯矩磁材料的矯頑力為（1）（2）解：假定磁芯中的磁感應(yīng)線為與磁芯共軸的同心圓，則由安培環(huán)路定理則載流直導(dǎo)線在磁芯中產(chǎn)生的磁場強(qiáng)