《磁介质中的磁场》PPT课件.ppt

1,第7章,磁介质中的磁场,在静电场中放入电介质之后，将使电介质发生极化，而极化的电介质产生的极化电荷反过来又会影响原来的场分布，这就是场与物质的相互作用。与此类似，在磁场中放入磁介质时，磁介质将产生磁化现象，磁介质的磁化会产生附加磁场，这又是一种场与物质的相互作用。,2, 7-8 磁介质,1、磁介质的磁化,磁介质在磁场的作用所发生的变化磁介质的磁化 真空中的磁感应强度为 ，磁介质磁化而产生的附加磁场为 ，则此时磁场中任一点的磁感应强度为,的方向，随磁介质的不同而不同。,在磁介质磁化时，其附加磁场可使原磁场减弱、增强或大大增强。相应的磁介质称为抗磁质、顺磁质或铁磁质。,一、磁介质中的 磁场,3,2. 相对磁导率和磁导率,对无限长真空螺线管在充满磁介质之后，其内部的磁感应强度为,定义磁介质的磁导率,单位: 韦伯/（安培米）,充满磁介质的长直螺线管中磁感应强度为,4,3、顺磁质、抗磁质、铁磁质,按磁介质在磁化时的磁性分，可将其分成顺磁质、抗磁质和铁磁质三类。,顺磁质：,铝、铬、氧等一类物质均属顺磁质。,抗磁质：,铜、铋、锑及惰性气体等一类物质均属抗磁质。,铁磁质：,铁磁质的相对磁导率很大，且磁性起源与前两种完全不同，铁、镍、钴及其合金均属铁磁质。,5,答案C,1. 磁介质有三种，用相对磁导率 表征它们各自的特性时， (A) 顺磁质 0，抗磁质 1 (B) 顺磁质 1，抗磁质 =1，铁磁质 1 (C) 顺磁质 1，抗磁质 1 (D) 顺磁质 0,6,类似电介质的讨论，从物质电结构来说明磁性的起源。,（1） 分子电流和分子磁矩,4、顺磁质和抗磁质的磁性起源,在物质的分子中任何一个电子都不停地同时参加两种运动，即电子绕原子核作的轨道运动和电子本身的自旋，这两种运动都等效于一个电流分布，因而能产生磁效应。 分子或原子各个电子对外界所产生磁效应的总和，可用一个等效圆电流表示，统称为分子电流。 电子作轨道运动：轨道磁矩 电子有自旋 ：自旋磁矩,7,分子磁矩在外磁场中受到 磁力矩，使它向磁场方向 偏转，且按统计规律取向,除此之外，分子磁矩在外磁场中还有绕磁场的进动。,分子内所有电子的全部磁矩的矢量和，称为分子的固有磁矩分子磁矩。,绕磁场进动附加一磁矩 与外场 反向。,8,(2) 抗磁质磁化机理电子轨道在外磁场作用下发生变化,无外磁场： 分子中所有的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和为零，即固有磁矩等于零，所以不显磁性。,加外磁场： 分子中电子的轨道运动将受到影响 引起与外磁场的方向相反的附加轨道磁矩 出现与外磁场方向相反的附加磁场 磁感应强度比外磁场的度要略小一点。,9,顺磁质分子中存在着永久的具有一定磁矩的分子电流。在没有外磁场时，由于分子的热运动，这些分子电流的取向是不规则的，因此它们所产生的磁场平均起来等于零，对外不显示磁性。,(3) 顺磁质磁化机理来自分子的固有磁矩,存在外磁场时，顺磁质的分子电流受到外场的取向作用，它们的磁矩将转向外磁场的方向，产生沿外磁场方向的附加磁场。这就是顺磁质磁化的原因。,10,5、磁化强度矢量,1）磁化强度矢量,介质磁化得愈厉害，分子电流排列愈整齐，分子磁矩的矢量和越大。,定义：单位体积内分子磁矩的矢量和。,对于顺磁质， 可以忽略；对于抗磁质， ，对于真空，,11,2）磁化强度矢量与分子电流关系,设充满均匀磁介质的无限长螺线管通电流，磁介质被均匀地磁化，存在有规则的分子电流，每个分子电流皆与该点处的磁化强度矢量成右手螺旋关系，如图所示。,圆柱体内部电流互相抵消；沿圆柱体边缘流动的分子电流未抵消，圆柱体内分子电流的效果，等于沿圆柱表面上分布的电流的效果，电流的磁场与螺线管电流磁场相似。,12,12,磁化面电流也称为 束缚面电流或分子电流。,磁化面电流线密度 在垂直于电流流动方向上 单位长度的分子面电流。,在l长的介质表面束缚分子 面电流为 IS,设介质的截面积 S，则有：,13,二、 磁介质中的磁场 磁场强度H,应用安培环路定律,1. 磁介质中的安培环路定律,14,代入安培环路定律,磁介质中的安培环路定理,传导电流,15,沿任一闭合路径磁场强度的环流等于该 闭合路径所包围的传导电流的代数和。,物理意义,H 的环流仅与传导电流 I 有关,与磁介质无关。 (当 I相同时，尽管介质不同，H在同一点上 也不相同，然而环流却相同。因此可以用它 求场量 ，就象求 那样。),磁场强度H的单位：安培/米(A/m) SI,1奥斯特=103/4(A/m),1高斯=10 -4特斯拉,16,实验规律,磁化率,相对 磁导率,绝对磁导率,顺磁质： 0，r1，M与B同向 抗磁质： 0，r1，M与B反向,17,几种特殊情况中的磁场强度矢量：,18,螺线管内介质中的总场强为,磁场强度另一单位是奥斯特,19,电介质中的高斯定理,磁介质中的安培环路定理,20,21,磁场强度的表达式为,无磁介质的螺绕环内的磁感应强度为,22,两者的比值关系为,23,例 有两个半径分别为 和 的“无限长”同轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁导率为 的磁介质.当两圆筒通有相反方向的电流 时，试 求（1）磁介质中任意点 P 的磁感应强度的 大小;（2）圆柱体外面一点 Q 的 磁感强度.,解 对称性分析,24,同理可求,如果要求磁介质内表面的磁化电流,解：,所以在r处有，,26,例：长直单芯电缆的芯是一根半径为R 的金属导体，它与外壁之间充满均匀磁介质，电流从芯流过再沿外壁流回。求磁介质中磁场分布及与导体相邻的磁介质表面的束缚电流。,方向沿圆的切线方向,方向与轴平行,磁介质内表面的总束缚电流,27,顺磁质,抗磁质,束缚电流与传导电流反向!,束缚电流与传导电流同向!,28,答案D,1. 用细导线均匀密绕成长为l、半径为a (l a)、总匝数为N的螺线管，管内充满相对磁导率为 的均匀磁介质若线圈中载有稳恒电流I，则管中任意一点的 (A) 磁感强度大小为B = NI (B) 磁感强度大小为B = NI / l (C) 磁场强度大小为H = NI / l (D) 磁场强度大小为H = NI / l,29,三、 铁磁质,1、铁磁质的特性： 1在外磁场作用下能产生很强的磁感应强度； 2当外磁场停止作用时，仍能保持其磁化状态； 3B与H之间不是简单的线性关系； 4铁磁质都有一临界温度。 在此温度之上，铁磁性完全消失而成为顺磁质居里温度或居里点。 铁1043 0C 镍630 0C 钴1390 0C 铁磁质的起因可以用“磁畴”理论来解释。,30,2、磁畴,概念： 铁磁质内的电子之间因自旋引起的相互作用非常强烈，在铁磁质内部形成了一些微小区域，叫做磁畴。 每一个磁畴中，各个电子的自旋磁矩排列得很整齐。 磁畴大小约为10171021个原子/10-18米3。,磁畴的显示： 磁畴的变化可用金相显微镜观测,在无外磁场的作用下磁畴取向平均抵消，能量最低，不显磁性。,31,3、磁化曲线,装置： 环形螺绕环,实验测量B。,原理: 励磁电流 I；用安培定理得H,磁化曲线： 铁磁质m 很大，且随外磁场而变化，B与H之间为非线性关系。,32,初始磁化曲线： OM，H 增加，B 增加 MN，H 变大，B 急剧增大， NP，H 增加，B增加，增加十分缓慢 P， H增加 ，B到饱和状态 当全部磁畴都沿外磁场方向时，铁磁质的磁化就达到饱和状态。 饱和磁化强度MS等于每个磁畴中原来的磁化强度，该值很大，这就是铁磁质磁性r大的原因。,磁化曲线的重要 根据BH之间的关系，若已知一个量可求出另一个量。 在设计电磁铁，变压器以及一些电气设备时，磁化曲线是很重要的实验依据。,33,B的变化落后于H的变化的现象，叫做磁滞现象，简称磁滞,剩磁Br： 当磁场强度减小到零时，磁感应强度并不等于零，而是仍有一定的数值Br ， Br叫做剩余磁感应强度，简称剩磁。,饱和磁感应强度BS： 所有磁畴都与外场方向一致。相应的磁场强度称为饱和磁场强度，磁感应强度称为饱和磁感应强度。,矫顽力HC： 当H=-Hc时，铁磁质的剩磁就消失了，铁磁质不显磁性。通常把Hc叫做矫顽力。,4、磁滞回线,铁磁质在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高的，要损失能量，称为磁滞损耗，磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。,磁滞 现象是由于掺杂和内应力等的作用，当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状，而表现出来。,34,5、铁磁性材料,软磁材料： 特点：相对磁导率和饱和B一般都较大，但矫顽力小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小。易磁化、易退磁。 例子：如纯铁，硅钢坡莫合金，铁氧体等。 应用：适宜制造电磁铁、变压器、交流发电机、继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒等。,1、金属磁性材料,35,硬磁材料： 特点：剩磁和矫顽力比较大，磁滞回线所围的面积大，磁滞损耗大，磁滞特性非常显著 例子：钨钢，碳钢，铝镍钴合金等。 应用：适合作永久磁铁，磁电式电表中的永磁铁，耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。,铁氧体，又叫铁淦氧，是由三氧化二铁和其它二价的金属氧化物的粉末混合烧结而成，常称为磁性瓷。如锰镁铁氧体、锂锰铁氧体等,2、非金属磁性材料矩磁材料：,特点：Br=BS ，Hc不大，磁滞回线是矩形。 用途：用于记忆元件，当+脉冲产生HHC使磁芯呈+B态，则脉冲产生H HC使磁芯呈 B态，可做为二进制的两个态。,36,1. 软磁材料的特点是 _， 它们适于用来制造 _ 等,磁导率大，矫顽力小，磁滞损耗低,变压器，交流电机的铁芯等,37,2. 图示为三种不同的磁介质的BH关系曲线，其中虚线表示的是B = H的关系说明a、b、c各代表哪一类磁介质的BH关系曲线： a代表_的BH关系曲线 b代表_的BH关系曲线 c代表_的BH关系曲线,铁磁质,顺磁质,抗磁质,38,3. 有很大的剩余磁化强度的软磁材料不能做成永 磁体，这是因为软磁材料_， 如果做成永磁体_.,矫顽力小,容易退磁,39,稳恒磁场小结,1. 毕奥萨伐尔定律,整个稳恒电流回路L在场点P产生的磁感应强度为：,40,几种典型稳恒电流的磁场：,(1) 有限长载流直导线的磁场：,(2) 无限长载流直导线的磁场：,延长线上：,(3) 半无限长载流直导线的磁场：,41,(4) 载流圆线圈轴线上的磁场：,在圆心处的磁场：,在无穷远处的磁场，即xR：,42,无限长：,(5) 有限长载流螺线管轴线上的磁场：,半无限长：,有介质无限长：,43,(6) 载流细螺绕环的磁场：,(7) 无限大载流薄平板的磁场：,i 为电流面密度,(8) 运动电荷的磁场：,44,2. 磁通量和磁高斯定理,在磁场中穿过任意曲面S的磁场线条数称为穿过该面的磁通量,磁高斯定理：通过任意闭合曲面S的磁通量恒等于零,45,3. 安培环路定理,在稳恒电流的磁场中，磁感应强度B沿任何闭合回路