《磁场中的磁介质》PPT课件.ppt

上章讨论了电流和运动电荷在真空中产生的磁场。,本章将讨论电流和运动电荷在实物（称之为磁介质） 中产生的磁场。,主要任务,* 以实物物质的电结构为基础简单说明磁介质 的三种类型：顺磁质、抗磁质、铁磁质。,* 类似讨论电介质的方法研究磁介质对磁场的影响。,介绍描述磁介质中磁场的物理量磁场强度 、 磁化强度 以及它们所遵守的普遍规律。,* 介绍工程技术上广泛应用的铁磁质的特性,9.1 磁介质对磁场的影响,9.2 磁介质的磁化,9.3 有磁介质时磁场的规律,9.4 铁磁质,本章目录,9.1 磁介质对磁场的影响,磁介质（magnetic medium）是能够影响磁场分布的物质。,传导电流 ，,介质磁化,均匀各向同性介质,有：,r 相对磁导率 （relative permeability）,长直密绕螺线管,总磁感强度,充满磁场所在空间时，, 弱磁质，, 顺磁质（paramagnetic substance）,如：Mn ，Al，O2，N2 , 抗磁质（diamagnetic substance）,如：Cu，Ag，Cl2，H2 , 铁磁质（ferromagnetic substance）,如：Fe，Co，Ni ,磁介质的分类：,一 . 分子磁矩和分子电流,电子轨道磁矩,电子自旋磁矩,原子核的磁矩,( molecular magnetic moment ),分子电流 i分,9.2 磁介质的磁化,在磁场作用下，,二. 磁介质的磁化,磁化（magnetization）：,介质出现磁性或磁性发生变化的现象。,1. 顺磁质的磁化,顺磁质分子有固有的分子磁矩（主要是电子,m分 10-23Am2。,热运动使 完全,混乱，不显磁性。,轨道和自旋磁矩的贡献），,2 . 抗磁质的磁化,抗磁质的分子固有磁矩为 0。,不显磁性,显示抗磁性,为什么 反平行于 呢？,以电子的轨道运动为例，,第 i 个电子受的磁力矩,电子轨道角动量增量, 电子旋进，它引起的感应,这种效应在顺磁质中也有，,不过与分子固有磁矩的转向效应相比弱得多。,1. 磁化强度:,为了表征物质的宏观磁性或介质的磁化程度，定义磁化强度矢量：,单位体积内分子磁矩的矢量和。 它带来附加磁场 的贡献。,它与介质特性、温度与统计规律有关。,单位：安培/米 (A/m),三.磁化强度与磁化电流,（magnetization and magnetization current）,实验证明在顺磁质和抗磁质以及弱场中的铁磁质中有：,实验表明：顺磁质和抗磁质，,铁磁质， 和 呈非线性关系，而且是非单值对应关系。,2. 磁化电流:,在均匀外磁场中，磁介质被磁化，在介质表面未被抵消的分子电流沿着相同的方向流动，总效果相当于圆柱体介质表面上有一层电流流过，这称为磁化电流或束缚电流。,3. 磁化强度和磁化电流的关系:,顺磁质 与 同向， 所以 与 同方向,抗磁质 与 反向， 所以 与 反方向， （只有附加磁矩）,介质内：,穿过L所围曲面S 的磁化电流,则套住 dl 的分子电流：,S,设分子浓度为 n，,介质表面：,选,磁化面电流密度,磁化强度沿任一回路的环流，等于穿过 此回路的束缚电流 i的代数和。 i与L环 绕方向成右旋者为正，反之为负。,物理意义,与电介质中对比的公式,电极化强度,束缚电荷,束缚面电流,磁化强度,9.3 有介质时的高斯和安培环路定理, 磁介质中的高斯定理,磁力线无头无尾。穿 过任何一个闭合曲面 的磁通量为零。,磁感应强度 是外加磁场 与介质 内束缚电流产生的 的合场强.,一. 磁介质中的高斯和安培环路定理, 磁介质中的安培环路定理,束缚电流,传导电流,有磁介质的总场,整理：,定义磁场强度 则有：,沿任一闭合路径磁场强度的环流等于该 闭合路径所包围的自由电流的代数和。,物理意义,H 的环流仅与传导电流 I0 有关,与介质无关。 (当 I0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) Oe,1高斯=104特斯拉,电介质中的高斯定理,磁介质中的安培环路定理,称为相对电容率 或相对介电常量。, 之间的关系, 之间的关系,实验规律 量纲,电磁场的 本构方程,描述真空中电磁场和 介质中电磁场的关系式,证明这里的 就是前面所说的,与 均为纯数或张量，描述磁介质特性的物理量。,二. 环路定理的应用举例,例1,介质中闭合回路L所套联的分子电流为：,证：,L可任取，且可无限缩小，,故 I0 = 0 处，I = 0 。,无传导电流处，也无磁化电流。,证明在各向同性均匀磁介质内，,电流密度为 j（沿z），,导体相对磁导率为r ，,求：,解：,且,有,例2,如图示，已知均匀载流无限大厚平板,板外：,对图示矩形回路 L，,板内：,有,对图示矩形回路 L，,有,求磁化面电流密度,上表面：,下表面：,（同上表面）,解：管外磁场为零，取如图所示回路,顺磁质,例题三：长直螺旋管内充满均匀 磁介质( )，设励磁电流 ，单 位长度上的匝数为 。求管内的 磁感应强度和磁介质表面的面束 缚电流密度。,例题四：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。求介质中磁场分布 及与导体相邻的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,解：,解：设平均半径为R，线圈总 匝数N，通有电流 I0，取与环 同心的半径为R的圆为环路,磁化场就是空心螺绕环的,例题五：计算充满磁介质的螺绕环内的磁感应强度 已知磁化场的磁感应强度为 ，介质的磁化强度 。,各电子的自旋磁矩靠交换耦合作用使方向一致，,9.4 铁磁质（ferromagnetic substance）,一. 磁畴（magnetic domain）,从而形成自发的均匀磁化小区域 磁畴。,铁磁质中起主要作用的是电子的自旋磁矩。,未加磁场,在磁场 B 中,各种材料磁畴线度相差较大：,磁畴体积约为10-6(mm)3，,一个磁畴中约有10121015个原子。,易磁化方向由晶体结构决定。,磁畴磁矩沿某个易磁化方向(direction of easy,所有的磁畴为什么不形成一个磁化整体呢？,静磁能高 交换能低,静磁能低 交换能高,矛盾因素协调平衡，才使铁磁体整体能量最低。,magnetization)排列。,二 . 铁磁质的磁化规律,铁磁质 关系非线性，,也不单值，,形式上表示为,也不唯一。,1. 起始磁化曲线,由此可得到B H曲线：,i 起始磁导率,m 最大磁导率,BS 饱和磁感强度（saturation magnetic induction）,BH曲线, H曲线,（饱和）,2.磁滞回线（hysteresis loop）,B落后于H的变化，称为磁滞现象。,Br 剩余磁感强度 （remanent magnetic induction）,Hc 矫顽力（coercive force）,磁滞是由于晶体缺陷和内应力、,“磁滞损耗” （hysteresis loss）,正比于BH 回线所围的面积。,以及磁畴在外磁场减退时，,沿易磁化方向排列而造成的。,就近,三 . 硬磁和软磁材料,1. 硬磁材料 （hard magnetic material）,特点：,磁滞损耗大，,适合制作永久磁铁、,Br 也大，,磁芯（记忆元件）等。,一般Hc 为104-106A/m，,一般为103-104 G。,磁滞回线“胖”，,“矩磁材料”,可作记忆元件,2. 软磁材料（soft magnetic material ）,Hc小（102A/m），,磁滞回线“瘦”，,磁滞损耗小，,适于制作交流电磁铁、变压器铁芯等。,特点：,一般约Hc 为1A/m 。,四.居里点（Curie point）,（自发磁化减弱）,（磁畴瓦解，表现顺磁性）,Tc是失去铁磁性的临界温度，称“居里点