赵凯华电磁学三版六磁介质agesPPT课件.ppt

第六章磁介质 作业 p3883 4 5 物质处在外磁场中 在外磁场作用下能发生变化 并能反过来影响外磁场的媒质叫做磁介质 各种物质都是磁介质 在外磁场作用下磁介质出现磁性或磁性发生变化的现象称为磁化 磁化微观机制 导引概念 1 1分子电流观点 2 用分子电流观点解释磁化现象 1 1 介质的磁化 1 介质与磁场的作用 与电场比较 磁介质磁场的产生磁场对磁介质的作用 对物质电流的作用 物质的电流 磁结构 1 历史上首先形成的解释磁化的观点 磁荷观点 a 认为磁场由磁荷产生 磁介质同电介质 b 该观点不符合现代物质结构 c 但可用于计算 简单 可解释磁化现象 如退磁 2 分子电流观点 讲授 自学 电介质电场的产生电场对电介质的作用 本质上是对电介质电荷的作用 物质的电结构 电偶极子 2 组成磁介质分子的原子核 电子组成的复杂带电系统 由于电子 原子核的运动 分子有一个等效电流i 相应有一个分子等效磁矩 2 分子电流观点 是各个的电子轨道磁矩 电子自旋磁矩 原子核磁矩的总和 按照量子力学的观点 a 分子等效磁矩 3 无外场时 各分子的磁矩取向杂乱无章 宏观对外不显磁性 无磁场 分子具有固有磁矩 称为顺磁质 b 按分子等效磁矩特性进行磁介质分类 顺磁质的磁化 宏观磁化电流 下页 何谓 顺 有外场时 分子磁矩在外磁场的作用下 一定程度上沿外磁场方向有序排列 对外表现出宏观磁性 产生磁场 4 磁化电流 产生 总磁场 3 磁化电流 对比极化电荷 极化电荷 产生 总电场 问题 2 磁化电流总存在磁介质表面 3 仅适于介质内部 4 磁化电流是否有热效应 1 磁化电流产生磁场遵守的定律 5 1 磁化强度 单位 n 单位体积内的磁介质分子数 讨论 单位体积内磁分子的分子磁矩之矢量和 即 定义 3 定量 磁化描述 磁介质产生大小的衡量 6 2 磁化强度与磁化电流的关系 推导方法 高斯定理 推导方法 安培环路定理 a 穿越磁介质内安培环路的磁化电流 仅穿越回路L的C类分子对电流有贡献 C类分子的所在空间 分子电流环中心与边界L的距离 分子电流环半径 段上的C类分子数 下页 三类磁分子 比较 7 穿越段上的分子环流的电流强度 dl段上的c类分子数 分子中心在以为底 以为棱的斜柱体的分子数 a分 8 b 磁化电流面密度与磁化强度的关系 穿越安培回路L分子环流电流强度 均匀磁介质 比较电介质 均匀电介质 均匀磁介质 9 L 不同磁介质表面的磁化电流分析 L 侧面 底面 10 求充满磁介质的螺绕环内的总场 设螺绕环通电流I0 介质均匀磁化 强度为 则 两者同向 总磁场为 1 2磁介质内的总磁场 1 磁介质与磁场间的相互影响 2 示例 最终决定介质磁化的是总磁场 问题 M i仍然是未知量 如何求总磁场 11 1 3磁场强度 磁介质中的场方程 比较静电场 磁场 电场 1 对比 分子电流 传导电流 磁介质存在时的安培环路定理 12 理解 13 应用 两种不同磁介质中 B连续 但 折射 连续 14 磁化规律下一节 2等效的磁荷观点 自学要点 P561 562P580表6 2P581最后一段 例子 15 1 实验表明 各向同性非铁磁质中每点与成线性关系 其中为介质磁化率 反映介质内每点的磁特性 3介质的磁化规律 一 磁化规律 作业P4182 4 8 顺电 抗电 16 3 应用 将和结合 可求解对称分布 特殊分布的磁场 1 在一般情况下成立 而仅在线性磁介质中成立 2 将代入可得 说明 2 17 例1 充满各向同性均匀磁介质的螺绕环 成立条件 充满各向同性均匀磁介质 18 例2 轴对称系统无限长载流线 半径为r0 电流强度为I0 外部充满各向同性均匀磁介质 磁导率为 半径为R 求B的空间分布 磁化电流密度i 19 例3 介质中闭合回路L所套连的磁化电流为 证 L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 20 3 磁介质分类和磁化机制 1 分类 顺磁质 抗磁质 21 铁磁质 22 外加磁场 fL 与f库伦同向 f向心增加 轨道线速度V增加 f向心 mv2 r r c 轨道磁矩m增加 抗磁质 m分子 0 磁化微观机制 顺磁质 m分子 0 磁化微观机制 前面已介绍 2 弱磁质磁化的微观机制 a 组成抗磁质的物质分子磁矩 电介质无极分子 b 电子轨道磁矩对外磁场的响应 简单说明 产生抗磁 23 外加磁场 fL 与f库伦反向 f向心减小 轨道线速度V降低 f向心 mv2 r r c 轨道磁矩m减小 产生抗磁 问题 顺磁介质是否也存在抗磁效应 24 4 铁磁质的基本性质 1 铁磁质定义 是指磁性很强 m很大 的一类物质 不一定是铁 通常为过渡金属 稀土元素 组成 金属或合金 如铷铁硼 氧化物 Fe3O4 不一定具有永久磁性 2 铁磁质磁化规律和性质 25 铁磁质磁化研究的示意图 高斯计 霍尔效应 or冲击电流计 电磁感应 改变电流 M H B H 26 起始点 H 0 I0 0 B 0 M 0 磁化曲线特征 起始 第一次加磁场 磁化曲线 d 结果 问题 M H B H曲线为什么类似 27 28 磁滞回线 问题 电流降低 M如何变化 29 滞 的含义指 M B的变滞后于H orI 有关解释及性质 磁滞回线 M 0 B是否也同时为零 非线性 铁磁质的M H B H关系性质 不但非线性 而且非单值 M B的数值除了与H I0 数值有关外 还决定于介质的磁化历史 30 问题 充磁后如何恢复到M 0 B 0的状态 即如何消磁 录音磁带的交流消磁方法 31 3 铁磁性的产生机理 量子理论 在没有外磁场的条件下 相邻原子中的电子自旋磁矩 可以自发地平行排列 形成一个个小的自发磁化微区 磁畴 畴 已耕作的田地 被沟垄划分成块 各种材料磁畴的线度相差较大 微米 毫米 一个磁畴中约有1012 1015个原子 用磁畴理论可以解释 铁磁质的磁化过程 磁滞现象 磁滞损耗以及居里点 无外磁场 各磁畴磁化方向杂乱无章 对外不显磁性 由电子自旋磁矩引起 32 33 外加磁场磁场较弱 自发磁化方向与外磁场方向相同或相近的磁畴的体积逐渐增大 反之则逐渐缩小 畴壁运动 磁场较强 缩小着的磁畴消失 其它磁畴的磁化方向转向外场方向 外场越强 转向越充分 所有磁畴都沿外磁场方向排列时则达到饱和磁化状态 34 降低外磁场 大磁畴分裂成许多磁畴 由于杂质和内应力等原因 磁畴之间存在摩擦阻力 使磁畴不能恢复到磁化前的杂乱排列状态 表现出磁滞现象 T升高 分子热运动加剧 T Tc时 磁畴全部被破坏 铁磁质转为一般顺磁质 存在居里点 高温条件下使用 永久磁铁需要降温 35 2020 1 7 36 铁芯在交变磁场中有能量损耗 铁损 铁损包括两个方面 4 铁磁介质的磁滞损耗 分析 37 电源做功计算 38 39 一个周期后 铁心螺线管的自感磁能不变 但电源做正功 A Wm 0 W 图中磁滞回线所包围 面积 代表在一个磁化循环中单位体积的铁芯内损耗的能量 热能 磁畴摩擦 讨论 线性介质没有磁滞 回线面积为零 没有对应磁化损耗 问题 磁化速度 电流变化率 0 自感电动势 0 是否没有磁滞损耗 40 常见的铁磁材料 三类常见的铁磁材料及其磁滞回线形态 磁化损耗小 41 边界条件 两种磁介质的分界面 将磁场方程 用于界面可得到两侧磁场量之间的关系 即磁场方程的边界形式 边界条件 1 的法线分量连续 相等 4边界条件磁路定理 一 磁介质的边界条件 作业 P42811 12 14 16 2 42 2 的切线分量连续 相等 0 0 的切线分量大小相等 方向相同 切线连续 43 反证法 假设H1 H2 n线在不同的平面内 如右图 总可以在其界面内找到如所示的方向H1t H2t方向相反 矛盾 H1 H2线必定在同一的平面内 而且切向分量相同 即垂直面内的投影相同 即 对H线有限制 H1 H2 法向方向n在同一平面内 如何证明 H1t H2t H线的边界条件 44 纠正 教材P611 上式表明矢量差是沿切线方向的 沿法向方向 问题1 B H线是否在一个平面内 H的边界条件 问题2 H1t H2t B1n B2n B H线同平面 界面两边的B线有何关系 线的 折射 B H线在一个平面内 方向更明确 45 即铁磁质中线沿铁芯的情形 3 B线的 折射 讨论 B2t B2n 两式相除 46 自行推导 2小 1大 B1大 B2小 在上图所示条件下 在上图所示条件下 H1小 H2大 47 二 磁路定理 1 电路特征 驱动电流 形成J线 J线仅存在于局部区域 电路 2 一般条件下的B线性质 B线在空间弥散 没有形成局域的磁路 问题 I产生磁场 B线能否形成 磁路 48 铁磁质聚集B线 B线近似平行铁磁质表面 铁磁质内B远大于介质外部B 3 铁磁介质对B线的影响 2 铁磁质具有构成磁路的能力例子 变压器 稳恒电路中J线平行导体表面 J线存在于导体中 外部J可忽略 49 4 磁路构成 a 产生B的 源 载流线圈 b 构成磁路的磁介质 铁磁质 其他介质 类比电路 电流在由导线 阻抗器件中组成的电路中流动 B线在由铁芯等其他磁介质组成的磁路中 流动 磁路定义 50 5 磁路方程 以串联回路为例 推导方法 电场方程 磁场方程 闭合磁路方程 串联 51 各段的磁通相同 串联电路 由此得磁路定理 文字说明 磁导率 电导率 定义 52 例 如图所示 设一个铁环的长度l 0 5m 截面积为S 环上气隙的宽度 1 0 10 3m 环的一部分上绕有N匝线圈 设通过线圈的电流I0 而铁芯相对磁导率 5000 求 磁铁中的B 解 没有气隙 相对磁导率对磁阻的影响 铁磁质为良导磁体 空气为劣导磁体 铁磁质中的磁场对空气间隙长度非常敏感 53 永久磁铁B 0 磁路方程 分析 54 完整磁铁环I 0 H 0 留空气间隙 铁芯内H 0 前页结果 永久磁场降低 退磁 I 0 I 0 55 6 磁路方程 并联 磁路 电路 作业 56 精密探头 显象管 电路等都需要磁屏蔽 三 磁屏蔽 静磁 低频磁场屏蔽 磁场对运动电荷有作用力 干扰 1 为什么需要磁屏蔽 57 2 磁屏蔽方法 静磁 低频磁场屏蔽 比较 静电屏蔽 导体感应电场完全抵消外电场 静磁屏蔽 抗磁质感应磁场完全抵消外磁场 超导体除外 阅读P561 采用何种方法 并联磁路 分流 方法 原理 铁磁质区 磁导率高 磁阻小 流过的磁通大 B外高 屏蔽区 反之 B内小 58 讨论 高频磁场的屏蔽方法 金属壳表面的涡流磁场抵抗外磁场 金属壳内磁场降低 磁场被屏蔽 采用物质 非铁磁体 良导体与频率关系 频率愈高 屏蔽效果愈好 涡流趋肤深度 问题 如何同时实现高 低 静磁 频磁屏蔽 铁磁 软铁 层 良导体 铜 层 金属壳 59 1 电能定域于电场中 2 同样 磁能也定域于磁场中 场能密度为 5磁场能量和能量密度 1 电磁能定域于电磁场中 一 磁场能量及能量密度 几个问题 1 如何理解磁场能量 B建立过程 2 磁场能量释放能量 磁力做功 3 磁场能量由电流携带 长直线圈储能 均匀场 作业 4366 60 考虑一长直螺线管 管内B均匀 自感 为螺线管单位长度的匝数 为螺线管的长度 为螺线管的截面积 代入自感磁能公式 推导 61 磁场能量密度 说明 上面的磁场能量密度公式 虽然由从螺线管中均匀磁场的特例导出的 但它是适用于各种类型磁场的普遍公式 在任何磁场中 某一点的磁场能量密度 只与该点的磁感应强度以及磁介质的性质有关 这也说明了磁能定域于磁场 一般介质中 62 知道磁场能量密度 匀强磁场中 非匀强磁场中 3 磁场能量 63 两线圈之总磁能公式 4 磁场能量密度 应用I 64 1 上述公式表明 系统总磁能只与最后所处状态有关 而与建立电流的过程 次序 无关 2 自感磁能 第一项 恒正 但互感磁能 第二项 2 2 可正 可负 讨论 65 4 磁场能量密度 应用II计算自感 互感系数 磁能法 若空间磁场仅由单一载流回路激发 仅存自感磁能 2 求互感M