磁场中的磁介质.ppt

第11章磁场中的磁介质 1 磁介质磁化强度2 有介质时的安培环路定理磁场强度3 铁磁质 重点 磁介质对磁场的影响 H的环路定理 内容 难点 抗磁质的磁化机理 11 1磁介质磁化强度 磁介质的磁化 观察铁芯对电磁感应的影响 使线圈中的磁通量大大增加 实验发现 如果在载流导线周围空间不是真空 而是充满某种各向同性的磁介质 则磁感应强度增加 r倍 r称为磁介质的相对磁导率 1 r 1 顺磁质 如氧 铝 钨 铂 铬等 2 r 1 抗磁质 如氮 水 铜 银 金 铋等 3 r 1 铁磁质 如铁 钴 镍等 r 0表示完全抗磁性 如超导体是理想的抗磁体 11 1 1磁介质的三种类型 11 1 2顺磁质和抗磁质磁化的微观机理 原子中的电子绕原子核以速率v作半径为r的圆周运动 电子的轨道磁矩 演示动画 电子的轨道运动 1 分子磁矩 m 原子中电子除了作绕核的轨道运动外 还有自旋 相应地有自旋磁矩 原子核也作自旋 核自旋磁矩 分子磁矩m是电子轨道磁矩 电子自旋磁矩 核自旋磁矩的矢量和 分子磁矩磁效应总和等效一圆电流 2 顺磁质 有固有磁矩 即通常情况下各磁矩矢量和不为零 抗磁质 没有固有磁矩 即通常情况下各磁矩矢量和为零 在外磁场中会产生感应磁矩 3 磁介质磁化 顺磁质 在无外磁场时 分子磁矩排列杂乱 宏观上不产生磁效应 温度越高顺磁效应越弱 分子电流观点 一个分子相当于一个环行电流 分子磁矩 无外磁场时 分子环流的取向杂乱无章 磁矩相互抵消 演示动画 磁化面电流 励磁电流 磁化电流 在外磁场中分子磁矩将不同程度地沿外磁场方向排列起来 在宏观上呈现出附加磁场 这个附加磁场的方向与外磁场方向相同 使介质中的磁感应强度增加 顺磁场在外磁场中的磁化过程称为取向磁化 对顺磁质B 与B0同向 则磁介质中的磁场为 B B0 B 对抗磁质 以电子轨道磁矩为例 加上外磁场后 电子将受到洛伦兹力 简单起见 设电子轨道平面与磁场垂直 1 与B同向时 此时洛伦兹力向心 设轨道半径不变 由洛伦兹力引起的 方向与 0同向 有 0 可得 值 而 的方向与外磁场B同向 原有的磁矩m0有改变量为 m m为附加磁矩 方向与外磁场B反向 2 与B反向时 此时洛伦兹力离心 设轨道半径不变 由洛伦兹力引起的 方向与 0反向 有 0 同样分析可得有同样的 值 且 的方向仍与外磁场B同向 原有的磁矩m0的改变量为 m 附加磁矩 m方向还是与外磁场B反向 附加磁矩 m与B反向 以上只讨论 0与B平行的情况 理论上可证明 当两者成任何角度时 总与B同向 从而产生的附加磁矩 m总与B反向 抗磁质无固有磁矩 这是因为其中原有的各个电子的磁矩方向无规则 相互抵消了 外加磁场后产生的附加磁矩却与B反向 抗磁质的来源 超导体的迈斯纳效应 超导体上产生的感应电流的磁场完全抵消外磁场 完全抗磁体 11 1 3磁化强度 1 定义 单位体积内分子磁矩的矢量和 若单位体积内的分子环流数为n 则 设磁介质内每个分子的电流环一样 环的面积为a 矢量面元为 环电流为I 故磁矩为 平均磁矩 11 2磁介质中的安培环路定理磁场强度 1 磁化电流Is与磁化强度M的关系 S的周界线L 在周界线上任取一线元 被穿过所有分子流有nadlcos 个 每个分子环流为I 故与套链的磁化电流为Inacos dl 即为 设介质表面单位长度上的磁化电流 面磁化电流密度 为is 则 即被矩形回路所套链的磁化电流有 介质外M 0 若磁介质的磁化强度M已知 可以计算它产生的附加磁场B 继而计算介质中的总磁场 2 磁场强度矢量H与有介质时的安培环路定理 定义磁场强度 有介质时的安培环路定理 真空时 则 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 H的环流仅与传导电流I有关 与介质无关 磁场强度H与在有电介质的静电场中引入的电位移D相似 它们都是辅助物理量 用磁场强度表述的安培环路定理 传导电流和磁化电流产生的磁感应线都是无头无尾的闭合曲线 因此 对任意闭合曲面S 磁场高斯定理依然成立 实验指出 在各向同性磁介质中 任一点的磁化强度M与磁场强度H成正比 即 令 1 k r 称为磁介质的相对磁导率 则有 令 0 r 称为磁介质的磁导率 则有 例11 2 将磁导率为 的铁磁质做成一细圆环 在环上均匀密绕着线圈 就成为有铁芯的环形螺线管 亦称螺绕环 设单位长度的导线匝数n 500 当导线中的电流强度I 4A时 5 0 10 4H m 计算 1 环内的磁场强度值H 磁感应强度值B 2 磁介质的磁化电流线密度 解 1 环形螺线管的磁场几乎全部集中在环内 其磁力线是一系列圆心在对称轴上的圆 在同一条磁力线上各点的H值相等 各点的H矢量都沿磁力线的切线方向 取过环内任一点P的磁力线L为积分环路 由安培环路定律 其中L为积分环路的长度 N为环形螺线管的总匝数 因为铁芯是细圆环 截面积很小 环内各点的H值可以认为相等 通过任一点的磁力线长度L可认为等于螺线管中心线的长度 所以n N L 由上式有 H nI 500 4 2 103A m B H 5 0 10 4 2 103 1 0T 2 和长值螺线管一样 环形螺线管的磁化面电流也与传导电流的方向相同 由叠加原理 磁化面电流产生的附加磁感应强度 B B B0 0nIs 而传导电流产生的磁场 B0 0nI 所以 B nI 0nI 0 nI 0nIs 把nIs iS 即管内磁介质单位长度的磁化电流 就是磁化电流线密度 由上式 B 0is 0 nI 得 或由 得 例 有一长圆柱形载流导体 其相对磁导率为 r 半径为R 有电流沿轴线方向在圆柱截面上均匀分布 导体外为真空 求磁场分布 解 在圆柱内取一同心回路 得 方向与I成右手螺旋关系 方向与I成右手螺旋关系 在圆柱外取一同心回路 得 方向与I成右手螺旋关系 方向与I成右手螺旋关系 磁场分布如图 作业 11 1 2 3 铁磁质的性质 1 相对磁导率非常大 2 磁导率不是恒量 随所在处磁场强度变化而变化 B与H不是线性关系 在居里点 磁性发生突变 当温度在居里点以上时 铁磁质转化为顺磁质 各种材料的居里点不同 如铁是1040K 4 外磁场撤去后 仍能保留部分磁性 存在磁滞现象 11 3铁磁质 能产生特别强的附加磁场 使铁磁质中的磁场增强102 104倍 3 铁磁质磁化存在一居里点 11 3 1B H H磁化曲线 用待测的铁磁质为芯制成的螺线环 当线圈中通以电流I0时 环内的磁场强度H nI0 通过测量电流I0 就得到铁磁芯磁化的磁场强度H 当原线圈中电流变化时 副线圈中将产生感应电动势 由此可测环内的磁感应强度B B的变化总落后于H B H磁滞曲线 演示动画 磁滞回线 1 起始磁化曲线 从未磁化到饱和磁化 测出磁导率 铁磁质的 不是常数 随H的变化而变 根据 有起始磁导率 最大磁导率 H磁化曲线 MR 剩余磁化强度 BR 剩余磁感应强度 HC 矫顽力 B 或M 总是落后于H 如H 0 B BR H HC B 0 铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化时会发热 有能量损耗 磁滞回线所包围的面积越大 磁滞损耗越大 铁磁质的分类 不同铁磁性物质的磁滞回线有很大差异 图为三种铁磁材料的磁滞回线 硬磁材料 硬磁材料的性能参量 最大磁能积 BH m 软磁材料 矫顽力HC小 磁滞回线细窄 易磁化 易退磁 切断电源后无剩磁 如应用于变压器的铁心 磁滞回线宽肥 磁化后可长久保持很强磁性 可作永久磁铁如电流计中的永磁铁 矩磁材料 磁滞回线呈矩形 在两个方向上的剩磁可用于表示二进制的 0 和 1 用于随机存取信息的存储器中 三 铁磁质的微观结构磁畴 铁磁性主要来源于电子的自旋磁矩 按量子效应 自旋磁矩趋向能量较低的平行排列状态 即使没有外磁场 自旋磁矩也可以自发地形成一个个磁化区 磁畴 磁畴是自发的磁化区域 磁畴的体积约为10 12 10 8米3 其中含有约1017 1021个分子 每一磁畴中 各原子的排列很整齐 因此具有很强的磁性 但不同的磁畴排列方向彼此不同 所以没有外磁场时 各磁畴磁矩相互抵消 对外不显磁性 磁畴 没有外磁场时 加上外磁场 在外磁场较弱时 自发磁化方向与外磁场方向相同或相近的那些磁畴逐渐增大 畴壁位移 在外磁场较强时 磁畴自发磁化方向作为一个整体 不同程度地转向外磁场方向 演示动画 铁磁质的磁化 各磁畴磁矩取向趋于一致 且与外磁场方向相同 铁磁质会表现出很强的磁性 通常铁磁质产生的附加磁场要比外磁场要大好几个数量级 1 由于被磁化的铁磁质受体内杂质和内应力等作用 当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状 因而表现出来磁滞现象 2 铁磁质还具有磁致伸缩的性质 磁致伸缩是因磁畴在外磁场中的取向 改变了晶格间距而引起的 3 当温度升高时 热运动会瓦解磁畴内磁矩的规则排列 在临界温度 居里点 时 铁磁质完全变成了顺磁质 用磁畴的观点解释铁磁体磁化过程的特性 4 当各磁畴磁矩取向趋于一致 且与外磁场方向相同时 再增加外磁场强度 铁磁质产生的附加磁感应强度不再增加了 达到了磁饱和状态 铁 空气 1 外磁场的磁感应通量中绝大部分将沿铁壳壁内 通过 进入空腔内部的磁通量是很少 达到屏蔽作用 四 磁屏蔽 铁芯具有把磁感应线集中到自己内部的性质 提供了制造磁屏蔽的可能 铁壳 用铁壳