大学物理-13第十三讲　磁介质(002)

1,第二十一章磁介质,2,在磁场中能被磁化的物质叫磁介质。一切实物在磁场作用下都会产生不同程度的磁化。被磁化的物质反过来又会影响原来磁场。,总磁场,21-1 磁介质及其磁化,定义介质的相对磁导率,真空：,一、磁介质,3,二、磁介质分类,1.顺磁质：弱磁性 r 1，但只略大于1.,B与B0同向，B B0 。但BB0 B B0 。,2.抗磁质：弱磁性 r 1，但只略小于1.,B与B0反向，B B0。但 BB0 。B B0 , r 1,4.完全抗磁体：B =0 （ r =0） ，磁介质内的磁场等于零（如超导体）。,4,5,二、磁介质的磁化（顺磁质、抗磁质）,1.分子磁矩（分子固有磁矩）,其中轨道运动等效电流,自旋磁矩由量子力学的规律确定。,分子磁矩 等于分子中所有电子磁矩 的矢量和:,：电子绕核运动的轨道磁矩。,：电子自旋运动的自旋磁矩。,6,两类磁介质的微观机制,顺磁质（有极磁介质）分子的固有磁矩不为零。,抗磁质（无极磁介质）分子的固有磁矩为零。,当无外场时，上述两类磁介质对外都不显示磁性。（顺磁质分子磁矩随机取向）,（通常分子或原子中所含电子数目为奇数）,（分子或原子中所含电子数目为偶数）,7,顺磁质的磁化,2.两类磁介质的磁化,顺磁质分子具有固有磁矩,无外场时：,加外场时，分子磁矩受力矩:,力矩的作用使 沿外场方向取向，从而使,因而出现一与外场同方向的附加磁场B.,8,抗磁质的磁化,分子磁矩为零，磁化由电子磁矩绕外场进动所致。,电子磁矩所受磁力矩,由角动量定理,的产生使分子磁矩绕外磁场进动。,电子的拉莫进动,分子磁矩与角动量反向，所以当角动量绕外场进动时，分子磁矩必沿反方向绕外磁场进动。,9,分子磁矩绕磁场进动时产生的附加磁矩 总是与外场 反向，说明附加磁矩总是减弱外磁场。,抗磁质磁化总结,所以对于抗磁质而言，分子固有磁矩,（抗磁性）,但由于在外场中出现一与外场反向的附加磁矩,所以,（附加磁场 由附加磁矩 产生，为同一方向.）,10,介质（弱磁质）磁化过程总结,11,三、磁化强度,顺磁质：,定义：在磁介质的磁场中，某点单位体积内分子磁矩的矢量和称为该点的磁化强度,抗磁质：,物理意义描述物质磁化的程度与状态。磁化程度越高，M 的值就越大。,真空中：M=0。,12,对于各向同性的均匀介质，其内部各分子电流相互抵消，而在介质表面，各分子电流相互叠加，在磁化圆柱表面出现一宏观电流层，好象一个载流螺线管，称为磁化面电流。,磁化电流,对于各向异性磁介质,其内部还有磁化电流。,介质磁化 磁化电流I 磁化磁场B。,13,磁化电流与传导电流比较,传导电流载流子的定向流动，是电荷迁移的结果。磁化电流 分子电流规则排列的宏观反映，并不伴随电荷的定向运动。磁化电流不能传导，其中电子都被限制在分子范围内运动而无宏观迁移（故称为束缚电流）。传导电流要产生焦耳热，而分子电流运行无阻力，即无热效应。相同之处：都可以产生磁场，且遵从电流产生磁场的基本规律（如毕-萨定律）。,14,磁化强度矢量M与磁化电流I的关系,磁化强度矢量沿任意闭合回路L的线积分等于穿过该回路面积的总磁化电流，即,M与介质表面磁化电流的关系,或：,15,有介质时的总磁场,由安培环路定理有,16,一、磁介质中的安培环路定理,21-2 磁介质中的高斯定理和安培环路定理,定义磁场强度矢量:,磁介质中的安培环路定理,则由,磁场强度H沿任一闭合回路的环路积分，等于穿过回路所围面积的传导电流的代数和，而与磁介质中的磁化电流无关。,17, =0r磁导率。真空中：r=1；弱磁质中：r1,实验指出：在均匀各向同性线性磁介质中,比例系数m称为“磁化率”。,令： ，称为磁介质的“相对磁导率”,则,18,无限长载流直导线的磁场强度,长直载流螺线管内部,在均匀各向同性线性磁介质中，因B ，所以H 与介质的磁性无关。,例：,所以，利用磁场中的安培环路定理计算磁场磁场强度，便可以排除介质磁性的影响。,19, B-H曲线具有可逆性。,非磁性材料（弱磁质）的磁化曲线,20,二、磁介质中的高斯定理,注意：,对任何磁性物质均成立。,安培环路定理是磁场的基本方程，普遍适用。,在非线性介质，如铁磁质中，B与H之间不再是线性关系，此时 不为常量。,仅适用于线性磁介质。,意义：,无论由何产生，磁场均为涡旋场。,21,例：一无限长载流磁介质，半径为R，相对磁导率为r1，通以电流 I，周围充满相对磁导率为r2的均匀磁介质（顺磁质），求磁场分布。,解：传导电流及磁化电流都具有轴对称性。作半径为r的安培环路，则有,1.,I,22,方向：沿L的切向。,2.,I,23,21-3 铁磁质,铁磁质是指r 1的磁性物质，又称为磁性材料。,在外磁场的作用下能产生很强的磁化场: B B0,存在剩磁，撤去外场后，仍能保持磁化状态。,具有临界温度Tc （称为居里温度或居里点） 。在Tc以上，铁磁性完全消失而成为顺磁质。不同的铁磁质有不同的居里温度Tc。,相对磁导率和磁化率不是常数，而是随外磁场的变化而变化；具有磁滞现象， 之间不具有简单的线性关系。,铁磁质的特性,24,装置：环形螺绕环；铁磁质Fe、Co、Ni 及稀钍族元素的化合物，能被强烈地磁化。,实验测量B，如用感应电动势测量或用小线圈在缝口处测量，得出BH关系；,得出 曲线。,原理：励磁电流 I；用安培定理得H,一、铁磁性材料的磁化规律,磁化曲线的测量方法,由,25,1.磁化曲线,铁磁质的r（也即）不是常量，它随H的值而变。因此，B与H之间也不是简单的正比关系。,26,2.磁滞回线,矫顽力, 由于磁滞，当磁场强度减小到零（即 ）时，磁感强度 ，而是仍有一定的数值 ， 叫做剩余磁感强度(剩磁)., 当外磁场由 逐渐减小时，磁感强度 B并不沿起始曲线 OP 减小 ，而是沿 PQ比较缓慢的减小。这种 B的变化落后于H的变化的现象，叫做磁滞现象,简称磁滞。,27,3.铁磁性材料分类,不同铁磁性物质的磁滞回线形状相差很大。,用于制造电机、变压器等。,用于制造永久磁铁、磁电式仪表等.,常用于制造计算机的存储元件等。,28,二、温度对铁磁质的影响,存在居里点使铁磁质变为顺磁质的温度。,主要来源于电子的自旋磁矩。,三、铁磁质磁化的机制,磁畴结构：在铁磁质内，由很强的原子间电子交换耦合作用，促使其自旋磁矩平行排列，形成自发的磁化区域 磁畴。无外场时磁畴随机取向，无磁性。,29,在外磁场作用下，自发磁化磁矩和外磁场成小角度的磁畴处于有利地位，这些磁畴体积逐渐扩大，而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。随着外磁场的不断增强，取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失，留存的磁畴将向外磁场的方向旋转，以后再继续增加磁场，所有磁畴都沿外磁场