第八章 磁介质中磁场及复习

8 9磁介质的磁化磁导率 8 10磁介质中的磁场有介质时的安培环路定律磁场强度 8 11铁磁质 第八章磁介质中的磁场 1 了解磁介质的磁化及其微观解释 2 理解磁介质中安培环路定理的意义 3 了解铁磁质的一些重要特性及应用 自学 教学要求 磁介质放入外磁场B0中 要产生附加磁场B 使外磁场发生变化的现象称为磁介质的磁化 对无限长直螺线管 真空中管内磁场 B0 0nI 当管内充满磁介质时 实验测知 B B0 r r反映了磁介质被磁化后对磁场的影响程度 表征了磁介质的性质 是一纯数 r称为相对磁导率 则无限长直螺线管的总场 B rB0 r 0nI nI 0 r 磁导率 的单位与 0的相同 即 Wb A m 或 T m A 或 N A2 由磁导率的不同可将磁介质进行分类 8 9磁介质的磁化磁导率 一 磁介质的影响 二 磁介质分类 据 r的不同 1 顺磁质 r 1 可见B B0 B 与B同向 2 抗磁质 r 1 可见B B0 B 与B反向 3 铁磁质 r 1 可见B B0 B 与B0不仅同向而且B B0 如 锰 Mn 铬 Cr 铂 Pt 氮 N2 等 如 水银 Hg 铜 Cu 铋 Bi 硫 S 氢 H2 银 Ag 金 Au 锌 Zn 铅 Pb 等 如 天然铁磁质 铁 Fe 镍 Ni 钴 Co 等 人造铁磁质 铁氧体 三 分子电流和分子磁矩 不做要求 抗磁质 各电子磁矩完全抵消而不存在固有磁矩 分子中电子和核的运动都能产生磁效应 分子对外界磁效应的总和可等效为一圆电流 这一圆电流称为分子电流 其磁矩称为分子磁矩 用表示 顺磁质 各电子磁矩不完全抵消而存在固有磁矩 但无外场时 由于分子电流的取向在各方向几率一样 因此对外不显磁性 分子磁矩 分子电流环的磁矩 为分子中各电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和 刚体的进动 分子电流 分子或原子中各电子磁效应的总和等效为一圆电流 四 顺磁质和抗磁质磁化的微观机理 分子固有磁矩在外场中重新取向 产生磁场与外磁场同向 无外磁场作用时 由于分子的热运动 分子磁矩取向各不相同 整个介质不显磁性 有外磁场时 分子磁矩要受到一个力矩的作用 这一力矩使分子磁矩转向外磁场的方向 外磁场越强 分子磁矩排列得越整齐 顺磁质磁化结果 使介质内部磁场增强 2 抗磁质的磁化 电子除作轨道运动外 还要以恒定角速度绕外场方向作进动 进动方向与外磁场方向成右手螺旋关系 电子进动的等效电流的磁矩与外磁场反向 以电子的轨道运动为例说明抗磁质的磁化 无论电子轨道运动方向如何 附加磁矩方向总是和外磁场方向相反 抗磁质磁化结果 使介质内部磁场减弱 3 磁介质的磁化 由于顺磁质分子的固有磁矩在磁场中的取向排列或抗磁质分子在磁场中产生感应磁矩 附加磁矩 因此在磁介质表面出现束缚电流 磁化电流 的现象 真空中的安环定律 令得 有介质时的安环定律 若以I 表示环路内所包围的磁化电流 则B的环流应为 8 10磁介质中的磁场有介质时的安环定律磁场强度 0 r 磁导率 的单位与 0的相同 传导电流的代数和 一般不知道 真空中的安环定律 磁介质存在时的安环定律 H的环流只与传导电流有关 B的环流与传导电流和磁化电流均有关 0 r 磁导率 的单位与 0的相同 2 利用求得H值 3 由B H求得B值 1 由磁场的对称分布 选积分回路L 使其上任一dl上的H垂直或平行dl 当磁场充以磁介质后 求B 总之 另外由B的环流 还可求得磁化 面 电流 传导电流的代数和 例1 无限直长螺旋管 单位长度的匝数为n 导线中通以电流I 管内充满相对磁导率为 r 1的均匀磁介质 求管内磁感应强度B 解 1 求磁介质中的磁场 作矩形环路abcda则H的环流为 由有介质的安环定律即Hl Inl H nI即B H nI r 0nI 例2 磁导率为 1的无限长圆柱体 半径为R1 通有电流I 在它外面有同轴圆柱面 半径为R2 通以相反的电流I 二者之间充满磁导率为 2的均匀磁介质 求以下各处的磁感应强度B 1 rR2 解 1 r R1以r为半径作环路L1有 2 R1 r R2以r为半径作环路L2有 3 r R2以r为半径作环路L3有 H3 0B3 0 一 铁磁质 8 11铁磁质 铁磁质 r 1 可见B B0 B 与B0同向 二 磁化曲线 磁滞回线 二 磁化曲线 磁滞回线 一 铁磁质 8 11铁磁质 铁磁质 r 1 可见B B0 B 与B0同向 二 磁化曲线 磁滞回线 3 磁滞现象由闭合曲线看到 B的变化总是落后于H的变化的现象 2 剩磁现象外磁场撤去后 仍能保留部分磁性存在的现象 4 磁滞回线铁磁质的初始磁化 消磁 反向磁化过程构成一图所示的闭合曲线 三 铁磁质的分类 据铁磁质矫顽力不同进行分类 图示三种铁磁材料的磁滞回线 1 软磁质 矫顽力Hc小 回线细窄 损耗小 容易磁化也容易退磁 如 软铁 硅钢 玻莫合金等 适用于交变磁场 2 硬磁质 矫顽力Hc大 回线粗 剩磁大 不易退磁 如 碳钢和特种钢 适用于作永磁体 五 铁磁质的微观结构 磁畴 磁畴 没有外磁场时 铁磁质中电子的自旋磁矩在小范围内自发地平行排列 形成一个个小的自发磁化区 没有外磁场时 各磁畴磁矩相互抵消 对外不显磁性 加上外磁场 各磁畴磁矩取向趋于一致 且与外磁场方向相同 铁磁质表现出很强的磁性 四 居里温度 存在一特定的临界温度 当温度在居里点以上时 铁磁质将失去磁性而转化为顺磁质 这一临界温度称为居里点 铁磁质存在居里点的原因 铁磁质的磁滞及剩磁原因 铁磁质存在居里点原因 高温时 铁磁质中的自发磁化区域磁畴受到剧烈的分子热运动的破坏 磁畴被瓦解 铁磁质的特性消失 过渡到顺磁质 不同的铁磁质居里温度亦不同 铁磁质的磁滞及剩磁原因 用于磁畴的转向需要克服阻力 来自磁畴间的摩擦 因此当外磁场减弱或消失时磁畴并不按原来的变化规律退回原状 因而表现磁滞现象 当外磁场停止作用后 磁畴的某种排列被保留下来 使得铁磁质仍能保留磁性 碰撞也会改变磁畴的有序排列 因此 永磁体切忌摔 砸 以防退磁 铁磁质在磁化时 磁畴中磁化方向的改变会引起介质晶格间距的改变 从而长度和体积会发生变化 这种现象称为磁致伸缩 作业 8 2 8 4 8 6 铁磁质的实际应用 磁记录 自学 把铁磁质材料制成粉状 用粘结剂涂敷在特制的带 圆柱 或圆盘的表面 称为磁带 磁鼓和磁盘 信号电流 磁录音 像 原理 磁录音 像 原理 当声音或图象转化为电信号时 信号电流的变化 使得磁头磁铁中的磁场随之变化 录音时使磁带从磁头间隙走过 间隙中的变化磁场将使磁带上磁粉的磁化状态发生同步变化而被记录下来 让录好音 像 的磁带通过磁头间隙 此时磁带上磁粉的剩磁的强弱变化将引起磁头铁芯内磁通的变化 从而在线圈内产生同步的感应电流 再回复声音或图象 显然放音和录音时磁带的移动速度应相同 放音 像 原理 消音 在磁带通过磁头时 在磁头线圈内通以等幅振荡电流即可 磁头铁芯要选用软磁材料 它要求具有很少的剩磁和大的磁导率 由于磁化曲线在弱磁场范围内有弯曲 会引起记录失真 因此 在输入录音信号的同时输入一个等幅振荡电流 称为偏磁电流 其频率比信号的最高频率大5 10倍 使磁记录的信号在磁化曲线的直线部分发生变化 磁头间隙宽度 录音用一般在1 10 m 录放兼用一般在3 5 m 录音机的带速 19cm s 用于音乐9 5cm s 用于背景音乐和语言 4 8cm s 主要用于长时间的讲话 磁记录除记录音 像这种模拟记录外 还有数字记录 常用于计算机的数据存储中 复习 8 9磁介质的磁化磁导率 一 磁介质的影响磁介质放入外磁场B0中 要产生附加磁场B 使外磁场发生变化的现象称为磁介质的磁化 实验测知 B B0 r r称为相对磁导率 是一纯数 二 磁介质分类 磁介质置于B0中 激发附加B 1 顺磁质 r 1 可见B B0 B 与B同向 2 抗磁质 r 1 可见B B0 B 与B反向 3 铁磁质 r 1 可见B B0 B 与B0不仅同向而且B B0 由磁导率的不同可对磁介质进行分类 三 磁介质的磁化 由于顺磁质分子的固有磁矩在磁场中的取向排列或抗磁质分子在磁场中产生感应磁矩 因此在磁介质表面出现束缚电流的现象 8 10磁介质中的磁场有介质时的安环定律磁场强度 真空中的安环定律 磁介质存在时的安环定律 H的环流只与传导电流有关 B的环流与传导电流和磁化电流均有关 0 r 磁导率 的单位与 0的相同 2 利用求得H值 3 由B H求得B值 1 由磁场的对称分布 选积分回路L 使其上任一dl上的H垂直或平行dl 当磁场充以磁介质后 求B 结论 将B0表达式中 0换成 0 r 即得B的值 一 铁磁质 8 11铁磁质 铁磁质 r 1 可见B B0 B 与B0同向 二 磁化曲线 磁滞回线 3 磁滞现象由闭合曲线看到 B的变化总是落后于H的变化的现象 2 剩磁现象外磁