第11章磁场中的磁介质..ppt

上章我们学习了真空中稳恒电流激发的磁场及其规律。当空间有介质(导体、绝缘体)存在时，磁场将与介质发生相互作用，我们把磁场中的介质称为磁介质。磁介质在外加磁场作用下自身产生附加磁场的过程称为磁化。本章简要介绍磁介质的性质、磁化的机制、以及磁介质中的安培环路定理。,第十一章磁场中的磁介质,与电介质的情况类似，稳恒磁场中的磁介质因磁化而产生磁化电流和附加磁场；磁介质内的总场为原磁场B0与附加磁场B的矢量和。,一、磁介质对磁场的影响,11.1磁介质对磁场的影响,实验已经证明，与之间的关系为:,称为磁介质的相对磁导率。,顺磁质：r1如金属铝、锰、铬等。抗磁质：r1如金属金、银、铜等。铁磁质：r1如金属铁、钴、镍等。,任何物质皆由原子或分子构成。原子（分子）中的电子同时参与两种运动：自旋及绕核的轨道运动，对应有轨道磁矩和自旋磁矩。,二、磁介质的磁化,这就是安培提出的分子电流假设。,分子电流分子磁矩产生的磁效应可以用一等效的圆电流的磁矩来表示。,分子磁矩分子所有电子的轨道磁矩与自旋磁矩的矢量和，称为分子固有磁矩，简称为分子磁矩m。分子磁矩的方向与电子运动的角速度方向相反。,顺磁质和抗磁质的磁化可用安培分子电流假说解释，而铁磁质的磁化很复杂。,1.顺磁质的磁化机理顺磁性,等效,对各向同性（均匀）磁介质，磁化电流I只出现在介质表面，介质内部无磁化电流，且磁化电流I不可引出，因此，磁化电流也称为束缚电流。,在无外磁场时，抗磁质中分子固有磁矩为零:m=0，物质不显磁性。,2.抗磁质的磁化机理抗磁性,有外场时，电子的轨道角动量会绕着磁场方向旋进,形成一个电的环流,但电子带负电,这就相当于一个与原磁场方向反向的正的环流,产生的磁矩指向磁场的相反方向.,有磁介质时，安培环路定理是：,磁介质的总磁场,传导电流,磁化电流总和,三、磁介质中的安培环路定理,根据实验规律,无磁介质时：,由于磁化电流的计算很繁，所以我们从无磁介质时出发。,定义磁场强度：,磁介质中的安培环路定理：,即：磁场强度沿任意闭合路径的线积分（环流），等于穿过以该回路为边界的传导电流的代数和。,H是为消除磁化电流的影响而引入的辅助物理量。H的环流仅与传导电流I0有关,与介质无关(当I相同时，尽管介质不同，H在同一点上却相同)。因此可以先求磁场强度H，再求磁感应强度B。H的单位：安培/米(A/m),说明：,例1、长直单芯电缆的芯是一根半径为R1的金属导体，它与外壁之间充满均匀磁介质,其相对磁导率为，外筒半径为R2,电流从芯流过再沿外壁流回。求(1)导线内的磁场分布;(2)磁介质中磁场分布;(3)磁介质外的磁场分布。,解:(1)导线内的磁场分布,(2)磁介质内的磁场分布,(3)磁介质外的磁场分布,电介质中的高斯定理,磁介质中的安培环路定理,11.2铁磁质,在工程技术上常用的磁介质是铁磁质，如电机、变压器和电表等。铁磁质有如下特点：1在外磁场作用下能产生很强的磁感应强度；12当外磁场停止作用时，仍能保持其磁化状态；3B与H之间不是简单的线性关系；4铁磁质都有一临界温度。在此温度（居里温度）之上，铁磁性完全消失而成为顺磁质。Fe(1040K)Co(630K)Ni(1390K),磁化曲线磁介质内磁感应强度B随磁场强度H的变化关系曲线。,一、铁磁介质的磁化机理磁畴,1.磁畴,磁畴铁磁质中因电子自旋而引起的强烈相互作用，在铁磁质内形成磁性很强的小区域。磁畴的体积约为10-12m3。,在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁质不显磁性；在外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场迅速增加，在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。,2.磁畴的形成,按照量子理论,铁磁质内电子间存在着很强的由电子自旋引起的相互作用电子交换作用,使各电子的自旋磁矩排列整齐，从而形成磁畴。每个磁畴内的电子自旋磁矩整齐排列，磁性很强自发磁化。,3.磁畴与外磁场的关系,无外磁场时,各个磁畴由于热运动其方向排列无序,因而整体对外不显磁性。有外磁场时,各个磁畴的磁矩在外磁场的磁力矩作用下以整体的形式趋向外磁场方向排列,从而对外显示很强的磁性。出现高m值。,具体过程:与外磁场方向一致和相同的磁畴范围扩大,磁畴磁矩方向同时尽力转向外磁场的方向。,4.磁畴与温度的关系:当温度持续升高到某值时,由于剧烈的热运动,磁畴瓦解,铁磁质的铁磁性消失,过渡到顺磁质。此温度叫做居里温度或居里点。,5.磁饱和状态,磁饱和状态,H,B,o,随着外磁场增加，能够提供转向的磁畴越来越少，铁磁质中的磁场增加的速度变慢，最后外磁场再增加，介质内的磁场也不会增加，铁磁质达到磁饱和状态。,二、铁磁质的磁化规律磁滞回线,1.实验目的:确定铁磁质内的B随外场H的变化关系,确定其磁导率m的特点和铁磁质的磁化规律。,a,2.实验结果,oa:起始磁化曲线，未经磁化的铁磁质,起始时,B随H而增大,到a点达到饱和。,b,Br,ab:当外磁场减小时，介质中的磁场并不沿起始磁化曲线返回，而是滞后于外磁场变化磁滞现象,当H=0时,B=Br0，Br剩磁。,bc:加上反向外磁场，则B继续减小,当H=-Hc时，B=0，Hc称为矫顽力,即为了消除剩磁所需加的反向外磁场Hc。,Br,Hc,B,H,o,a,cd：继续增加反向磁场，介质达到反向磁饱和状态。,def：改变外磁场为正向磁场，不断增加外场，介质又达到正向磁饱和状态。,b,c,d,e,f,磁滞回线闭合曲线abcdefa。,实验结论,铁磁质具有非线性，其m值具有非单值性，与磁化的历史有关。铁磁质会出现磁滞和剩磁现象。,4.解释,:起始磁导率,磁化饱和:当所有磁畴的磁矩都转向外磁场方向时,磁化即达到饱和。剩磁:铁磁质中的杂质和内应力,在外磁场撤消后阻碍磁畴恢复原来的状态,因而产生了剩磁。,三、铁磁质的特点,磁畴；高m值；非线性；磁滞；居里点；m的非单值性。,四、退磁方法,1.加热法,当铁磁质的温度升高到某一温度时，磁性消失，由铁磁质变为顺磁质，该温度为居里温度tc。当温度低于tc时，又由顺磁质转变为铁磁质。,铁的居里温度tc=770C；30%的坡莫合金居里温度tc=70C；,利用铁磁质具有居里温度的特点，可将其制作温控元件，如电饭锅自动控温。,原因：由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧，提供了磁畴转向的能量，使铁磁质失去磁性。,2.敲击法,通过振动可提供磁畴转向的能量，使介质失去磁性。如敲击永久磁铁会使磁铁磁性减小。,3.加反向磁场,加反向磁场，提供矫顽力Hc,使铁磁质退磁。,4.加交变衰减的磁场,使介质中的磁场逐渐衰减为0，应用在录音机中的交流抹音磁头中。,五、铁磁材料分类,1.金属磁性材料,特点：适用于高稳定、低频、大功率,但高频应用受限。,软磁材料:Br大,但Hc小,磁滞回线面积小,因而易磁化,易消磁;适用于制造电磁铁、变压器、交流电机的铁心。如：象软铁、坡莫合金、硒钢片、铁铝合金、铁镍合金等。,由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如变压器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软件磁性材料制成。,由金属合金或化合物制成(大部分以铁、钴、镍为基础)。,硬磁性材料：Br大，Hc大，磁滞回线面积大,，因而磁滞特性明显，一旦被磁化,，剩磁即难于消除。用于制作永磁体，以产生稳定的磁场。如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。,可用在磁电式电表、永磁扬声器、耳机以及雷达中的磁控管等。,2.压磁材料,具有较强的磁致伸缩性能,用于制作机电换能器和声电换能器。,3.非金属氧化物-铁氧体,由三氧化二铁Fe2O3和其它二价金属氧化物（如NiO，ZnO等）的粉末混合烧结而成,特点:具有高磁导率,高电阻率,涡流损耗少,适用于高频技术。作记忆元件,或作天线和电感中的磁心。,例如:矩磁铁氧体,其磁滞回线近似矩形而得名。,六、超导体,1911年，荷兰物理学家HK昂纳斯及其助手首先发现在温度降至液氦的沸点（4.2K）以下时，水银的电阻为0。超导体在低温下电阻为零的物质。1913年昂纳斯因他在低温物理和超导领域所做的杰出贡献，获诺贝尔物理学奖。,1.超导体的基本性质,零电阻率,超导体在临界温度以下时，电阻为零，所以它可以通过很大的电流，而几乎无热损耗。有人曾用超导体做成一个圆环，当把它冷却到临界温度以下后，突然去掉磁场，由于电磁感应，在超导体环内产生一个相当强的电流，这个电流在持续两年半的时间内仍没发现可观的变化。,2.迈斯纳效应完全抗磁性,Bo,1933年德国物理学家W.迈斯纳发现完全抗磁性。将超导体放入磁场中，表面产生超导电流，超导电流产生的磁场与外磁场抵消，使超导体内的磁感应强度为0。超导体在磁场中由于超导电流产生的磁场与外磁场的斥力作用，使超导体可悬浮在空中。,由于超导体内电阻为0，超导电流不会产生热量，超导电流也就不会消失，超导体一直会悬浮在磁场中。,利用这种现象可制成超导重力仪，用来预测地震，当地震发生之前，地表面的重力场会发生变化，超导球的位置也会发生变化，由此来预测地震。还可制造超导磁悬浮列车，世界上最快的磁悬浮列车时速超过500公里/小时。,3.超导体的应用,无损耗输电。传统输电过程中总要产生一部分焦耳热损耗，一般在10%20%，如果采用超导体输电，几乎没有电能损失，而且不需要升压，可以不用变压器设备，也不必架设高压线，