第11章磁场中的磁介质.ppt

一、磁介质对磁场的影响,静电场中的电介质因极化而产生极化电荷和附加场，且在介质内，附加场总是削弱原场的。,11.1磁介质对磁场的影响,类似电介质的讨论，从物质电结构来说明磁性的起源。,与此类似，静磁场中的磁介质因磁化而产生磁化电流和附加磁场，但附加磁场并不总是削弱原磁场。磁介质内的总场为原场与附加磁场的矢量和。,1.相对磁导率mr磁场中一切物质的统称。,2.磁介质的分类,顺磁质：B与Bo同向，r1，BBo。如金属铝、锰、铬等。抗磁质：B与Bo反向，r1，BBo。如金属金、银、铜等。铁磁质：B与Bo同向，r1，BBo。如金属、铁、钴、镍等。,顺磁质和抗磁质的磁性很弱，统称弱磁质；铁磁质的磁性很强，且具有非线性和磁滞特性。,均匀非铁磁介质磁化后，介质中的磁感应强度为真空中的磁感应强的r倍(可用均匀介质充满长直螺线管证明，略）。,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、介质的磁化,分子磁矩在外磁场中的行为决定了磁介质的特性。,分子电流分子中所有电子对外产生的磁效应的总和可用一用等效的分子电流的磁效应来表示,分子磁矩分子固有磁矩m，描述分子电流的磁效应。分子磁矩的方向与电子运动的角速度方向相反。,电子轨道运动周期,等效圆电流为,分子轨道磁矩,分子磁矩应是分子中所有电子轨道和自旋磁矩的矢量和。分子磁矩在外磁场中受到磁力矩作用，使它向磁场方向偏转。,注意：,三、顺磁质和抗磁质的磁化机理,顺磁质和抗磁质的磁化可用Ampere分子电流假说解释，而铁磁质的磁化很复杂，后面我们将用磁畴的概念解释。,1.顺磁质的磁化机理顺磁性,顺磁质内的磁感应强度为：,无外磁场时，顺磁质中的每个分子虽然具有磁矩m0，但由于分子热运动而使其取向无规则，物质分子的总分子磁矩m=0，物质对外不显磁性。有外磁场时，各分子磁矩在外磁场力矩的作用下，向外场方向偏转取向，物质分子的总分子磁矩m=m0，从而产生附加磁场B。m和B及Bo同向顺磁性。,无外场Bo时，分子的磁矩排列杂乱无章，介质内分子磁矩的矢量和m=m=0,有外场Bo时，分子磁矩沿外场转向，分子磁矩的矢量和m=m0,对各向同性（均匀）磁介质，从导体横截面看，导体内部分子电流两两反向，相互抵消。导体边缘分子电流同向。,等效,对各向同性（均匀）磁介质，分子电流可等效成磁介质表面的磁化电流Is，Is产生附加磁场B。,Is,对各向同性（均匀）磁介质，磁化电流Is只出现在介质表面，介质内部无磁化电流。,磁化电流Is可产生附加磁场B，但无热效应，因为无宏观电荷的移动，磁化电流束缚在介质表面上，不可引出，因此，磁化电流也称为束缚电流。,Is,在无外磁场时，抗磁质中分子的轨道和自旋磁矩均不为零，但其和分子磁矩为零m=0，物质不显磁性。,2.抗磁质的磁化机理抗磁性,有外场时，外磁场使分子中作轨道运动的电子的角速度变化（当电子轨道运动角速度与外磁场同向时，角速度增加；当电子轨道运动角速度与外磁场反向时，角速度减小），产生一总是与外磁场B0反向的附加磁矩m0，从而产生与外场B0反向的附加磁场B。,角速度与外磁场同向时,i,产生与B0反向的附加电子磁矩m,抗磁质的总磁矩m=m0与B0反向,产生与B0反向的附加磁场B,角速度与外磁场反向时，可作类似分析而得到相同的结论。,超导体是理想的抗磁体，具有超导性和完全抗磁性。,抗磁性是一切磁介质固有的特性，它不仅存在于抗磁介质中，也存在于顺磁介质中；只不过对于顺磁介质，磁化产生的磁矩电子附加磁矩，顺磁效应抗磁效应。抗磁介质中电子附加磁矩起主要作用，显抗磁性。,说明：,由安培环路定理得：,磁介质的总场,传导电流,磁化电流总和,三、磁介质中的安培环路定理,定义磁场强度：,则有磁介质中的Ampere环流定理成为：,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I有关,与介质无关。(当I相同时，尽管介质不同，H在同一点上也不相同，然而环流却相同。因此可以用它求场量H，就象求D那样。磁场强度的单位：安培/米(A/m),说明：,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。铁磁质比顺磁质和抗磁质的磁性均要复杂。,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（BH曲线）。,顺磁质和抗磁质的磁化曲线为直线，即B与H成线性关系；而铁磁质则不同，具有非线性和磁滞性。,B,o,顺磁介质,抗磁介质,铁磁介质,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