资料课件讲义课件4-2磁介质

磁介质(研究方法与电介质类比）,磁场磁介质磁化后果影响外场,场对介质的作用和介质的磁化互相影响、互相制约研究方法磁荷观点分子环流以此观点讨论物质的磁性起源于原子的磁性原子磁性量子力学严格的磁学理论必须建立在量子力学基础上,磁性、磁介质、磁化,磁性：物质的基本属性之一，即物质的磁学特性吸铁石天然磁体具有强磁性多数物质一般情况下没有明显的磁性磁介质（magneticmedium）：对磁场有一定响应,并能反过来影响磁场的物质一般物质在较强磁场的作用下都显示出一定程度的磁性，即都能对磁场的作用有所响应，所以都是磁介质磁化（magnetization）在外磁场的作用下，原来没有磁性的物质，变得具有磁性，简称磁化。磁介质被磁化后，会产生附加磁场，从而改变原来空间磁场的分布,“分子电流”模型,问题的提出为什么物质对磁场有响应?为什么不同类型的物质对磁场有不同的响应,即具有不同的磁性？与物质内部的电磁结构有着密切的联系分子电流安培的大胆假设磁介质的“分子”相当于一个环形电流，是电荷的某种运动形成的，它没有像导体中电流所受的阻力，分子的环形电流具有磁矩分子磁矩，在外磁场的作用下可以自由地改变方向,假设的重要性,把种种磁相互作用归结为电流电流相互作用，建立了安培定律磁作用理论以“分子电流”模型取代磁荷模型，从根本上揭示了物质极化与磁化的内在联系其实在安培时代，对于物质的分子、原子结构的认识还很肤浅，电子尚未发现，所谓“分子”泛指介质的微观基本单元,“磁荷”模型要点,磁荷有正、负，同号相斥，异号相吸磁荷遵循磁的库仑定律（类似于电库仑定律）定义磁场强度H为单位点磁荷所受的磁场力把磁介质分子看作磁偶极子认为磁化是大量分子磁偶极子规则取向使正、负磁荷聚集两端的过程，磁体间的作用源于其中的磁荷但没有单独的磁极存在？,现代的观点,分子磁矩m分子=ml+ms（矢量和）轨道磁矩ml：由原子内各电子绕原子核的轨道运动决定自旋磁矩ms：由核外各电子的自旋的运动决定所谓磁化：就是在外磁场作用下大量分子电流混乱分布（无序）整齐排列（有序）每一个分子电流提供一个分子磁矩m分子磁化了的介质内分子磁矩矢量和m分子0分子磁矩的整齐排列贡献宏观上的磁化电流I（虽然不同的磁介质的磁化机制不同）,磁化的描绘,磁化强度矢量M为了描述磁介质的磁化状态（磁化方向和强度），引入磁化强度矢量M的概念磁化后在介质内部任取一宏观体元，体元内的分子磁矩的矢量和m分子0磁化程度越高，矢量和的值也越大M:单位体积内分子磁矩的矢量和,磁化电流,介质对磁场作用的响应产生磁化电流磁化电流不能传导，束缚在介质内部，也叫束缚电流。它也能产生磁场，满足毕奥-萨伐尔定律，可以产生附加场B附加场反过来要影响原来空间的磁场分布。各向同性的磁介质只有介质表面处，分子电流未被抵销，形成磁化电流,磁化电流与传导电流,传导电流载流子的定向流动，是电荷迁移的结果，产生焦耳热，产生磁场，遵从电流产生磁场规律磁化电流磁介质受到磁场作用后被磁化的后果，是大量分子电流叠加形成的在宏观范围内流动的电流，是大量分子电流统计平均的宏观效果相同之处：同样可以产生磁场，遵从电流产生磁场规律不同之处：电子都被限制在分子范围内运动，与因电荷的宏观迁移引起的传导电流不同；分子电流运行无阻力，即无热效应,磁化的后果,三者从不同角度定量地描绘同一物理现象磁化，之间必有联系，这些关系磁介质磁化遵循的规律,磁化强度矢量M与磁化电流I关系,磁化强度矢量M沿任意闭合回路L的积分等于通过以L为周界的曲面S的磁化电流的代数和，即,通过以L为界S面内全部分子电流的代数和,证明,把每一个宏观体积内的分子看成是完全一样的电流环即用平均分子磁矩代替每一个分子的真实磁矩,设单位体积内的分子环流数为n，则单位体积内分子磁矩总和为,设想在磁介质中划出任意宏观面S来考察：令其周界线为L，则介质中的分子环流分为三类,不与S相交A整个为S所切割，即分子电流与S相交两次B被L穿过的分子电流，即与S相交一次CA与B对S面总电流无贡献，只有C有贡献,在L上取一线元,以dl为轴线，a为底，作一圆柱体体积为V=adlcos，凡是中心处在V内的分子环流都为dl所穿过，V内共有分子数,N个分子总贡献,沿闭合回路L积分得普遍关系,jm：磁化电流密度表示单位时间通过单位垂直面积的磁化电流均匀磁化：M为常数，M=0，jm=0，介质内部没有磁化电流，磁化电流只分布在介质表面,通过以L为界S面内全部分子电流的代数和,积分形式,微分形式,M与介质表面磁化电流的关系,证明在介质表面取闭合回路穿过回路的磁化电流,面磁化电流密度,bc、da1，其数量级为102106以上当M与H无单值关系时，不再引用m、的概念了,地位和作用类似于e,电介质中的高斯定理,磁介质中的安培环路定理,例1一环形螺线管，管内充满磁导率为，相对磁导率为r的顺磁质。环的横截面半径远小于环的半径。单位长度上的导线匝数为n。求：环内的磁场强度和磁感应强度,解：,例2一无限长载流圆柱体，通有电流I，设电流I均匀分布在整个横截面上。柱体的磁导率为，柱外为真空。求：柱内外各区域的磁场强度和磁感应强度。,解：,在分界面上H连续,B不连续,练习一磁导率为1的无限长圆柱形直导线，半径为R1，其中均匀地通有电流I。在导线外包一层磁导率为2的圆柱形不导电的磁介质，其外半径为R2，如图所示。求磁场强度和磁感应强度的分布。,解：由安培环路定律,无限长直电流的磁场,圆电流中心的磁场,长螺线管电流中部的磁场,环形长螺线管中部的磁场,无限大均匀磁介质中磁场的毕-沙伐定律,静电场与静磁场的比较,静电场,静磁场,（稳恒磁场）,对应量,高斯定理,环路定理,性质方程,各种磁介质,磁介质分类弱磁性：顺磁质、抗磁质强磁性：铁磁质一般有两类分子无外场有外场分子磁矩m分子=ml+ms0m分子=0m分子0分子磁矩m分子=ml+ms0m分子=0m分子0顺磁质的磁化分子在外磁场作用下趋向于外磁场排列热运动与磁场作用相抵抗,抗磁质,顺磁质,抗磁质,抗磁质分子的固有磁矩m分子=ml+ms0不存在由非零的分子固有磁矩规则取向引起的顺磁效应。磁性来源？抗磁质磁性起源于电子轨道运动在外磁场下的变化电子轨道运动为什么会变化？原因：在外磁场下受洛伦兹力,分子磁矩的由来,在原子或分子内，一般不止有一个电子分子磁矩：所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和m分子=ml+ms0电子轨道磁矩,与角动量方向相反,电子自旋磁矩,若所有电子的总角动量（含轨道和自旋）为零，抗磁所有电子的总角动量（含轨道和自旋）不为零，顺磁,外磁场对电子轨道运动的影响,外磁场作用在一个抗磁原子上，考虑电子的轨道运动(设电子角速度平行于外磁场)求无外磁场时的角速度0(电子只受库仑力）,加外磁场B0，电子受库仑力、洛伦兹力（指向中心），假设轨道的半径不变（相当于定态假设），设洛伦兹力远小于库仑力,洛伦兹力远小于库仑力，高阶无穷小，略,考虑电子角速度反平行于外磁场，有同样结论，的方向总是与外磁场B0相同电子角速度改变将引起电子磁矩改变,总是与外磁场方向相反（抗磁）,抗磁性是一切磁介质共同具有的特性。在顺磁质中也有抗磁性，只是由于其固有磁矩的取向效应（增强磁场）比抗磁效应大得多，因此整体表现为顺磁（增强磁场）顺磁质和抗磁质都是弱磁质！,测量磁滞回线的实验装置,3铁磁质,铁磁质的磁化规律,1、磁化曲线,磁强计测量B,如用感应电动势测量或用小线圈在缝口处测量；,由得出曲线,铁磁质的不一定是个常数，它是的函数,原理:励磁电流I;用安培定理得H,H,B,s,b,B,H,铁磁质的磁化规律,饱和磁感应强度,s,B,s,H,.,r,剩余磁感应强度,c,矫顽力,c,.,.,r,B,e,磁滞回线,磁滞现象：B滞后于H的变化,2、磁滞回线,B的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应。每个H对应不同的B与磁化的历史有关。,磁滞回线-不可逆过程,在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高的磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。,（1）根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的“交换耦合作用”，使得在无外磁场作用时，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列，形成自发磁化达到饱和状态的微小区域。这些区域称为“磁畴”,多晶磁畴结构示意图,二、铁磁质内的磁畴结构,（2）在外磁场作用下，磁畴发生变化。分两步：,A外磁场较弱时，凡磁矩方向与外磁场相同或相近的磁畴都要扩大（畴壁向外移动）。,B外磁场较强时，每个磁畴的磁矩方向都程度不同地向外磁场方向靠拢（即取向）。外磁场越强，取向作用也越强。,此上两种变化都导致单位物理小体积内磁矩矢量和（即磁化强度M从零逐渐增大，其方向与外场相同。外磁场越强，M也越强，这便是起始磁化曲线的成因。,当再加外磁场时，M不再增加，磁化达到饱和。,（3）畴壁的外移及磁畴磁矩的取向是不可逆的，当外磁场减弱或消失时磁畴不按原来变化规律逆着退回原状。这解释了磁滞的原因。,（4）既然磁畴起因于电子自旋磁矩的自发有序排列，而热运动是有序排列的破坏者，因而当温度高于某一临界时，磁畴就不复存在，铁磁质就变为普通顺磁质。这一临界温度叫居里点。,把一块有剩磁的铁磁质加热至居里点以上再冷却，其剩磁会完全消失。,顺磁性来自分子的固有磁矩。,抗磁性起因于电子的轨道运动在外磁场作用的变化。,铁磁性起因于电子自旋磁矩的自发有序排列。,例如，铁的居里点是1043K。,三种磁介质起因的比较,显示磁畴结构的铁粉图形,纯铁,硅铁,钴,三种铁磁性物质的磁畴,Si-Fe单晶(001)面的磁畴结构,箭头表示磁化方向,3.有剩磁、磁饱和及磁滞现象。,铁磁质的特性,2.有很大的磁导率。放入线圈中时可以使磁场增强102104倍。,4.温度超过居里点时，铁磁质转变为顺磁质。,1.磁导率不是一个常量，它的值不仅决定于原线圈中的电流，还决定于铁磁质样品磁化的历史。B和H不是线性关系。,三铁磁质的应用,软磁材料作变压器的。纯铁，硅钢坡莫合金(Fe，Ni)，铁氧体等。,r大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。饱和磁感应强度大，矫顽力(Hc)小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小（HdB面积小）。,还用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。,(1)软磁材料,(2)硬磁材料作永久磁铁,钨钢，碳钢，铝镍钴合金,(3)矩磁材料作存储元件,Br=BS，Hc不大，磁滞回线是矩形。用于记忆元件，当+脉冲产生HHC使磁芯呈+B态，则脉冲产生H102A/m)，剩磁Br大磁滞回线的面积大，损耗大。,还用于磁电式电表中的永磁铁。耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。,锰镁铁氧体，锂锰铁