磁介质介质中安培环路定理铁磁质实用教案

1、 了解磁介质的磁化现象了解磁介质的磁化现象(xinxing)及其微观及其微观解释解释. 了解磁场强度了解磁场强度(cchng qingd)的概念以及在各向同的概念以及在各向同性介质中性介质中H和和B的关系的关系, 了解磁介质中的安培环路定理了解磁介质中的安培环路定理 . 了解了解(lioji)铁磁质的特性铁磁质的特性.第1页/共29页第一页，共30页。一一 磁介质及分类磁介质及分类(fn li)0BBB介质磁化后的介质磁化后的附加磁感强度附加磁感强度真空中的真空中的磁感强度磁感强度 磁介质中的磁介质中的总磁感强度总磁感强度1. 磁介质磁介质 任何任何(rnh)实物都是磁介质实物都是磁介质r 反

2、映反映(fnyng)磁介质被磁化后对原磁场的影磁介质被磁化后对原磁场的影响程度响程度 rBB0 相对磁导率相对磁导率 第2页/共29页第二页，共30页。2. 磁介质的分类磁介质的分类(fn li)顺顺磁质磁质抗抗磁质磁质1r减弱减弱(jinru)原场原场0BB 1r增强增强(zngqing)原场原场0BB 如金、银、铜、锌、水银、铅、氢、硫等如金、银、铜、锌、水银、铅、氢、硫等如如 锰、铬、铂、氧、氮等锰、铬、铂、氧、氮等弱弱磁磁性性物物质质顺磁质和抗磁质的相对磁导率都非常接近于顺磁质和抗磁质的相对磁导率都非常接近于1。铁铁磁质磁质)1010(421r通常不是常数通常不是常数具有显著的增强原磁

3、场的性质具有显著的增强原磁场的性质强磁性物质强磁性物质0BBBrBB0如 铁、钴、镍等第3页/共29页第三页，共30页。磁介质的分类(fn li) 铝 第4页/共29页第四页，共30页。分子电流和分子电流和分子固有磁矩分子固有磁矩mPI二二 磁化磁化(chu)机理机理分子分子(fnz)固有固有磁矩：磁矩：轨道轨道(gudo)运动运动轨道磁矩轨道磁矩自旋运动自旋运动自旋磁矩自旋磁矩原子核原子核电子电子核磁矩核磁矩 分子中所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢分子中所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量总和量总和第5页/共29页第五页，共30页。qv0B0B,m反反向向时时 抗磁质的分子固有磁矩为零 0mP

4、0BBB抗磁质内磁场Fmm抗磁质的磁化抗磁质的磁化(chu)qv0B,m同同向向时时0BFmmmPm分子分子(fnz)的附加磁矩的附加磁矩与外磁场与外磁场(cchng)方向相反方向相反第6页/共29页第六页，共30页。无外磁场顺顺 磁磁 质质 的的 磁磁 化化0B有外磁场sIB顺磁质分子固有磁矩不为零 0mP0BBB顺磁质内磁场第7页/共29页第七页，共30页。三三 磁化磁化(chu)强度强度 磁化磁化(chu)电流电流*VPMm分子磁矩分子磁矩的矢量和的矢量和体积元体积元1mA单位单位（安安/米米） 意义意义 磁介磁介质中单位体积内质中单位体积内分子的合磁矩分子的合磁矩.0BBB顺磁质内磁场

5、0BBB抗磁质内磁场对真空对真空 =0,=0,如果介质内各点如果介质内各点 相同相同, ,称称均匀磁化均匀磁化MM第8页/共29页第八页，共30页。附：磁化附：磁化(chu)电流电流(magnetization current) 介质介质(jizh)磁化的宏观效果是在介质磁化的宏观效果是在介质(jizh)横截面边缘出现环形电流，这种电流横截面边缘出现环形电流，这种电流称为称为“磁化电流磁化电流Is”（磁化面电流）。（磁化面电流）。M0B磁化磁化(chu)电流与传导电流的区别：电流与传导电流的区别： 磁化磁化(chu)电流是分子内电荷运电流是分子内电荷运动一段段接合而成，不同于传导电流动一段段接

6、合而成，不同于传导电流的电荷定向运动，又称束缚电流，其的电荷定向运动，又称束缚电流，其磁效应与传导电流相当，但不产生热磁效应与传导电流相当，但不产生热效应。效应。磁化面电流的线密度：LIjss介质中的总磁矩：介质中的总磁矩：SIPPsmmssSjLSLSjVSIMsjM 磁化强度在数值上等于磁化面电流的线磁化强度在数值上等于磁化面电流的线密度密度，两者关系由右螺旋法则确定。上式，两者关系由右螺旋法则确定。上式适用于均匀磁介质被均匀磁化的情况。适用于均匀磁介质被均匀磁化的情况。sLIlMd第9页/共29页第九页，共30页。磁介质中的磁介质中的高斯定理高斯定理磁磁介质中磁场：介质中磁场：BBB0

7、无论是否有磁介质存在无论是否有磁介质存在(cnzi)，磁高斯定理都是，磁高斯定理都是普遍成立的。普遍成立的。 0dSBS 由磁化电流产生的微观机理由磁化电流产生的微观机理(j l)(j l)可知：磁化电流可知：磁化电流与传导电流在产生磁场方面等效。与传导电流在产生磁场方面等效。一一 磁介质中的高斯定理磁介质中的高斯定理第10页/共29页第十页，共30页。二二 磁介质中的安培磁介质中的安培(npi)环路定理环路定理LM0BB如图取如图取L回路回路(hul)（d内Ls00IIlBL)d(00LlMI00dIlMBL单位单位(dnwi)：Am-1磁场强度磁场强度 MBH0 磁介质磁介质中的中的安培环

8、路安培环路定理定理 IlHldsLIlMd第11页/共29页第十一页，共30页。HBMBH00HM各向同性均匀各向同性均匀磁介质磁介质（磁化率）（磁化率）H)(B101r相对相对磁导率磁导率r0磁磁 导导 率率 各向同性均匀磁介质各向同性均匀磁介质HHBr0 磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 IlHldr111顺磁质顺磁质（非常数）（非常数）抗磁质铁磁质第12页/共29页第十二页，共30页。 各向同性均匀磁介质各向同性均匀磁介质HHBr0)(d00sLIIlBL 包含电流(传导,束缚)仅包含传导电流用用 表示安培环路定理表示安培环路定理niiLIlB10dBIlHLdH用用 表示安

9、培环路定理表示安培环路定理完全等价第13页/共29页第十三页，共30页。用磁介质中的安培用磁介质中的安培(npi)环路定律环路定律解题解题1. 分析分析(fnx)磁场的对称性。磁场的对称性。2. 选取选取(xunq)积分回路积分回路3. 计算计算 磁介质磁介质中的中的安培环路安培环路定理定理 IlHldl 仅包含传导电流HHBr04. 利用利用第14页/共29页第十四页，共30页。Irr 例例 有两个半径分别为有两个半径分别为 和和 的的“无限长无限长”同同轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁导率为轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁导率为 的的磁介质磁介质.当两圆筒通有相反方向的电流当两圆筒通有

10、相反方向的电流 时，试时，试 求求（1）磁介质中任意点）磁介质中任意点 P 的磁感应强度的的磁感应强度的 大小大小;（2）圆柱体外面一点）圆柱体外面一点 Q 的的 磁感强度磁感强度.rrRI解解 对称性分析对称性分析(fnx)RdrIlHldIdH 2dIH2dIHB2r0dIR第15页/共29页第十五页，共30页。0,02HdH0HB0,Brd同理可求同理可求RdrdIB2r0Rd 0IIlHldIrrIRd第16页/共29页第十六页，共30页。 无限长直无限长直(chn zh)载流导线通有电流载流导线通有电流I1 ，在同，在同一平面内有长为一平面内有长为L的载流直导线，通有电流的载流直导线

11、，通有电流I2求：长为求：长为L的导线所受的安培力的导线所受的安培力aI1dxxxO课课 堂堂 练练 习习I2第17页/共29页第十七页，共30页。xdxaI1xOI2解：解：在在L上任取上任取,lId2受力方向受力方向(fngxing)如图，如图，恒不变。恒不变。xIB210o2sin90ddBxIFxxIId2210根据根据(gnj)安培力公式：安培力公式：LaaxxIIdFFd2210aLalnII2210BlIF ddlId2Fd第18页/共29页第十八页，共30页。一一 铁磁质的特点铁磁质的特点(tdin)（4）存在）存在(cnzi)居里居里点：点：（1）高磁导率：（2）非线性：非线

12、性：（3）具有磁滞）具有磁滞(c zh)现象：现象：铁：铁：T=1040K 镍：镍：T=631K临界温度时，失去铁磁性成为顺磁质。临界温度时，失去铁磁性成为顺磁质。B的变化落后于的变化落后于H的变化。的变化。B和和H呈非线性关系，呈非线性关系， r很大但不是常量。很大但不是常量。磁化后能产生很强的附加磁场。第19页/共29页第十九页，共30页。二二 铁磁质的磁化铁磁质的磁化(chu)规律规律 磁滞回线磁滞回线实验实验(shyn)：铁磁质为芯的螺线管，通以电流：铁磁质为芯的螺线管，通以电流 InIH 改变改变(gibin) I，测量，测量 H 值和值和 B 值值画出画出BH曲线曲线由画出 曲线H

13、HBBSB曲线HB MNPHOHmaxOi曲线H安培环路定理安培环路定理第20页/共29页第二十页，共30页。SBSHPrBcHSHPSBHBOQ磁滞回线磁滞回线OP：起始：起始(q sh)磁化磁化曲线曲线Bs： 饱和饱和(boh)磁感磁感应强度应强度Br： 剩余磁感应强度剩余磁感应强度(qingd)（剩磁）（剩磁）HC：矫顽力矫顽力磁滞效应：磁滞效应： 铁磁芯中感应强度铁磁芯中感应强度B变化变化落后落后于磁场强度于磁场强度H的变化。的变化。磁滞损耗：磁滞损耗：磁化过程中由于磁滞效应造成的能量损耗。磁化过程中由于磁滞效应造成的能量损耗。 理论表明，缓慢磁化的情况下，沿磁滞回线经历一个循环，理论

14、表明，缓慢磁化的情况下，沿磁滞回线经历一个循环，磁滞损耗与磁滞回线面积成正比。磁滞损耗与磁滞回线面积成正比。第21页/共29页第二十一页，共30页。三三 铁磁质的种类铁磁质的种类(zhngli)BHO软磁材料磁滞损耗小，容易磁化，磁滞损耗小，容易磁化，容易退磁，适用容易退磁，适用(shyng)(shyng)于交变磁于交变磁场。如制造电机，变压场。如制造电机，变压器等的铁芯。如纯铁、器等的铁芯。如纯铁、硅钢片硅钢片 BHO硬磁材料硬磁材料矫顽力较大矫顽力较大(jio (jio d)d)，磁滞损耗较大，磁滞损耗较大(jio d)(jio d)，不易，不易磁化，不易退磁，适磁化，不易退磁，适合于制造

15、永磁体合于制造永磁体 如如钴钢、碳钢、铁氧体钴钢、碳钢、铁氧体BHO矩磁材料矩磁材料 适合于制作适合于制作记录磁带及计算记录磁带及计算机的记忆元件。机的记忆元件。 实验表明，不同铁磁性物质的磁滞回线形状相差很大，分为实验表明，不同铁磁性物质的磁滞回线形状相差很大，分为软软磁材料，磁材料，硬硬磁材料，磁材料，矩矩磁铁氧体材料。磁铁氧体材料。第22页/共29页第二十二页，共30页。四四 铁磁质的磁化铁磁质的磁化(chu)机理机理 磁畴磁畴在铁磁质内，相邻电子间存在铁磁质内，相邻电子间存在很强的在很强的“交换耦合作用交换耦合作用”，使得无外磁场时电子自旋磁使得无外磁场时电子自旋磁矩能在一个个微小区域

16、内自矩能在一个个微小区域内自发发(zf)(zf)地平行排列，形成地平行排列，形成的自发的自发(zf)(zf)磁化小区域，磁化小区域，称为称为“磁畴磁畴”。 铁磁质的磁性主要铁磁质的磁性主要(zhyo)(zhyo)来源于电子的自来源于电子的自旋磁矩。旋磁矩。第23页/共29页第二十三页，共30页。H自发磁化自发磁化磁化(chu)过程：磁矩转向磁矩转向磁饱和状态磁饱和状态 磁滞现象： 撤去外场，磁壁很难完全恢复原状，保留部分磁性，这就是剩磁。 居里点： 当温度升高到居里点时，剧烈的热运动使磁畴全部瓦解(wji)，铁磁质就成为一般顺磁质。畴壁移动畴壁移动T KT K 第24页/共29页第二十四页，共

17、30页。传统(chuntng)磁性材料 有机(yuj)磁性材料 都是周期表中的过渡族金属元素、稀土族元素及其化合物。具有密度大、难加工合成等缺点,已无法满足现代电子工业(gngy)的许多特殊需要。 有机磁性材料具有诸如密度小、重量轻、不易氧化、易加工成型等许多无机物所无法取代的优点。其结构种类的多样性,可用化学方法合成,可得到磁性能与机械、光、电等方面结合的综合性能,具有磁损耗小等特点。 在超高频装置、高密度存贮材料、吸波材料、微电子工业和宇航等需要轻质磁性材料的领域有很大的应用前景。补充：有机磁性材料 第25页/共29页第二十五页，共30页。一一 磁介质及分类磁介质及分类(fn li)r0磁

18、磁 导导 率率r111顺磁质顺磁质（非常数）（非常数）抗磁质铁磁质二二 磁介质的磁化磁介质的磁化(chu)*无外磁场顺顺 磁磁 质质 的的 磁磁 化化0B有外磁场sI小小 结结第26页/共29页第二十六页，共30页。qv0B0,B 同同向向时时qv0,B 反反向向时时0B无外磁场时抗磁质分子磁矩为零 0m0BBB抗磁质内磁场FmFmmm抗磁质的磁化抗磁质的磁化(chu)第27页/共29页第二十七页，共30页。无外磁场B有外磁场三三 磁介质的安培磁介质的安培(npi)环路定律环路定律 磁介质磁介质中的中的安培环路安培环路定理定理 IlHld 各向同性磁介质各向同性磁介质HHBr0第28页/共29页第二十八页，共3