磁场的磁介质

1、磁场中的磁介质磁场中的磁介质2/30 物质放在电场中物质放在电场中电场作用电场作用被极化；反过来，被极化；反过来，影响电场的分布。影响电场的分布。电介质电介质 研究了电介质的极化机制、极化规律以及在电介研究了电介质的极化机制、极化规律以及在电介质中电场的分布。质中电场的分布。 物质放在磁场中物质放在磁场中磁场作用磁场作用被磁化；反过来，被磁化；反过来，影响磁场的分布。影响磁场的分布。磁介质磁介质 采用采用研究电介质相同的思路来研究磁介质研究电介质相同的思路来研究磁介质。:E束缚束缚(极化极化)电荷；电极化强度电荷；电极化强度电位移矢量电位移矢量有电介质的高斯定理有电介质的高斯定理:B束缚束缚(

2、极化极化)电流；磁化强度电流；磁化强度磁场强度磁场强度有有磁介质的安培环路定理磁介质的安培环路定理3/3011.111.1磁磁介介质质对对磁磁场场的的影影响响一、介绍一、介绍磁介质磁介质：讨论磁场与物质相互作用时，磁场：讨论磁场与物质相互作用时，磁场中的物质中的物质 磁化磁化：磁介质在磁场作用下内部状态的变：磁介质在磁场作用下内部状态的变化称为磁化。化称为磁化。物质的磁性物质的磁性：分子、原子的电结构不同，对：分子、原子的电结构不同，对磁场的影响不同，即不同磁性。磁场的影响不同，即不同磁性。BBB0 设设磁化后空间任一点的磁感应强度磁化后空间任一点的磁感应强度 为原磁为原磁场场 与磁化后产生的

3、附加磁场与磁化后产生的附加磁场 的矢量和。的矢量和。 B0BB附加磁场附加磁场真空中磁场真空中磁场磁介质总磁场磁介质总磁场4/30 相对磁导率相对磁导率r ： 描述磁介质由于本身性质决定磁描述磁介质由于本身性质决定磁化化 程度的物理量。程度的物理量。 BBB0对均匀磁介质，对均匀磁介质，.0BBr 3004rrlIBd 304rrlIBrd 电介质：极化电介质：极化 束缚电荷束缚电荷 极化强度极化强度 电位移电位移磁介质：磁化磁介质：磁化 束缚电流束缚电流 磁化强度磁化强度 磁场强度磁场强度qPDIMH5/302 顺磁质顺磁质:1 抗磁质抗磁质:3 铁磁质铁磁质:.1,磁介质内的磁场被增强r.

4、, 1 磁介质内磁场被削弱r1,r对原磁场影响很大如锌如锌,铜铜,水银水银,铅铅如锰如锰,铬铬,氧氧,氮氮如铁如铁,钴钴,镍等镍等说明说明：2）对铁磁质，）对铁磁质，r 为变量为变量3）对铁磁质中的永磁体，）对铁磁质中的永磁体，r ，不再采用该量，不再采用该量1）对弱磁性物质（顺磁质或抗磁质），）对弱磁性物质（顺磁质或抗磁质），r 为常量为常量0BB0BB二、磁介质的分类二、磁介质的分类6/3011.211.2原子原子的磁的磁矩矩磁介磁介质的质的磁化磁化一、磁介质的磁化机理一、磁介质的磁化机理1、电子磁矩和分子磁矩、电子磁矩和分子磁矩分子由原子组成；分子由原子组成；电子的自旋电子的自旋环绕原子

5、核的高速旋转环绕原子核的高速旋转原子核原子核电子电子原子原子一个电子电流环一个电子电流环磁矩磁矩定义：电子轨道磁矩为电子磁矩定义：电子轨道磁矩为电子磁矩em分子中所有电子分子中所有电子( (不是自由电子不是自由电子) )电流环电流环的对的对外产生磁效应的总效果等效为一个电流环外产生磁效应的总效果等效为一个电流环分分子电流子电流分子分子( (固有固有) )磁矩：磁矩：emmeiveemner7/302、分子磁矩与电子角速度关系、分子磁矩与电子角速度关系分子磁矩：分子磁矩：nmISe/em由于电子带负电，由于电子带负电，电子绕核旋电子绕核旋转周期：转周期：22erTv电子电流环电子电流环的电流：的

6、电流：2eeeiT 222enneermiSei r e 22eeermm 当当const.r 22eeermeiveemner8/30顺磁质顺磁质: 分子分子固有磁矩不为零固有磁矩不为零。(类似电介质中有极分子类似电介质中有极分子)当当 时时00 B当当00 B, 0im. 0im分子磁矩受外磁场磁力距作用分子磁矩受外磁场磁力距作用,BmMm分子磁矩倾向于沿外磁场方向排列，磁矩分子磁矩倾向于沿外磁场方向排列，磁矩的矢量和沿外磁场方向有一定量值，即的矢量和沿外磁场方向有一定量值，即00B0BmBi3、顺磁质的磁化、顺磁质的磁化（无序无序有序有序）9/30有序排列的分子磁矩，在宏观上形成束有序排

7、列的分子磁矩，在宏观上形成束缚电流缚电流 ，它产生附加磁场，它产生附加磁场 ， BI10 rBB ,)(|0BIm固有磁矩固有磁矩0B外磁场外磁场B附加磁场附加磁场BI0B0| BB10/30, 时 00 B , 时 00 B0im产生附加磁矩产生附加磁矩 与与 反向。反向。,em0B, 反向 与 0BB附加磁场, 场合 0BBB磁. 10rBBLBmMLemem0BeMLemem0BeM 抗磁质：分子固有磁矩为零。抗磁质：分子固有磁矩为零。(类似无极分子类似无极分子)4、抗磁质的磁化、抗磁质的磁化11/30(a)(b)(c)12/300B外磁场外磁场mBI0B0| BBBBB0B附加磁场附加

8、磁场I分子感应磁矩在宏观上形成束缚电流分子感应磁矩在宏观上形成束缚电流 ，它产，它产生附加磁场生附加磁场 。BI)(|0B0BB13/30说明：说明： 抗磁效应抗磁效应普遍存在。顺磁质中也有，只是普遍存在。顺磁质中也有，只是顺磁质的磁化效应大于抗磁效应，宏观就顺磁质的磁化效应大于抗磁效应，宏观就表现为顺磁性。表现为顺磁性。 铁磁质铁磁质的磁化机制类似于顺磁质。铁磁质的磁化机制类似于顺磁质。铁磁质中存在一种天然磁化单元中存在一种天然磁化单元磁畴磁畴（在一（在一个微观较大的区域里分子固有磁矩同向排个微观较大的区域里分子固有磁矩同向排列）。在外磁场的作用使磁畴的排列趋向列）。在外磁场的作用使磁畴的排

9、列趋向于磁场方向，由于有序性很强，宏观上表于磁场方向，由于有序性很强，宏观上表现强磁化。现强磁化。im14/30 介质表面出现磁化电流介质表面出现磁化电流0BsILS0BsI顺磁质顺磁质0BsILS0BsI抗磁质抗磁质15/30二、磁化强度和磁化电流二、磁化强度和磁化电流VM 内Vim1、引入、引入单位体积内的分子磁矩的矢量和单位体积内的分子磁矩的矢量和, 描述磁介质磁化程度描述磁介质磁化程度2、定义、定义 磁介质中单位体积内所有分子磁矩的矢量和磁介质中单位体积内所有分子磁矩的矢量和3、单位、单位安培安培/米米 (A/m)4、说明、说明磁化强度是描述磁介质的宏观量磁化强度是描述磁介质的宏观量与

10、介质特性、温度与统计规律有关与介质特性、温度与统计规律有关顺磁质顺磁质M与与B0同向，所以同向，所以B 与与B0同方向同方向抗磁质抗磁质 反向，所以反向，所以 反方向反方向16/30 理论上可以证明：理论上可以证明： 束缚面电流密度与磁化强度的关系为：束缚面电流密度与磁化强度的关系为：Mj 实验证明：实验证明：均匀、各向同性的弱磁介质被磁化时，有均匀、各向同性的弱磁介质被磁化时，有BMBMrr01磁化场强度的环流等于与回路磁化场强度的环流等于与回路 相套的相套的束缚电流的电流强度束缚电流的电流强度 ：LIM dl ILVmMi ViS jlSjlS 17/3011.411.4H H的的环环路路

11、定定理理一、磁介质中的高斯定理一、磁介质中的高斯定理 磁介质中的高斯定理磁介质中的高斯定理磁感线无头无尾。穿过任何一个闭合曲面磁感线无头无尾。穿过任何一个闭合曲面的磁通量为零。的磁通量为零。SBB0sB dS0BBB磁感应强度磁感应强度 是外加磁场是外加磁场 与介质内束与介质内束缚电流产生的缚电流产生的 的合场强的合场强. .B0BB18/30二、磁介质中的安培环路定理二、磁介质中的安培环路定理)()(000IIl dBBLIIl dBL000Il dML LLl dMIl dB00 MBH 0 引入引入 0Il dHL得得 H于是于是有有00Il dMBL：沿任一闭：沿任一闭合路径磁场强度的

12、环合路径磁场强度的环路积分等于与该闭合路积分等于与该闭合路径相套的自由电流路径相套的自由电流的代数和。的代数和。自由电流自由电流束缚电流束缚电流19/30对均匀、各向同性的磁介质：对均匀、各向同性的磁介质：r0BMrr0100001rrrBBBHMB BBHr0 磁场强度磁场强度 是一个辅助量，它本身无物理意义。是一个辅助量，它本身无物理意义。与与 类似类似D 利用利用 的环路定理可以在有对称性的情况下，求的环路定理可以在有对称性的情况下，求出出 ；进而求出；进而求出 的分布（均匀、各向同性介的分布（均匀、各向同性介质质 ）。）。BHBr0HHH20/30引进磁场强度的物理意义引进磁场强度的物

13、理意义在磁介质中，磁场强度的环流为在磁介质中，磁场强度的环流为 Il dHl在磁介质中，磁感应强度的环流为在磁介质中，磁感应强度的环流为 Il dBrl 0毕一萨定律毕一萨定律34rrlIdBd 341rrlIdHd 21/30计算有磁介质存在时的磁感应强度计算有磁介质存在时的磁感应强度B求出磁场强度求出磁场强度H后后 由由B=H求磁感应强度求磁感应强度B 。cbadBB0I0I例例1、长直螺旋管内充满均匀磁、长直螺旋管内充满均匀磁介质介质(r)，设励磁电流，设励磁电流I0，单位，单位长度上的匝数为长度上的匝数为n。求管内的磁。求管内的磁感应强度。感应强度。解：因管外磁场为零，取如解：因管外磁

14、场为零，取如图所示安培回路图所示安培回路 Il dHl0nlIlH 0nIH 000nIHBrr 22/30rIH 2 II例例2、长直单芯电缆的芯是一根半径为、长直单芯电缆的芯是一根半径为R 的金属导体，的金属导体，它与外壁之间充满均匀磁介质，电流从芯流过再沿外它与外壁之间充满均匀磁介质，电流从芯流过再沿外壁流回。求介质中磁场分布。壁流回。求介质中磁场分布。R Il dHlrrIHBrr 200 方向沿圆的切线方向方向沿圆的切线方向B解：取如图所示安培回解：取如图所示安培回路路23/3011.511.5铁铁磁磁质质铁磁质的特性铁磁质的特性1在外磁场作用下能产生很强的磁感应强度；在外磁场作用下

15、能产生很强的磁感应强度；2当外磁场停止作用时，仍能保持其磁化状当外磁场停止作用时，仍能保持其磁化状态；态；3B与与H之间不是简单的线性关系；之间不是简单的线性关系；4铁磁质都有一临界温度。铁磁质都有一临界温度。在此温度之上，铁磁性完全消失而成为顺在此温度之上，铁磁性完全消失而成为顺磁质磁质居里温度或居里点。居里温度或居里点。铁铁10430C镍镍6300C钴钴13900C铁磁质的起因可以用铁磁质的起因可以用“磁畴磁畴”理论来解释。理论来解释。24/30一、磁化曲线一、磁化曲线装置装置环形螺绕环环形螺绕环 2NIHr 实验测量实验测量B。原理原理励磁电流励磁电流 I；用安培定理得；用安培定理得H磁

16、化曲线磁化曲线铁磁质铁磁质 很大，且随外很大，且随外磁场而变化，磁场而变化，B与与H之之间为非线性关系。间为非线性关系。oHB)(HABCSSB25/30初始磁化曲线初始磁化曲线OM，H 增加，增加，B 增加增加MN，H 变大，变大，B 急剧增大，急剧增大，NP，H 增加，增加，B增加，增加十分缓慢增加，增加十分缓慢P， H增加增加 ，B到饱和状态到饱和状态当全部磁畴都沿外磁场方向时，铁磁当全部磁畴都沿外磁场方向时，铁磁质的磁化就达到饱和状态。质的磁化就达到饱和状态。饱和磁化强度饱和磁化强度MS等于每个磁畴中原来等于每个磁畴中原来的磁化强度，该值很大，这就是铁磁质的磁化强度，该值很大，这就是铁

17、磁质磁性磁性 r大的原因。大的原因。磁化曲线的重要性磁化曲线的重要性根据根据BH之间的关系，若已知一个量可求出另一个量。之间的关系，若已知一个量可求出另一个量。在设计电磁铁，变压器以及一些电气设备时，磁化曲线在设计电磁铁，变压器以及一些电气设备时，磁化曲线是很重要的实验依据。是很重要的实验依据。HBOMNBHP26/30HBcHcHrBSBB的变化落后于的变化落后于H的变化的现象，叫的变化的现象，叫做磁滞现象，简称磁滞做磁滞现象，简称磁滞剩磁剩磁Br：当磁场强度减小到零时，磁当磁场强度减小到零时，磁感应强度并不等于零，而是感应强度并不等于零，而是仍有一定的数值仍有一定的数值Br ， Br叫做叫

18、做剩余磁感应强度，简称剩磁。剩余磁感应强度，简称剩磁。饱和磁感应强度饱和磁感应强度BS：所有磁畴都与外场方向一致。相应所有磁畴都与外场方向一致。相应的磁场强度称为的磁场强度称为饱和磁场强度饱和磁场强度，磁，磁感应强度称为感应强度称为饱和磁感应强度饱和磁感应强度。矫顽力矫顽力HC：当当H=-Hc时，铁磁质的剩磁就时，铁磁质的剩磁就消失了，铁磁质不显磁性。消失了，铁磁质不显磁性。通常把通常把Hc叫做叫做矫顽力矫顽力。铁磁质在交变电流的励磁下反铁磁质在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高的，要损复磁化使其温度升高的，要损失能量，称为磁滞损耗，磁滞失能量，称为磁滞损耗，磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。成正比。磁滞磁滞 现象是由于掺杂和内应现象是由于掺杂和内应力等的作用，当撤掉外磁场时力等的作用，当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状，而表现出来。形状，而表现出来。二、磁滞回线二、磁滞回线27/30软磁材料：软磁材料： 特点：相对磁导率和饱和特点：相对磁导率和饱和B一般都较一般都较大，但大，但矫顽力小矫顽力小，磁滞回线的面积窄磁滞回线的面积窄而长，损耗小。而长，损耗小。易磁化、易退磁。易磁化、易退磁。例子：如例子：如纯铁，硅钢坡莫合