大学物理磁介质(老师课件)

1、BBBo介质的相介质的相对磁导率对磁导率一、磁介质的分类一、磁介质的分类任何实物都是磁介质任何实物都是磁介质传导电流产生传导电流产生与介质放入磁场有关的与介质放入磁场有关的0BBr 16.1 磁介质及其分类磁介质及其分类顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质0BB 0BB 如如 锌、铜、水银、铅等锌、铜、水银、铅等如如 锰、铬、铂、氧等锰、铬、铂、氧等弱磁性弱磁性物质物质铁磁质铁磁质具有显著增强原磁场的性质具有显著增强原磁场的性质强磁性物质强磁性物质, 1 r, 1 r1 r, 1r磁介质对场有影响磁介质对场有影响 总场是总场是EEE0电介质放入外场电介质放入外场0BB )(421010 r 二、二、 磁介

2、质的磁化磁介质的磁化 磁化电流磁化电流 1. 分子电流分子电流 分子磁矩分子磁矩pppmmlms00顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质pm0有磁畴有磁畴mp轨道轨道角动量角动量对应的磁矩对应的磁矩自旋自旋角动量角动量对应的磁矩对应的磁矩铁磁质铁磁质分子中电子和核的运动都能产生磁效应，分子分子中电子和核的运动都能产生磁效应，分子对外界磁效应的总和可用一个等效的圆电流来对外界磁效应的总和可用一个等效的圆电流来代替，称为分子电流，其磁矩称为分子磁矩代替，称为分子电流，其磁矩称为分子磁矩mpi2. 磁化的微观解释磁化的微观解释1) 顺磁性顺磁性无外场：无外场：0mP 顺磁质分子具有一定的磁矩顺磁质分子具有一定的

3、磁矩mPsI有外场：有外场：磁矩转向，磁矩转向，磁化电流磁化电流0B磁化磁化热运动使其热运动使其取向无规则，不显示取向无规则，不显示磁性。磁性。由于分子磁矩的取向一致由于分子磁矩的取向一致 相对应的分子电流在相对应的分子电流在介质内部相互抵消，在表面上形成磁化电流。介质内部相互抵消，在表面上形成磁化电流。如如 载流长直螺线管内部充满均匀各向同性介质载流长直螺线管内部充满均匀各向同性介质磁化电流（束缚电流）磁化电流（束缚电流）磁化磁化mp0B顺顺磁磁质质0I介质将被均匀磁化介质将被均匀磁化磁化电流磁化电流B 0BB方向与方向与 方向相同方向相同( (只有顺磁质、铁磁质才具有顺磁性只有顺磁质、铁磁

4、质才具有顺磁性) ) sI0IevmlPr0BffomlP电子轨道半径不变电子轨道半径不变)(mPmP当外场与分子轨道磁矩反方向时当外场与分子轨道磁矩反方向时emlPr0BfomPfmlP)(mP当当外场外场与分子轨道磁矩方向相同时与分子轨道磁矩方向相同时2)2)抗磁质抗磁质无外场：无外场：0mP 不显示磁性。不显示磁性。结论结论：在外场作用下，电子产生附加：在外场作用下，电子产生附加的转动，从而形成附加的的转动，从而形成附加的 , 附加磁附加磁矩总是与外场矩总是与外场 方向相反，即方向相反，即产生一产生一个与外场反向的附加磁场个与外场反向的附加磁场mPB0B注：顺磁质也有抗磁效应，但较顺磁效

5、应小得多。注：顺磁质也有抗磁效应，但较顺磁效应小得多。2) 抗磁性抗磁性mlp0B电子轨道磁矩受磁力矩方向电子轨道磁矩受磁力矩方向垂直纸面向内垂直纸面向内BpMml 轨道角动量绕磁场旋进轨道角动量绕磁场旋进电子附加一个与外场磁电子附加一个与外场磁感强度感强度 反向的磁矩反向的磁矩mp( (所有介质均具有抗磁性所有介质均具有抗磁性) )有外场时：有外场时：分子中电子的轨道角动量进动分子中电子的轨道角动量进动无外场时：无外场时：0mP 不显示磁性。不显示磁性。e Lmp0B磁化磁化0BB方向与方向与 方向相反方向相反三、磁化强度三、磁化强度 1.磁化强度磁化强度VpMimiVlim02.磁化强度与

6、磁化电流的关系磁化强度与磁化电流的关系 LlMInMjd极化强度极化强度VpPieiVlim0SsPqdnP 对比电介质对比电介质，则是，则是若各点若各点 （M表面表面）（Pn）3.磁化强度磁化强度VpMimiV0lim定义定义：单位体积内分子磁矩的矢量和：单位体积内分子磁矩的矢量和 单位：单位：A/m 磁化强度越大，反映磁介质磁化程度越强磁化强度越大，反映磁介质磁化程度越强M，则是，则是若各点若各点 4.磁化电流磁化电流(束缚电流束缚电流) 在磁介质体内取面元在磁介质体内取面元 S，求通过它的磁化电流，求通过它的磁化电流 。n S磁介质体内磁介质体内磁介质磁化后，在磁介质体内和表面上可出现磁

7、介质磁化后，在磁介质体内和表面上可出现磁化电流磁化电流 与边界上与边界上dl段套住的分子电流：段套住的分子电流： 穿过穿过 S两次的两次的i分分对对 无贡献，和无贡献，和 S 的边界相的边界相套住的套住的i分分(只穿过只穿过 S一次一次) 对对 有贡献。有贡献。 LlMId I I I n Si分分穿过穿过L所围曲面所围曲面 S 的磁化电流的磁化电流coslM dlMdLlMId 设分子浓度为设分子浓度为 n，则与边界则与边界dl套住套住(中心在中心在dV内内) 的分子电流：的分子电流：)cos(lSind分分lPnmdcos若若dl正好在磁介质边界上，则正好在磁介质边界上，则dI 表现为表现

8、为 磁化面电流。磁化面电流。Lld i分分 S磁介质磁介质ldS分分M放大放大 dd分inI磁化面电流线密度磁化面电流线密度总总Is=l LsldMIVpMm VnSIS jM磁化面电流磁化面电流Is等效等效IsBmpMBonjVnSjljjnMj 磁化强度磁化强度VpMimiVlim0磁化强度与磁化电流的关系磁化强度与磁化电流的关系 LlMInMjd极化强度极化强度VpPieiVlim0SsPqdnP 对比电介质对比电介质（M表面表面）（Pn）极化强度与极化电荷的关系极化强度与极化电荷的关系一、有介质时的安培环路定理一、有介质时的安培环路定理考虑到磁化电流，此式需修正考虑到磁化电流，此式需修

9、正16.2 有磁介质时磁场的规律有磁介质时磁场的规律内内IlBL 0d真空中真空中设：设：I0 传导电流传导电流I 磁化电流磁化电流)(内内内内IIlBL 00dlMILd000内磁磁介介质质I I0L内内00IlMBL d)(定义定义MBH 0磁场强度磁场强度得：得： LIlH内内0d的环路定理的环路定理HH的单位：的单位：真空：真空：00BHM ，A/m（SI ）01r , HHMrm1 m介质的介质的磁磁化率化率对比对比各向同性线性各向同性线性电介质电介质 EEPre100 e极极化率化率二、磁介质的二、磁介质的代入代入 ，得：，得：HBr0 H r0 磁导率磁导率MBH 0PED0ED

10、r0 r0 E 磁化规律磁化规律令令三、环路定理的应用举例三、环路定理的应用举例介质中闭合回路介质中闭合回路L所套连的磁化电流为：所套连的磁化电流为：证：证： LLmlHlMIdd0 IlHmLmd0 00II则则若若，L任取任取 且可无限缩小且可无限缩小故故 I0 = 0 处处 I = 0 LMld磁磁介介质质例例16.1 证明在各向同性均匀磁介质内，证明在各向同性均匀磁介质内，无传无传导电流处也无磁化电流。导电流处也无磁化电流。例例16.2 同轴电缆由两同心导体组成，内层是半径为同轴电缆由两同心导体组成，内层是半径为R1的导体圆柱，外层是半径分别为的导体圆柱，外层是半径分别为R2、R3的导

11、体圆筒。两的导体圆筒。两导体内电流等量而反向，均匀分布在横截面上，导体的导体内电流等量而反向，均匀分布在横截面上，导体的相对磁导率为相对磁导率为 r1，两导体间充满相对磁导率为，两导体间充满相对磁导率为 r2的不的不导电的均匀磁介质。试求在各区域中的导电的均匀磁介质。试求在各区域中的B分布。分布。解：分析知解：分析知场的分布有圆柱面对称性场的分布有圆柱面对称性。由安培环路定理，取半径为由安培环路定理，取半径为r的环路的环路: lHdrH 2 rIH20 内内IIR1R2R3 内内0I1R2R3R2r1rr:1Rr 212 RIrH 21012 RIrBr IIRrR :21rIH2 rIBr2

12、02 IRRRrIIRrR)()(:222322232 )()(22232232RRrIrRH )()(2223223012RRrIrRBr 03 IRr:0 H0 B1R2R3R2r1rrrIH20 内内221rRII 例例16.3 一充满均匀磁介质的密绕细螺绕环，一充满均匀磁介质的密绕细螺绕环， AmTAm/ 43105210In匝/求：磁介质内的求：磁介质内的MBH,解：解：398104105740 r取回路如图，设总匝数为取回路如图，设总匝数为NrHlHL2 dNI rNIH2 R1R2OrrRR 21细细螺绕环螺绕环nIH nIHB 长直螺线管亦然长直螺线管亦然nI nIHMrr)(

13、)(11 表表Mj 代入数据代入数据A/m109475 .MA/m109475 .j讨论：讨论：设想把这些磁化面电流也分成每米设想把这些磁化面电流也分成每米103匝，相当于分到每匝有多少？匝，相当于分到每匝有多少？)(.A794101094735 nj2(A)充满铁磁质后充满铁磁质后BBBBBBB或或00一、铁磁质的宏观性质一、铁磁质的宏观性质二、铁磁质的磁化二、铁磁质的磁化三、铁磁性材料的分类三、铁磁性材料的分类四、磁致伸缩四、磁致伸缩16.3 铁磁质铁磁质一、一、 铁磁质的宏观性质铁磁质的宏观性质1. r 1 可使原场大幅度增加可使原场大幅度增加2. r与磁化历史（与磁化历史（H)有关，不

14、是常数。有关，不是常数。HH rB)(TBr起始磁化曲线起始磁化曲线HBrr 00B BHBH和和 r rHH曲线是非线性关系曲线是非线性关系3. 磁滞现象磁滞现象-B的变化落后的变化落后于于H 的变化的变化4. 居里温度居里温度-铁磁性铁磁性消失的临界温度消失的临界温度二、二、 铁磁质的磁化铁磁质的磁化1. 磁畴磁畴 根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的之间存在很强的“交换耦合作用交换耦合作用”使得在无使得在无外磁场作用时外磁场作用时 电子自旋磁矩能在小区域内电子自旋磁矩能在小区域内自自发地发地平行排列平行排列 形成形成自发磁化自发磁化达到达到饱

15、和饱和状态状态的的微小区域微小区域 这些区域称为这些区域称为“磁畴磁畴”各种材料磁畴的线度相差较大。各种材料磁畴的线度相差较大。磁畴的大小约为磁畴的大小约为10-12 10-8m3一个磁畴中约有一个磁畴中约有1017 - 1021个原子。个原子。纯铁纯铁硅铁硅铁钴钴磁畴磁畴Si-Fe单晶单晶(001)面的面的磁畴结构磁畴结构箭头表示箭头表示磁化方向磁化方向0.1mm单晶磁畴结构单晶磁畴结构 示意图示意图多晶磁畴结构多晶磁畴结构 示意图示意图 用磁畴理论可以解释铁磁质的磁化过用磁畴理论可以解释铁磁质的磁化过程、磁滞现象、磁滞损耗以及居里点程、磁滞现象、磁滞损耗以及居里点磁畴取向杂乱无章磁畴取向杂

16、乱无章整个铁磁质的整个铁磁质的总磁矩为零总磁矩为零（未经磁化的铁磁质未经磁化的铁磁质）无外磁场无外磁场0B有有外外磁磁场场与与 同向的磁畴扩大同向的磁畴扩大0B磁化方向转向磁化方向转向的方向的方向0BB0逐渐增大达到一定值后，磁畴方向均指同一方向。逐渐增大达到一定值后，磁畴方向均指同一方向。磁饱和：磁饱和：2. 磁化曲线磁化曲线（B随随H变化的曲线）变化的曲线）1）起始磁化曲线）起始磁化曲线max 饱和磁感强度饱和磁感强度)T(BmaxBMNP)A/m(HOBHOAFabcdefrBrB CH CHmax 饱和磁感强度饱和磁感强度当磁化饱和后，慢慢减小当磁化饱和后，慢慢减小H 值时，值时，B

17、值并不沿起始磁化值并不沿起始磁化曲线反向逐惭减小，即铁磁曲线反向逐惭减小，即铁磁质的磁化过程不是可逆的。质的磁化过程不是可逆的。2 2）磁滞回线）磁滞回线矫矫顽顽力力时时， cHHB0剩磁剩磁rBBH 时时，0磁滞回线磁滞回线B的变化总落后于的变化总落后于H的变的变化，这种现象叫化，这种现象叫磁滞磁滞。去磁？去磁？H =0,B 0 磁滞磁滞BH关系：关系： 非线性；非线性； 非单值非单值 退磁方法退磁方法（1 1） 加交变衰减的磁场加交变衰减的磁场使介质中的磁场逐渐衰减为使介质中的磁场逐渐衰减为 0 ，应用在录音机中，应用在录音机中的交流抹音磁头中。的交流抹音磁头中。B BHHo oc ct

18、tHHo ocH（3 3）升高温度，达到居里点以上。）升高温度，达到居里点以上。使使瓦解。瓦解。（4 4）敲击法：通过振动提供使）敲击法：通过振动提供使瓦解的能量。瓦解的能量。（2 2）加反向磁场：提供矫顽力。）加反向磁场：提供矫顽力。各种铁磁质都有一临界温度，称各种铁磁质都有一临界温度，称居里点居里点。3.3.居里温度居里温度( (居里点居里点) ) T Tc c当当T Tc时，铁磁性消失，时，铁磁性消失， 铁磁质铁磁质顺磁质顺磁质 （ Fe：1040K，Co：1390K，Ni：630K）在居里温度以上的铁磁质，磁畴瓦解，失去铁在居里温度以上的铁磁质，磁畴瓦解，失去铁磁性变为顺磁质。磁性变为

19、顺磁质。磁滞损耗磁滞损耗 在交变电磁场中，铁磁质的反复磁化将引在交变电磁场中，铁磁质的反复磁化将引起介质的发热，称为磁滞损耗。起介质的发热，称为磁滞损耗。 实验和理论都可以证明：实验和理论都可以证明：磁滞损耗和磁滞回线所包围的面积成正比。磁滞损耗和磁滞回线所包围的面积成正比。 BH三三. 铁磁性材料的分类铁磁性材料的分类1）软磁材料）软磁材料BH 应用：硅钢片应用：硅钢片 作变压器、电机、作变压器、电机、电磁铁的铁芯；电磁铁的铁芯； 铁氧体（非金属）铁氧体（非金属）作高频线圈的磁芯作高频线圈的磁芯材料材料 适于交变磁场适于交变磁场 特点：磁导率大特点：磁导率大 矫顽力小矫顽力小 容易磁化容易磁

20、化 也容易退磁也容易退磁 磁滞回线窄包围面积磁滞回线窄包围面积小小 磁滞损耗小磁滞损耗小HC102 A/m 特点：特点：剩余磁感应强度大剩余磁感应强度大 矫顽力大矫顽力大 不容易磁化不容易磁化 也不容易退磁也不容易退磁 剩磁性强剩磁性强 磁滞回线宽磁滞回线宽 磁滞损耗大磁滞损耗大2）硬磁材料）硬磁材料 应用：应用：适合制作永久磁铁适合制作永久磁铁 永磁喇叭永磁喇叭用于拾音器、扩音用于拾音器、扩音器、麦克风、收录器、麦克风、收录音机等音机等BHHC 104106 A/m 应用：作计算机中的记忆元件应用：作计算机中的记忆元件 磁化时极磁化时极性的反转构成了性的反转构成了“0”与与“1”3）矩磁材料

21、：）矩磁材料：BH特点：磁滞回线呈矩形状特点：磁滞回线呈矩形状四、磁致伸缩四、磁致伸缩方方向向改改变变变变磁磁畴畴MB晶晶格格间间距距改改变变铁铁磁磁体体长长度度和和体体积积改改变变 磁致伸缩磁致伸缩长度相对改变约长度相对改变约10-5量级量级温下可达温下可达10 -1某些材料在低某些材料在低磁致伸缩有一定固有频率磁致伸缩有一定固有频率化频率和固有频率一致时化频率和固有频率一致时 发生共振发生共振当外磁场变当外磁场变可用于制作激振器、超声波发生器等可用于制作激振器、超声波发生器等导导 体体 半导体半导体 绝缘体绝缘体铁磁质铁磁质 顺磁质顺磁质 抗磁质抗磁质有静电屏蔽有静电屏蔽电介质：极化电介质：极化无磁荷无磁荷BPE o 辅助量辅助量HMB o 辅助量辅助量DHI I0 0Q Q0 0D一般无磁屏蔽一般无磁屏蔽磁介质：磁化磁介质：磁化磁介质与电介质的比较磁介质与电介质的比较 基本场量基本场量有电荷有电荷E基本场量基本场量题题1. 螺线管长螺线管长L、半径、半径a (La)、总匝数、总匝数N、电流、电流I, 管内充满管内充满 r的磁介