大学物理磁学第四节

1、一、磁介质及其分类一、磁介质及其分类 磁介质：放入磁场后受磁场影响磁介质：放入磁场后受磁场影响（磁化磁化）反过来反过来又影响磁场的介质称为又影响磁场的介质称为“磁介质磁介质”。1、磁场会使磁介质磁化、磁场会使磁介质磁化8-7 8-7 磁介质的磁化和分类磁介质的磁化和分类分子电流分子电流：把分子或原子看作一个整：把分子或原子看作一个整体，体，分子或原子中各个电子对外界所分子或原子中各个电子对外界所产生磁效应的总和产生磁效应的总和，可用一个等效的可用一个等效的圆电流表示圆电流表示，统称为，统称为分子电流分子电流。mp0B无外磁场无外磁场有外磁场有外磁场 磁化电流磁化电流 B0B 磁化电流磁化电流

2、B0B磁化面电流磁化面电流 介质磁化以后，由于分子磁矩的有序排列，其介质磁化以后，由于分子磁矩的有序排列，其宏观效果是在介质横截面边缘出现环形电流，这种宏观效果是在介质横截面边缘出现环形电流，这种电流称为电流称为磁化电流磁化电流I Is s又叫分子面电流分子面电流。2、处于磁化状态的磁介质使磁场发生变化、处于磁化状态的磁介质使磁场发生变化BBB0传导电流传导电流I激发的磁场激发的磁场0B磁化电流磁化电流Is激发的磁场激发的磁场B（相相对对磁磁导导率率）rBB 0（1）磁化电流是分子电流规则排列的宏观反映磁化电流是分子电流规则排列的宏观反映，并，并不伴随电荷的定向运动，不伴随电荷的定向运动，不产

3、生热效应不产生热效应。而传导电。而传导电流是由大量电荷作定向运动而形成的。流是由大量电荷作定向运动而形成的。（2 2）磁化电流在）磁化电流在磁效应磁效应方面与传导电流相当。方面与传导电流相当。 附加磁场附加磁场B 与外场与外场Bo同向。同向。 B Bo , r 1 附加磁场附加磁场B 与外场与外场Bo反向。反向。 B Bo , r Bo , r 1等如NPt;Cr;Mn;等如SH;Cu; Zn;Pb;B=0四类磁介质：四类磁介质：8-8 有磁介质时的安培环路定理有磁介质时的安培环路定理 磁场强度磁场强度 ：把：把分子所具有的磁矩分子所具有的磁矩统称为分子磁统称为分子磁矩，用符号矩，用符号 表示

4、。表示。mP：因进动而产生的等效磁矩称为附加磁因进动而产生的等效磁矩称为附加磁矩，用符号矩，用符号 表示。表示。mp（ ）M反映磁介质磁化程度反映磁介质磁化程度( (大小与方向大小与方向) )的物理量。的物理量。磁化强度：磁化强度：单位体积内所有单位体积内所有分子固有磁矩的矢量分子固有磁矩的矢量和和 加上加上附加磁矩的矢量和附加磁矩的矢量和 ，称为磁化强，称为磁化强度，用度，用 表示。表示。 Mmpmp均匀磁化均匀磁化非均匀磁化非均匀磁化VppMmmVpPMmmV0lim磁化强度的磁化强度的单位单位：mA/ 注意：注意：对顺磁质，对顺磁质， 可以忽略；可以忽略； 对抗磁质对抗磁质 ，对于真空，

5、对于真空， 。 mp0mp0M外磁场为零，磁化强度为零。外磁场为零，磁化强度为零。外磁场不为零外磁场不为零: :顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质同向、0BM反向、0BMlIssSlSIPssmVpMmssSlSlMABCDlsII 设介质表面沿设介质表面沿轴线方向轴线方向单位长度上的磁化电单位长度上的磁化电流为流为 （磁化面电流的线密度磁化面电流的线密度），则长为），则长为l 的一的一段介质上的磁化电流强度段介质上的磁化电流强度I IS S为为s总磁矩总磁矩磁化强度磁化强度 取一长方形闭合回路取一长方形闭合回路ABCD，AB边在磁介质边在磁介质内部，平行与柱体轴线，长度为内部，平行与柱体轴线，长度为l

6、，而，而BC、AD两两边则垂直于柱面。边则垂直于柱面。BAlMlMddABM MlsMssIllMd 磁化强度对闭合回路的线积分磁化强度对闭合回路的线积分等于通过回路等于通过回路所包围的面积内的总磁化电流。所包围的面积内的总磁化电流。MABCDlsII磁介质磁介质0B磁磁 化化磁化电流磁化电流SI附加磁场附加磁场B作用作用BBB0叠加叠加高斯定理仍然成立：高斯定理仍然成立：普遍适用普遍适用外磁场外磁场 由传导电流产生，且磁场中有磁介质时，由传导电流产生，且磁场中有磁介质时，磁场中任一点的磁感应强度磁场中任一点的磁感应强度 应为应为传导电流传导电流和和磁化电流磁化电流共同产生共同产生。磁场中安培

7、环路定理为。磁场中安培环路定理为0BB改写上式为改写上式为磁感应强度磁感应强度 沿任一闭合回路沿任一闭合回路 L 的环流，等于穿的环流，等于穿过回路所包围面积的过回路所包围面积的传导电流传导电流和和总磁化电流总磁化电流的的代代数数和和的的 倍。倍。B0定义磁场强度矢量：定义磁场强度矢量：H有介质存在时的安培环路定理为有介质存在时的安培环路定理为或或（2） 是是辅助量辅助量，决定运动电荷受力的仍为磁感应强度，决定运动电荷受力的仍为磁感应强度HB比例系数比例系数 磁介质的磁化率磁介质的磁化率， 大小仅与磁介质性质有关，是单位为大小仅与磁介质性质有关，是单位为1的量。的量。m（1）H单位（单位（SI

8、）：）：（4）由实验，对各向同性均匀磁介质，有由实验，对各向同性均匀磁介质，有（3） 此式此式普遍适用普遍适用。表示在磁场中任一。表示在磁场中任一点处，点处， 三个物理量是点点对应的关系。三个物理量是点点对应的关系。BMH,MBH0抗磁质顺磁质, 0, 0mm（5）由 得适用于各向同性磁介质适用于各向同性磁介质则有则有令令将 代入上式得相对磁导率相对磁导率磁导率磁导率对真空磁场：对真空磁场：对各向同性不均匀磁介质：对各向同性不均匀磁介质：两者为非线性关系。两者为非线性关系。对各向同性均匀磁介质：对各向同性均匀磁介质：对铁磁质：对铁磁质：对称性分布的传对称性分布的传导电流和磁介质导电流和磁介质H

9、B各向同性均匀各向同性均匀磁介质磁介质 例例 一电缆由半径为一电缆由半径为 的长直导线和套在外面单位的长直导线和套在外面单位内、外半径分别为内、外半径分别为 和和 的同轴导体圆筒组成，其的同轴导体圆筒组成，其间充满相对磁导率为间充满相对磁导率为 的各向同性顺磁质。的各向同性顺磁质。电流电流 I 由由中心导体流入中心导体流入，由外面圆筒流出由外面圆筒流出。求。求磁场分布磁场分布和和紧贴紧贴中心导线的磁介质表面的磁化电流中心导线的磁介质表面的磁化电流。1R2R3Rr 解：解：由对称性分析，由对称性分析， 线和线和 线都是在垂直于轴线的平面内，并线都是在垂直于轴线的平面内，并以轴线上某点为圆心的同心

10、圆。取以轴线上某点为圆心的同心圆。取距轴线距离距轴线距离 r 为半径的圆为安培环为半径的圆为安培环路路 L ，顺时针绕行，则有，顺时针绕行，则有HB1R2R3Rr1R2R3Rr1R2R3Rr（2）由安培环路定理得）由安培环路定理得1R2R3Rr1R1R2R2R3R3RrrOOBH12 RI所以所以又8-9 8-9 铁磁质铁磁质 本世纪初本世纪初: 电机制造电机制造, 通讯器件通讯器件50年代以后年代以后: 计算机和科学技术发展计算机和科学技术发展 用于用于 信息的存储和记录（信息的存储和记录（磁盘、磁带等磁盘、磁带等） 一、磁化曲线和磁滞回线一、磁化曲线和磁滞回线测量磁化曲线的实验装置测量磁化

11、曲线的实验装置螺绕环螺绕环0510 1520BG铁环铁环狭缝狭缝测量测量B 的探头的探头（霍耳元件）（霍耳元件）电流表电流表电阻电阻测量测量H换换向向开开关关RNInIH 2 1. 磁化曲线磁化曲线B/TH (A/m)0.21.61.41.21.00.80.60.4200 400600 800 100018765432 B =B/H为非线性关系与）（H1)(,)2(饱和状态饱和状态而变而变不随不随时时当当HBHHS 结论：结论：B/TH (A/m)0BACBsOA段：段：B随随H线性增加线性增加AB段：段：B随随H急剧增加急剧增加BC段：段：B随随H缓慢增加缓慢增加C以后：以后：B=BS)(饱

12、和状态饱和状态2. 磁滞回线磁滞回线AD-Hc cHs sBs sBCB Br r-Hs s-B-Bs sEFHc c-B-Br roBH)0, 0(rBBH剩剩余余磁磁化化 （反映保持剩余状态的能力反映保持剩余状态的能力）总体总体： B落后于落后于H的变化的变化 倍倍）（可可使使磁磁场场增增强强421010铁磁体在交变磁化磁场的作用下，铁磁体在交变磁化磁场的作用下，它的形状随之改变它的形状随之改变。二、铁磁质的二、铁磁质的临界温度：临界温度：各种铁磁质各有一临界温度各种铁磁质各有一临界温度 ，称为，称为居里点，当居里点，当 时，失去铁磁性，成为顺磁质。时，失去铁磁性，成为顺磁质。CTTCT三

13、、铁磁质的分类三、铁磁质的分类 磁滞损耗小，容易磁滞损耗小，容易磁化，容易退磁，适用磁化，容易退磁，适用于交变磁场。于交变磁场。如制造电如制造电机，变压器等的铁芯。机，变压器等的铁芯。mA102cH 磁滞磁滞回线较宽，剩余磁回线较宽，剩余磁感应强度和矫顽力感应强度和矫顽力都比较大。都比较大。不易退磁不易退磁适合于制造永磁体适合于制造永磁体mA102cH 矩磁材料：矩磁材料：磁磁滞回线接近于滞回线接近于矩形，剩余磁矩形，剩余磁感应强度感应强度B Br r接近接近于饱和磁感应于饱和磁感应强度强度B Bs s。 形成原因：形成原因：“强交换耦合作用强交换耦合作用磁矩平行排磁矩平行排列列磁畴磁畴 四、铁磁性的起因四、铁磁性的起因在铁磁质中存在着自发磁化的微小区域在铁磁质中存在着自发磁化的微小区域铁磁性的起因铁磁性的起因磁饱和状态磁饱和状态H自发磁化自发磁化壁移壁移与与 夹角较小的磁夹角较小的磁畴扩展自己的范围畴扩展自己的范围H转向转向H壁移壁移 磁滞现象：磁滞现象：磁畴的磁壁很难完全恢复原来的形磁畴的磁壁很难完全恢复原来的形状。如果撤去外磁场，磁畴的某些规则排列将状。如果撤去外磁场，磁畴的某些规则排列将被保存下来，使铁磁质保留部分磁性，这就是被保存下来，使铁磁质保