第16章有磁介质存在时的磁场_图文

1、第16章有磁介质存在时的磁场§1 磁介质对磁场的影响§2 原子的磁矩§3 磁介质的磁化§4 H矢量及其环路定理§5铁磁质12B B B o =+'顺磁质抗磁质铁磁质§1磁介质对磁场的影响有介质时的磁场可表示为传导电流产生与介质有关的电流产生r B B =111r r r >>在介质均匀充满磁场的情况下介质的相对磁导率,它随磁介质的种类或状态的不同而不同。r 磁介质的分类:3§2原子的磁矩原子中的电子有绕核的轨道运动,同时还有自旋;这两种运动都会产生磁场。类似载流圆线圈磁矩的定义,我们也可引进电子的磁偶极矩

2、(简称磁矩m :原子内沿着圆形轨道的等效电流为:re I 2ev=n eIS m =其中为圆面积的正法线方向的单位矢量,它与电流流向满足右手螺旋关系。n e r2v =假设电子质量m e,在半径为r的圆周上以恒定的速率v绕原子核运动,则电子绕核运动的回旋频率为:4Z Lv同时,电子具有做轨道运动的角动量:rm L e v =代入上式:Lm e m e2=电子的角动量与磁矩反向故上式的矢量式为:Lm em e2-=evrev 2122=r r IS m 由此,电子轨道运动的磁矩为:5在量子理论中,轨道磁矩的值是量子化的,最小值称为玻尔磁子:2241027.92mA =-em e m对于电子的内禀

3、自旋磁矩与自旋角动量s 的关系:2 ,的大小等于s S m em eB -=物质的磁性由电子轨道磁矩和自旋磁矩共同决定。原子核也有磁矩,但都小于电子磁矩的千分之一,一般情况下都不考虑。在正常情况下,如果分子磁矩的矢量和为零,该物质为抗磁质;如果分子磁矩的矢量和具有一定的值,这个值叫分子的固有磁矩,该物质为顺磁质;铁磁质是顺磁质的一种特殊情况。6还可以证明,在外磁场的作用下,一个电子的轨道运动和自旋运动以及原子核的自旋运动都会发生变化,并产生一附加磁矩,其方向都是和外加磁场的方向相反的。m 对抗磁质的分子来说,虽然没有固有磁矩,但其在外磁场中会产生附加磁矩的矢量和就是该分子在外磁场中产生的感生磁

4、矩。由于其方向和外磁场方向相反,所以表现出抗磁性。对顺磁质的分子来说,即有固有磁矩,又有感生磁矩。由于感生磁矩要比固有磁矩小到5个数量级以下,所以其和矢量的方向和外磁场方向相同,所以还是表现出顺磁性。7§3磁介质的磁化二、磁化电流(束缚电流在外磁场作用下,由于分子磁矩的取向一致,考虑到分子电流在介质表面总效应相对应的电流叫束缚电流。m 每个分子等效一个圆电流一、分子电流分子磁矩由于顺磁质分子的固有磁矩在磁场中定向排列或抗磁质分子在磁场中产生了感应磁矩,因而在磁介质表面上出现束缚电流的现象叫磁介质的磁化。B 均匀磁场螺线管截面m p I '如长直螺线管内部充满均匀的各向同性介质

5、被均匀磁化8三、磁化强度1.磁化强度V p M imiV lim 0= 2.磁化强度与磁化电流的关系='='L lM I n M j d 极化强度Vp P i eiV lim 0= -='S s P q d n P =' 对比电介质9§4H矢量及其环路定理一、有介质时的环路定理=SL S B I l B (2 01 int 0 d d 真空考虑到磁化电流(1式则需加以修正10设:I 0 传导电流I ' 磁化电流(int int ,00I I l B L'+= d l M I L d +=0int ,00磁介质I 'int ,00

6、(I l M B L =- d M B H -=0定义:磁场强度H I 0L11得:=LI l H i n t ,0 d H 的单位:真空中:00BH M=,。A/m 410Oe 13=奥斯特Oe (SGSM ,A/m (SI ;MBH -=磁场强度int,00(I l M BL=-d 的环路定理H一般情BBH M r=00,12解:根据题意,在垂直于电缆轴的平面内作一圆心在轴上、半径为r的圆周L。对此圆周应用H的环路定理,得I rH I r d H L=2int ,0 由此得rI H 2=在利用B与H得关系,得IrB r20=一根长直单芯电缆的芯是一根半径为R的金属导体,它和导电外壁之间充满

7、相对磁导率为的均匀介质(如图。今有电流I 均匀地流过芯的横截面并沿外壁流回。求磁介质中磁感应强度的分布。r B线是在与电缆轴垂直得平面内圆心在轴上得同心圆13在铁磁质磁化特许的测量实验中,设所用的环形螺线管上共有1000匝线圈,平均半径未15.0cm ,当通有2.0A 电流时,测得环内磁感应强度B=1.0T,求:(1螺绕环铁心内的磁场强度H;(2该铁磁质的磁导率和相对磁导率。r 解:(1根据题意,取回路如图,半径为r的圆周。对此圆周应用H的环路定理,得NI rH I r d H L=2int ,0 由此得r NI H 2=(101.215.02210003m A =14在铁磁质磁化特许的测量实

8、验中,设所用的环形螺线管上共有1000匝线圈,平均半径未15.0cm ,当通有2.0A 电流时,测得环内磁感应强度B=1.0T,求:(2该铁磁质的磁导率和相对磁导率。r 解:(2根据B与H的关系HH B r 0=得:(243/107.4101.21m A H B -=2740108.3104107.4=-r15一、铁磁质的宏观性质1. r >>1 可使原场大幅度增加2. r 与磁化历史有关B-H 非线性装置HHrB (T B r起始磁化曲线§5 铁磁质I 称为励磁电流磁饱和状态163. 磁滞效应B B r -B r H c-H cHr B -剩磁c H -矫顽力磁滞回线不

9、同得铁磁质的磁滞回线的形状不同,可将磁性材料分成以下几种:软磁材料B H 应用:硅钢片,作变压器、电机、电磁铁的铁芯,铁氧体(非金属作高频线圈的磁芯材料特点:磁导率大,矫顽力小,容易磁化也容易退磁,磁滞回线包围面积小,磁滞损耗小。硬磁材料特点:剩余磁感应强度大,矫顽力大,不容易磁化,也不容易退磁,磁滞回线宽,磁滞损耗大。应用:作永久磁铁,永磁喇叭。BH矩磁材料:特点:磁滞回线呈矩形状应用:作计算机中的记忆元件,磁化时极性的反转构成了“0”与“1”。BH4. 居里点由实验现象得到,当温度高达一定程度时,铁磁材料的磁滞效应将消失而成为普通的顺磁质。这一温度叫居里点,或居里温度。20二、铁磁性起因量

10、子理论磁畴-电子的自旋磁矩可以不靠磁场而取得一致的方向。各种材料磁畴的线度相差较大。一个磁畴中约有1012 -1015个原子,线度约为10-4m的区域。21磁畴纯铁硅铁钴Si-Fe单晶(001面的磁畴结构箭头表示磁化方向1mm单晶磁畴结构示意图多晶磁畴结构示意图磁滞损耗在交变电磁场中,铁磁质的反复磁化将引起介质的发热,称为磁滞损耗。实验和理论都可以证明,磁滞损耗和磁质回线所包围的面积成正比。BH思考题：16.1、16.2、16.3 16.1 将磁介质样品装入试管中，用弹簧吊起来 挂到一竖直螺线管的上端开口处。当螺线管通电 流后，则可发现随样品的不同，它可能受到该处 不均匀磁场的向上或向下的磁力。这是一种区分 样品是顺磁质还是抗磁质的精细的实验。受到向 上的磁力的样品是顺磁质还是抗磁质？ 答：是抗磁质。 提示：分别假设是顺磁质和抗磁质，分析其在 外磁场中的受力情况。 26 16.2 一块永磁铁落到地板上就可能部分退 磁。为什么？把一根铁条南北放置，敲几 下，就可能磁化，又为什么？ 答：磁介质由于受到碰撞，其内