第15章物质磁性

1、第15章物质磁性一、一、 磁介质的概念磁介质的概念 磁介质对磁场的影响磁介质对磁场的影响磁介质磁介质在考虑物质受磁场影响或它对磁场的在考虑物质受磁场影响或它对磁场的影响时，物质统称为磁介质。影响时，物质统称为磁介质。磁化磁化磁介质在磁场作用下所发生的变化磁介质在磁场作用下所发生的变化实验：长直螺线管，实验：长直螺线管，沿导线通入电流沿导线通入电流I I。0rBB 管内为真空或空气时，测出磁感应强度为管内为真空或空气时，测出磁感应强度为B0 管内充满某种磁介质时，测出磁感应强度为管内充满某种磁介质时，测出磁感应强度为B 则有：则有：磁介质的相对磁导率，磁介质的相对磁导率，随磁介质的种类或状态随磁

2、介质的种类或状态的不同而不同。的不同而不同。 RI（2 2）顺磁质：）顺磁质： r r 是略大于是略大于1 1的常数的磁介质的常数的磁介质（3 3）铁磁质：）铁磁质： r r 比比1 1大得多，且随大得多，且随B B0 0的大小发生的大小发生变化的磁介质变化的磁介质（1 1）抗磁质：）抗磁质： r r 是略小于是略小于1 1的常数的磁介质的常数的磁介质根据根据 r r 的大小可将磁介质分为三大类的大小可将磁介质分为三大类 ：二、二、 磁介质的分类磁介质的分类如汞，铜（如汞，铜（293K）等，对磁场影响很小）等，对磁场影响很小如氧（如氧（293K），铝，铂等，对磁场影响很小），铝，铂等，对磁场影

3、响很小如纯铁，硅钢。对磁场的影响很大，在电工技术如纯铁，硅钢。对磁场的影响很大，在电工技术方面有广泛应用。方面有广泛应用。猜测：一定在介质中产生了某种电流，从而产生猜测：一定在介质中产生了某种电流，从而产生 了一附加磁场了一附加磁场 ，使，使B=BB=B0 0+B+B =r rB B0 0BA A环绕原子核的电子高速旋转；环绕原子核的电子高速旋转；B B电子自身要自旋。电子自身要自旋。iN NS S相当于相当于一一磁偶极磁偶极子子 原子的磁矩原子的磁矩与磁介质的微观结构有关与磁介质的微观结构有关磁矩：磁矩：nmSIe 一、分子磁矩一、分子磁矩1、电子轨道运动的磁矩、电子轨道运动的磁矩假设电子在

4、半径为假设电子在半径为 r 的圆周上以恒定速率的圆周上以恒定速率 v 绕原绕原子核运动，则其形成的轨道电流为：子核运动，则其形成的轨道电流为：22QeeevITTr vr分子电流分子电流- -每个分子中电荷运动所产生的磁效应的每个分子中电荷运动所产生的磁效应的等效电流。等效电流。分子磁矩分子磁矩- -分子电流所产生的磁矩，分子电流所产生的磁矩，又称为固有磁矩又称为固有磁矩电子轨道运动的磁矩为：电子轨道运动的磁矩为：222nevevrmSIemrr 2、电子的内禀自旋磁矩、电子的内禀自旋磁矩249.27 10/2eemJ Tm 电子自旋磁矩为：电子自旋磁矩为：3、原子核磁矩、原子核磁矩原子核磁矩

5、非常小，只有电子磁矩的千分之一。原子核磁矩非常小，只有电子磁矩的千分之一。电子轨道运动的磁矩为：电子轨道运动的磁矩为：2evrm 电子轨道运动的角动量为：电子轨道运动的角动量为：eLm vr 电子轨道磁矩：电子轨道磁矩：2eemLm (1)0,1,2.;Ll ll 4、分子磁距（固有磁矩）、分子磁距（固有磁矩）一个分子中所有电子轨道磁矩和自旋磁距以及核的一个分子中所有电子轨道磁矩和自旋磁距以及核的自旋磁矩的矢量和。自旋磁矩的矢量和。二、磁介质对磁场产生影响的微观解释二、磁介质对磁场产生影响的微观解释（2 2）顺磁质：）顺磁质： r r 是略大于是略大于1 1（3 3）铁磁质：）铁磁质： r r

6、 远大于远大于1 1（1 1）抗磁质：）抗磁质： r r 是略小于是略小于1 1分子磁矩（固有磁矩）为零。分子磁矩（固有磁矩）为零。在外磁场中产生和外磁场相反的感生磁矩。在外磁场中产生和外磁场相反的感生磁矩。分子磁矩（固有磁矩）不为零。分子磁矩（固有磁矩）不为零。在外磁场中，固有磁距受磁场力矩作用，使分子在外磁场中，固有磁距受磁场力矩作用，使分子磁矩的方向转向与外磁场方向一致。外磁场越强，磁矩的方向转向与外磁场方向一致。外磁场越强，分子磁矩排列越整齐。分子磁矩排列越整齐。顺磁质的一种特殊情况，晶体内电子的自旋之间顺磁质的一种特殊情况，晶体内电子的自旋之间存在着一种特殊的相互作用，使之具有极强磁

7、性存在着一种特殊的相互作用，使之具有极强磁性三、感生磁矩三、感生磁矩 在外磁场作用下，电子与原子核运动会发生变在外磁场作用下，电子与原子核运动会发生变化，在固有磁矩化，在固有磁矩 的基础上产生一附加磁矩的基础上产生一附加磁矩 ，且不管原有磁矩方向如何，且不管原有磁矩方向如何， 的方向都和外加磁的方向都和外加磁场的方向相反。场的方向相反。 这些附加磁矩的矢量和就是一个分子在外加磁这些附加磁矩的矢量和就是一个分子在外加磁场产生的感生磁矩。场产生的感生磁矩。 感生磁矩比因有磁矩小感生磁矩比因有磁矩小5 5个数量级以下，在顺磁个数量级以下，在顺磁质中它的效果可忽略不计。质中它的效果可忽略不计。m m

8、分子磁矩分子磁矩轨道磁矩轨道磁矩自旋磁矩自旋磁矩电子绕核的轨道运动电子绕核的轨道运动电子本身自旋电子本身自旋等效于圆电流等效于圆电流分子电流分子电流1 1、顺磁质及其磁化、顺磁质及其磁化分子的固有磁矩不为零分子的固有磁矩不为零0m 无外磁场作用时，由无外磁场作用时，由于分子的热运动，分于分子的热运动，分子磁矩取向各不相同子磁矩取向各不相同, ,整个介质不显磁性。整个介质不显磁性。分分子子磁磁矩矩0m 物质的磁化物质的磁化 有外磁场时，分子磁矩要有外磁场时，分子磁矩要受到一个力矩的作用，使分子受到一个力矩的作用，使分子磁矩转向外磁场的方向。磁矩转向外磁场的方向。mp0B0BpMm M 分子磁矩产

9、生的磁场方向和外磁场方向一致，分子磁矩产生的磁场方向和外磁场方向一致，顺磁质磁化结果，使介质内部磁场增强。顺磁质磁化结果，使介质内部磁场增强。0BB 0BB I0B 顺磁质：固有磁矩沿磁场方向取向，每个分子小顺磁质：固有磁矩沿磁场方向取向，每个分子小圆电流的面法向都与外磁场方向相同。圆电流的面法向都与外磁场方向相同。宏观效果：磁介质内部电流抵消。外面部分沿相同宏观效果：磁介质内部电流抵消。外面部分沿相同方向流通。总效果相当于在介质圆柱体表面上有一方向流通。总效果相当于在介质圆柱体表面上有一层电流流过，称为束缚电流，也叫磁化电流。层电流流过，称为束缚电流，也叫磁化电流。束缚电流是分子内电荷运动一

10、段段接合成成，不同束缚电流是分子内电荷运动一段段接合成成，不同于金属中自由电子定向运动形成的传导电流于金属中自由电子定向运动形成的传导电流(自由自由电流电流)。sI0I束缚电流束缚电流2 2、抗磁质及其磁化、抗磁质及其磁化分子的固有磁矩为零分子的固有磁矩为零在外磁场中，抗磁质分子会产生附加磁矩在外磁场中，抗磁质分子会产生附加磁矩( (感生磁矩感生磁矩) )电子的附加磁矩总是削弱外磁场的作用。电子的附加磁矩总是削弱外磁场的作用。抗磁性是一切磁介质共同具有的特性。抗磁性是一切磁介质共同具有的特性。0BB I0B sI0I束缚电流束缚电流3 3、磁介质的磁化、磁介质的磁化由于顺磁质分子的固有磁矩在磁

11、场中定向排由于顺磁质分子的固有磁矩在磁场中定向排列或的抗磁质分子在磁场中产生了感生磁矩，列或的抗磁质分子在磁场中产生了感生磁矩，因而在磁介质的表面上出现了束缚电流的现因而在磁介质的表面上出现了束缚电流的现象叫磁介质的磁化。象叫磁介质的磁化。顺磁质的束缚电流的方向与外磁场方向有右顺磁质的束缚电流的方向与外磁场方向有右手螺旋关系，它产生的附加磁场加强了磁介手螺旋关系，它产生的附加磁场加强了磁介质中的磁场。质中的磁场。抗磁质的束缚电流的方向与外磁场方向有左抗磁质的束缚电流的方向与外磁场方向有左手螺旋关系，它产生的附加磁场减弱了磁介手螺旋关系，它产生的附加磁场减弱了磁介质中的磁场。质中的磁场。 H矢量

12、及其环路定理矢量及其环路定理当磁场中充满磁介质时，实验指出：当磁场中充满磁介质时，实验指出：0rBB 改写一下：改写一下：000rBB 对任意闭合路径对任意闭合路径L积分：积分：000LLrBBdrdr 安培环路定理：安培环路定理：0intLB drI 0,int0LrBdrI 闭合路径闭合路径L包围包围的自由电流的自由电流定义：定义：0,int0LrBdrI 0rBBH 0r 磁介质的磁导率磁介质的磁导率磁场强度磁场强度上式改写为：上式改写为：0,intLH drI H的环路定理的环路定理注意：对于磁场并未被磁介质充满的一般情况，注意：对于磁场并未被磁介质充满的一般情况，H矢量的环路定理仍然

13、成立矢量的环路定理仍然成立 在稳恒磁场中，磁场强度矢量沿任一闭合路径在稳恒磁场中，磁场强度矢量沿任一闭合路径的线积分（即环流）等于包围在环路内各传导电流的线积分（即环流）等于包围在环路内各传导电流电流的代数和，而与磁化电流无关。电流的代数和，而与磁化电流无关。例例1、一环形螺线管，管内充满磁导率为、一环形螺线管，管内充满磁导率为，相对磁导，相对磁导率为率为r的顺磁质。环的横截面半径远小于环的半径。的顺磁质。环的横截面半径远小于环的半径。单位长度上的导线匝数为单位长度上的导线匝数为n。 求：环内的磁场强度和磁感应强度求：环内的磁场强度和磁感应强度rHl dHL 2 NI rNIH 2 nI HH

14、Br 0 rO解：解：例例2、一无限长载流圆柱体，通有电流、一无限长载流圆柱体，通有电流I ，设电流，设电流 I 均匀分布在整个横截面上。柱体的磁导率为均匀分布在整个横截面上。柱体的磁导率为，柱，柱外为真空。外为真空。求：柱内外各区域的磁场强度和磁感应强度。求：柱内外各区域的磁场强度和磁感应强度。解：解：IR0 I rH Rr rHl dHL 2 I IRr22 22 RIrH 22 RIrB 在分界面上在分界面上H 连续连续, B 不连续不连续Rr IrH 2rIH 2 rIB 20 IR0 Hr HRrRI 2OBRrRI 2ORI 20电介质中的电介质中的高斯定理高斯定理磁介质中的磁介质

15、中的安培环路定理安培环路定理 SiSqqSdE)(01 LsLLIIl dB00 l dMIl dBLLL 00 LLIl dMB)(0 MBH 0 LLIl dH SSSSdPqSdE0011 SSqSdPE)(0 PED 0 VeSdVSdD 1 1、磁化曲线磁化曲线装置装置：环形螺绕环：环形螺绕环; ; 铁磁质铁磁质Fe,Co,NiFe,Co,Ni及及稀钍族元素的化合物，能被强烈地磁化稀钍族元素的化合物，能被强烈地磁化2NIHR 实验测量实验测量B B, ,如用感应电动势如用感应电动势测量测量或用小线圈在缝口处测量；或用小线圈在缝口处测量；Hr roBH 由由 得出得出 曲线曲线铁磁质的

16、铁磁质的 不一定是个常数，不一定是个常数，它是它是 的函数的函数Hr 原理原理: : 励磁电流励磁电流 I; I; 用安培定理得用安培定理得H HRIIHr HBHr,B 铁磁质铁磁质初始磁初始磁化曲线化曲线a. . .bcdBOH. . .SBSHe. . .rB fCHSB . .SH 矫顽力矫顽力CH 饱和磁感应强度饱和磁感应强度磁滞回线磁滞回线剩剩 磁磁rB2、磁滞效应磁滞效应与磁滞回线与磁滞回线磁滞回线磁滞回线不同材料磁滞回线HBcHcH rBSBB的变化落后于的变化落后于H，从而具有剩磁，从而具有剩磁，即磁滞效应。每个即磁滞效应。每个H对应不同的对应不同的B与磁化的历史有关。与磁化

17、的历史有关。磁滞回线磁滞回线-不可逆过程不可逆过程在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高的在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高的磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。铁磁体于铁电体类似；在交变场的作用下，它的形状铁磁体于铁电体类似；在交变场的作用下，它的形状会随之变化，称为磁致伸缩（会随之变化，称为磁致伸缩（10-5数量级）它可用做数量级）它可用做换能器，在超声及检测技术中大有作为。换能器，在超声及检测技术中大有作为。3 3、磁畴、磁畴 根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的很强的“交换耦合作用交换耦合

18、作用”，使得在无外磁场作用时，使得在无外磁场作用时，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列，形，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列，形成自发磁化达到饱和状态的微小区域。成自发磁化达到饱和状态的微小区域。 这些区域称为这些区域称为“磁畴磁畴”多晶磁畴结构多晶磁畴结构 示意图示意图显示磁畴结构的铁粉图形显示磁畴结构的铁粉图形纯铁纯铁硅铁硅铁钴钴三种铁磁性物质的磁畴三种铁磁性物质的磁畴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4 4、临界温度、临界温度( (铁磁质的居里点铁磁质的居里点) ) 每种磁介质当温度升高到一定程度时，由高磁每种磁介质当温度升高到一定程度时，由高磁导率、磁滞、磁致伸缩等一系列特殊状态全部消失，导率、磁滞、磁致伸缩等一系列特殊状态全部消失，而变为顺磁性。而变为顺磁性。不同铁磁质具有不同的转变温度不同铁磁质具有不同的转变温度如：铁为如：铁为 10401040K K，钴为，钴为 13901390K K， 镍为镍为 630630K K 用磁畴理