大物2-2第16章磁介质

1、第十六章第十六章 磁介质磁介质磁介质磁介质:在磁场的作用下发生变化并反过来影响磁场的物质在磁场的作用下发生变化并反过来影响磁场的物质磁磁 化化:磁介质在磁场作用下发生变化的现象磁介质在磁场作用下发生变化的现象三种磁介质三种磁介质:顺磁质、抗磁质、铁磁质顺磁质、抗磁质、铁磁质2、磁场强度磁场强度 及磁介质中的安培环路定理。及磁介质中的安培环路定理。H本章主要内容本章主要内容3、铁磁质的主要特性及其应用。、铁磁质的主要特性及其应用。1、磁介质磁化及其微观本质。、磁介质磁化及其微观本质。16.1 顺磁质、抗顺磁质、抗磁质及其磁质及其磁化磁化16.1.1 磁介质的分类磁介质的分类1. 磁介质的磁化磁介

2、质的磁化 当磁介质处于磁场中时，磁介质被磁化并出现宏观的当磁介质处于磁场中时，磁介质被磁化并出现宏观的磁化磁化电流电流。磁化电流产生附加磁场，反过来影响原磁场的分布。磁化电流产生附加磁场，反过来影响原磁场的分布。 0BBB0B外磁场外磁场B磁化电流产生的附加磁场磁化电流产生的附加磁场在均匀各向同性磁介质中：在均匀各向同性磁介质中：0rBBr: :磁介质的相对磁导率磁介质的相对磁导率0r磁介质的磁介质的磁导率磁导率2. 磁介质的分类磁介质的分类（1）顺磁质顺磁质介质被磁化后，介质内磁场略有减弱介质被磁化后，介质内磁场略有减弱介质被磁化后，介质内磁场略有增强介质被磁化后，介质内磁场略有增强r 略大

3、于略大于1 1如空气、氧、铝、铂、锰、氮等如空气、氧、铝、铂、锰、氮等 （2）抗磁质抗磁质r 略小于略小于1 10BB与与同方向同方向0BB与与反方向反方向（3）铁磁质铁磁质r 远远大于远远大于1 1如水银、铜、硫、氢、银、金、锌等如水银、铜、硫、氢、银、金、锌等 介质被磁化后，介质内磁场极大的增强介质被磁化后，介质内磁场极大的增强如铁、钴、镍等以及这些金属的合金、铁氧体等如铁、钴、镍等以及这些金属的合金、铁氧体等 0BB与与同方向同方向弱磁质弱磁质强磁质强磁质顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质铁磁质铁磁质磁磁 介介 质质16.1.2 顺磁质和抗磁质的磁化顺磁质和抗磁质的磁化轨道轨道磁矩磁矩自旋自旋磁矩

4、磁矩分子分子 电子电子磁效应磁效应总和总和等效圆电流等效圆电流分子磁矩分子磁矩mnpISempIS 分子电流假说：分子电流假说：安培认为，磁介质中的每一个分子都可安培认为，磁介质中的每一个分子都可以看作一个环形电流，在无磁场时，这些环形电流的磁矩以看作一个环形电流，在无磁场时，这些环形电流的磁矩方向在空间的取向是杂乱无章的。方向在空间的取向是杂乱无章的。 , ,磁介质宏观上磁介质宏观上不显磁性。不显磁性。0mp1 1、分子磁矩、分子磁矩 分子附加磁矩分子附加磁矩v0Bm mv0Bm mFF分子附加磁矩分子附加磁矩方向与外磁场方向相反方向与外磁场方向相反 整个分子的附加磁矩：整个分子的附加磁矩：

5、 mpm 当顺磁质或抗磁质在外磁场中时，电子的轨道磁矩将发生当顺磁质或抗磁质在外磁场中时，电子的轨道磁矩将发生变化。磁介质分子中每个运动电子都要产生与外磁场变化。磁介质分子中每个运动电子都要产生与外磁场 方方向相反向相反的附加磁矩的附加磁矩 0B m抗磁效应抗磁效应任何磁介质中都有抗磁效应。任何磁介质中都有抗磁效应。2. 顺磁质的磁化：顺磁质的磁化： 宏观上不显磁性。宏观上不显磁性。无外磁场时：分子的固有磁矩无外磁场时：分子的固有磁矩 杂乱无章排列。杂乱无章排列。热运动作用热运动作用0mp有外磁场时：分子磁矩有外磁场时：分子磁矩 转向外磁场的方向。转向外磁场的方向。受磁力矩作用受磁力矩作用宏观

6、上表现：在磁介质表面出现宏观上表现：在磁介质表面出现磁化电流磁化电流。在磁介质内的磁。在磁介质内的磁 感应强度增大。顺磁质产生磁化电流很小，因感应强度增大。顺磁质产生磁化电流很小，因 此顺磁质为弱磁质。此顺磁质为弱磁质。外磁场撤消：由于热运动破坏分子磁矩的定向排列，宏观上外磁场撤消：由于热运动破坏分子磁矩的定向排列，宏观上 对外不显磁性。对外不显磁性。 0B0mp每个分子每个分子外磁场撤消：宏观上又不显磁性。外磁场撤消：宏观上又不显磁性。 抗磁质的磁性起源于电子做轨道运动时，在外磁场作用下抗磁质的磁性起源于电子做轨道运动时，在外磁场作用下受到洛伦兹力，从而产生与外磁场方向相反的附加磁场。受到洛

7、伦兹力，从而产生与外磁场方向相反的附加磁场。3. 抗磁质的磁化：抗磁质的磁化： 宏观上表现：宏观上表现：在磁介质表面出现磁化电流。在磁介质表面出现磁化电流。在磁介质内的磁在磁介质内的磁 感应强度减小。抗磁质产生磁化电流很小，因感应强度减小。抗磁质产生磁化电流很小，因 此抗磁质也为弱磁质。此抗磁质也为弱磁质。说明说明 任何磁介质都有抗磁性。但在顺磁质中，以固有磁矩的任何磁介质都有抗磁性。但在顺磁质中，以固有磁矩的 取向磁化为主，而抗磁性效应与之相比非常弱，被掩盖取向磁化为主，而抗磁性效应与之相比非常弱，被掩盖 了。了。0mp每个分子每个分子无外磁场时，介质宏观不显磁性。无外磁场时，介质宏观不显磁

8、性。载流子的宏观定向移动，载流子的宏观定向移动，是电荷迁移的结果。是电荷迁移的结果。磁介质被外磁场磁化的结果，是磁介质被外磁场磁化的结果，是大量分子电流的叠加，是大量分大量分子电流的叠加，是大量分子电流统计平均的宏观效果。子电流统计平均的宏观效果。不同点不同点相同点相同点都可以产生磁场，满足毕奥都可以产生磁场，满足毕奥- -萨伐尔定律，萨伐尔定律，遵从电流产生磁场的规律。遵从电流产生磁场的规律。电荷的宏观迁移。电荷的宏观迁移。磁化电流不能传导，电子都磁化电流不能传导，电子都被限制在分子范围内运动，被限制在分子范围内运动，束缚在介质内部。束缚在介质内部。磁化电流磁化电流传导电流传导电流磁化电流与

9、传导电流的异同磁化电流与传导电流的异同分子电流运行无阻力，即无分子电流运行无阻力，即无热效应。热效应。 电荷的宏观迁移产生焦耳电荷的宏观迁移产生焦耳热。热。16.1.3 磁化强度与磁化电流磁化强度与磁化电流 1.1.磁化强度磁化强度VppM mmV：磁介质某点处所取的体积元：磁介质某点处所取的体积元 mp：体积元内磁介质磁化后分子磁矩的矢量和体积元内磁介质磁化后分子磁矩的矢量和 mp：体积元内磁介质磁化后分子附加磁矩的矢量和：体积元内磁介质磁化后分子附加磁矩的矢量和 定量描述磁介质的磁化程度定量描述磁介质的磁化程度 顺磁质顺磁质 mp mpVpM m抗磁质抗磁质 0m pVpM m真空中或磁介

10、质未被磁化时，真空中或磁介质未被磁化时，0M注意：注意：2、磁化强度与磁化电流的关系：、磁化强度与磁化电流的关系：neSIpp mmabcdI SIMjLSLMllMlMbaL d d介质中的总磁矩：介质中的总磁矩： 由磁化强度的定义得由磁化强度的定义得只适用于均匀磁介质被均匀磁化的情况。只适用于均匀磁介质被均匀磁化的情况。 即：介质中某点磁化强度的大小等即：介质中某点磁化强度的大小等于面磁化电流的线密度。于面磁化电流的线密度。MS jL作闭合回路作闭合回路abcda，有：，有：j lI I为穿过闭合回路所包围面积的磁化电流的代数和为穿过闭合回路所包围面积的磁化电流的代数和 d LIMl即：磁

11、化强度沿闭合回路的线积分即：磁化强度沿闭合回路的线积分等于穿过该闭合回路所包围面积的等于穿过该闭合回路所包围面积的磁化电流的代数和磁化电流的代数和 16.2 有磁介质存在时的高斯定理有磁介质存在时的高斯定理和安培环路定理和安培环路定理16.2.1 有磁介质存在时的高斯定理有磁介质存在时的高斯定理 由于磁化电流与传导电流在产生磁场方面性质相同，由于磁化电流与传导电流在产生磁场方面性质相同，故故有磁介质时，高斯定理仍成立有磁介质时，高斯定理仍成立 ( 普适性普适性 ) 。 0d SSBBBB 0 此时此时注意：注意：16.2.2 有磁介质存在时的安培环路定理有磁介质存在时的安培环路定理III 0I

12、lBL0d 在真空中：在真空中：)d()(d00000 LLlMIIIIlB 有磁介质时：有磁介质时：磁化电流与传导电流激发磁场的规律是相同的，磁化电流与传导电流激发磁场的规律是相同的，MBH 0 定义：定义：磁场强度磁场强度00d)(IlMBL 即即奥奥斯斯特特）的的单单位位是是：(Oe104A/m13 H0dLHlI磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 :1.磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 ., 000000IlBIlBlHBHMLLL d dd即即得得真真空空时时0dLHlI 磁介质内磁场强度矢量沿任一闭合路径的积分等于该闭合磁介质内磁场强度矢量沿任一闭合路径的积分

13、等于该闭合路径所包围的传导电流的代数和路径所包围的传导电流的代数和I 0 。2. 磁介质的性质方程磁介质的性质方程HMm m 对大多数各向同性的磁介质来说，实验证实：磁化强度与磁对大多数各向同性的磁介质来说，实验证实：磁化强度与磁场强度成正比。场强度成正比。 磁介质的磁化率，磁介质的磁化率，是一个纯数。是一个纯数。即即顺磁质顺磁质m01 MH与与同同向向抗磁质抗磁质MH与与反反向向m10 HMm mr 1令令r 0 磁介质相对磁导率磁介质相对磁导率 磁介质的绝对磁导率磁介质的绝对磁导率(磁导率磁导率)HBMBHm 00 因因此此HBm)1(0 则则HHBr 0适用于适用于各向同性各向同性的非铁

14、磁质。的非铁磁质。磁介质的性质方程磁介质的性质方程（或介质方程）（或介质方程）IRr 解：解：在导体外取圆形回路为安培回路，则在导体外取圆形回路为安培回路，则rIHBrr 200 例题例题 磁导率为磁导率为1圆柱形载流导体，电流为圆柱形载流导体，电流为I，置于无限大的相，置于无限大的相对磁导率为对磁导率为 的磁介质中，求柱内、外任一点的的磁介质中，求柱内、外任一点的 。r HB、rHlHL 2d rIH 2 IrH 2rrHB 由安培环路定理由安培环路定理, ,在导体内取圆形回路为安培回路，则在导体内取圆形回路为安培回路，则rHlHL 2d 由安培环路定理由安培环路定理, ,内内IrH 2IR

15、rrRII2222 内内22 RIrH 212 RIrB ORI 2rHRr 在充满均匀磁介质场中磁感应强度为真空中的在充满均匀磁介质场中磁感应强度为真空中的 倍倍. .解解:(1)选取以选取以O为圆心，为圆心，r为半径的圆周为安为半径的圆周为安培环路培环路L, 由介质中的安培环路定理可得由介质中的安培环路定理可得:0 d22LHlrHrnI )mA(100 . 20 . 21000130 nIH435.0 102.0 101(T) BH(2)3517012.0 107.9 10 (A m )410 BMH(3)(4)517.9 10 (A m ) jM例题例题 在磁导率在磁导率 的均匀磁介质

16、圆环上均的均匀磁介质圆环上均匀密绕着线圈，单位长度的匝数为匀密绕着线圈，单位长度的匝数为 ，导线中通，导线中通电流电流 ，试求：，试求：425.010 N A 1m匝1000n02.0 AI（1）磁场强度）磁场强度H；（；（2）磁感应强度）磁感应强度B；（3）磁介质的磁化强度）磁介质的磁化强度M ；（；（4）磁化电流密度）磁化电流密度 jO得得MBH0根据根据例题例题 一电缆由半径为一电缆由半径为R1的长直导线和套在外面的内、外半径分别的长直导线和套在外面的内、外半径分别为为R2、R3的同轴导体圆筒组成，其间充满相对磁导率为的同轴导体圆筒组成，其间充满相对磁导率为r的各向同的各向同性非铁磁介质

17、。电流性非铁磁介质。电流I0由中心导体流入，由外面圆筒流出。由中心导体流入，由外面圆筒流出。求磁场分布和紧贴中心导线的磁介质表面的磁化电流。求磁场分布和紧贴中心导线的磁介质表面的磁化电流。解：由于电流分布和磁介质分布具有轴对称性，可知磁场分布解：由于电流分布和磁介质分布具有轴对称性，可知磁场分布也具有轴对称性。选取距离轴线也具有轴对称性。选取距离轴线r为半径的圆周为安培环路，为半径的圆周为安培环路，取顺时针方向为绕行方向取顺时针方向为绕行方向 1:rR01212I rHR00111212I rBHRr1R2R3RO12:RrR022IHr002222rIBHr 23RrR : 201121d2

18、LIHlrHrR 220d2LHlrHI 220233022 32()d2HlLIrRrHIRR2203322322IRrHr RR2200333322322IRrBHr RR344:d20LrRHlrH 40H 4440BHH和和B随随r的变化曲线如图：的变化曲线如图：在在 区域内：区域内：12RrR由安培环路定理可得：由安培环路定理可得： 00dLBlII () 002()rBII 002()IIBr 0022rIBr 比较比较0r) 1(II可得磁介质内表面上的磁化电流为可得磁介质内表面上的磁化电流为 2R1R3RHOr2R1R3RBOr16.3.1 铁磁质的磁滞回线铁磁质的磁滞回线铁磁

19、质磁化性能很强，是性能特异，用途广泛的磁介质，铁磁质磁化性能很强，是性能特异，用途广泛的磁介质， 主要有：铁、钴、镍等金属和它们的某些化合物。主要有：铁、钴、镍等金属和它们的某些化合物。铁磁质的磁化规律可通过实验测定铁磁质的磁化规律可通过实验测定B-H关系关系进行研究。进行研究。16.3 铁磁质铁磁质MN段：段：H 变大，变大，B急剧增大；急剧增大； NP段：段：H 增加，增加，B缓慢增加；缓慢增加；P点以后：点以后：H 增加，增加，B达到饱和达到饱和状态。状态。起始磁化曲线：起始磁化曲线：磁饱和磁饱和再次磁化时，铁磁质具有以下特点：再次磁化时，铁磁质具有以下特点：1 1）当磁场强度等于零时，

20、铁磁质当磁场强度等于零时，铁磁质中的磁感应强度不为零中的磁感应强度不为零( (Br) ) ，即，即 B 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，叫做做磁滞效应磁滞效应，相应的，相应的Br称为称为剩磁。剩磁。2）要使铁磁质中的磁感应强度等）要使铁磁质中的磁感应强度等于零，必须加上反向电流（反向于零，必须加上反向电流（反向磁场强度），使铁磁质中磁感应磁场强度），使铁磁质中磁感应强度等于零的反向磁场强度的值强度等于零的反向磁场强度的值称为称为矫顽力（矫顽力（H Hc c）。 磁滞回线磁滞回线eocdBaHcHbfcH rBrB 3）由图可知，磁化曲线为非线性的。）由图可知，磁化曲线

21、为非线性的。曲线曲线abcdefa称为称为磁滞回线。磁滞回线。Hr HBBr、 HO4）由）由B H图可以看出，铁磁质图可以看出，铁磁质的的相对磁导率不是常数相对磁导率不是常数，它与，它与磁场强度成非线性关系。磁场强度成非线性关系。16.3.2 铁磁质的磁化机理铁磁质的磁化机理 近代科学实验证明，铁磁质的磁性主要来源于近代科学实验证明，铁磁质的磁性主要来源于电子自旋磁矩电子自旋磁矩。在无外磁场时，铁磁质中电子自旋磁矩可以在小范围内。在无外磁场时，铁磁质中电子自旋磁矩可以在小范围内“自发自发地地”排列起来，形成一个个小的排列起来，形成一个个小的“自发磁化区自发磁化区” ” 磁畴磁畴。 自发磁化的

22、原因是由于相邻原自发磁化的原因是由于相邻原子中电子之间存在着一种交换耦合子中电子之间存在着一种交换耦合作用（一种量子效应），使电子的作用（一种量子效应），使电子的自旋磁矩平行排列起来而达到自发自旋磁矩平行排列起来而达到自发磁化的饱和状态。磁化的饱和状态。 当存在外磁场时，在外场当存在外磁场时，在外场的作用下磁畴的取向与外磁场的作用下磁畴的取向与外磁场一致，显现一定的磁性。一致，显现一定的磁性。 在外磁场撤消后，铁磁质内存在着阻碍磁畴转向的摩擦力，会在外磁场撤消后，铁磁质内存在着阻碍磁畴转向的摩擦力，会阻碍磁畴恢复到原来的状态，磁体内保留部分磁性，即阻碍磁畴恢复到原来的状态，磁体内保留部分磁性，即剩磁。剩磁。 a b c d e磁化过程中磁畴变化的示意图：磁化过程中磁畴变化的示意图：材材 料料居里点居里点铁铁1 043 K钴钴1 388 K镍镍631 K影响铁磁质磁性的因素：影响铁磁质磁性的因素：温度对磁性有影响温度对磁性有影响 当温度升高到某一临界点时，铁磁性就当温度升高到某一临界点时，铁磁性就消失，变为顺磁质。此时的温度称为消失，变为顺磁质。此时的温度称为居里点居里点。强烈震动会瓦解磁畴，铁磁性消失。强烈震动会瓦解磁畴，铁磁性消失。 铁磁质的主要特点可归纳为铁磁质的主要特点可归纳为 1 ) 相对磁导率高，附加磁场很强；相对磁导率高，附加磁场很强； 2 ) 磁化曲线非线性；磁化曲