第十二章物质的磁性

1、一一. . 磁介质磁介质1.物质的磁性 当一块介质放在外磁场中将会与磁场发生相互作用，产生一种所谓的“磁化”现象，介质中出现附加磁场。我们把这种在磁场作用下磁性发生变化的介质称为“磁介质”。BB BBBoorBB令：令： = 0 r 称为称为磁导率磁导率nIBoonIBBrooo二二. . 三类磁介质：三类磁介质：（1）顺磁性介质：顺磁性介质： 介质磁化后呈弱磁性。介质磁化后呈弱磁性。附加磁场附加磁场B 与外场与外场B0同向。同向。 B B0 , r 1（2）抗磁性介质：抗磁性介质： 介质磁化后呈弱磁性。介质磁化后呈弱磁性。附加磁场附加磁场B 与外场与外场B0反向。反向。 B B0 , r B

2、0 , r 1（4）完全抗磁体完全抗磁体：（ r 0）：）： B 0，磁介质内，磁介质内的磁场等于零（如超导体）。的磁场等于零（如超导体）。磁介质种类种 类温度相对磁导率r 1铋汞铜氢（气）293K293K293K1-16.610-51-2.910-51-1.010-51-3.8910-5r 1氧（液）氧（气）铝铂90K293K293K293K1+769.910-51+334.910-51+1.6510-51+26.010-5r 1铸钢铸铁硅钢坡莫合金2.2103（最大值）4102（最大值）7102（最大值）1105（最大值）r 0汞铌小于4.15K小于9.26K00一一. .分子磁矩分子磁矩

3、 顺磁质和抗磁质的磁化顺磁质和抗磁质的磁化 近代科学实践证明，组成分子或原子中的电子，近代科学实践证明，组成分子或原子中的电子，不仅存在绕原子核的轨道运动，还存在自旋运动。这不仅存在绕原子核的轨道运动，还存在自旋运动。这两种运动都能产生磁效应。把分子或原子看作一个整两种运动都能产生磁效应。把分子或原子看作一个整体，分子或原子中各电子对外产生磁效应的总和，可体，分子或原子中各电子对外产生磁效应的总和，可等效于一个圆电流，称为等效于一个圆电流，称为“分子电流分子电流”。分子电流的。分子电流的磁矩称为磁矩称为“分子磁矩分子磁矩”表示为表示为 。m+-+各电子磁矩各电子磁矩lmlm+-分子磁矩分子磁矩

4、m1.顺磁质特点：存在分子固有磁矩。特点：存在分子固有磁矩。0im外磁场中：外磁场中：0im-+-+-mmmB+-+-+mmm2.2.抗磁质抗磁质特点：特点：分子固有磁矩等于零，因此不存在顺磁效应。分子固有磁矩等于零，因此不存在顺磁效应。+lmBv-lmff+-vlmBlm结论： 在抗磁质和顺磁质中都会存在抗磁效应，只是在抗磁质和顺磁质中都会存在抗磁效应，只是抗磁效应与顺磁效应相比较要小得多，因此在顺磁抗磁效应与顺磁效应相比较要小得多，因此在顺磁质中，抗磁效应被顺磁效应所掩盖。质中，抗磁效应被顺磁效应所掩盖。 附加电子磁矩附加电子磁矩 的方向总是和外磁场的方向总是和外磁场 方向相反。方向相反。

5、lm0B 由于分子中每一个运动电子都要产生与外磁场反由于分子中每一个运动电子都要产生与外磁场反向的附加磁矩向的附加磁矩 ，分子中各电子附加磁矩的矢量和，分子中各电子附加磁矩的矢量和即为分子的附加磁矩即为分子的附加磁矩 。磁介质中大量分子的附加。磁介质中大量分子的附加磁矩在宏观上对外显示出磁效应。这一磁效应与外磁磁矩在宏观上对外显示出磁效应。这一磁效应与外磁场方向相反，我们把它称为场方向相反，我们把它称为“抗磁效应抗磁效应”。lmm二.磁化强度与磁化电流1.1.磁化强度磁化强度 为了反映磁化程度的强弱，引入为了反映磁化程度的强弱，引入“磁化强磁化强度矢量度矢量”VmM单位：1mA磁化强度是空间坐

6、标的矢量函数。当磁化强度磁化强度是空间坐标的矢量函数。当磁化强度矢量为恒矢量时，磁介质被均匀磁化。矢量为恒矢量时，磁介质被均匀磁化。 注意注意: :2. 2. 磁化电流磁化电流 以长直螺线管为例：以长直螺线管为例： 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，这种电流称为种电流称为“磁化电流磁化电流”（Is ）。）。 磁化电流是分子电流规则排列的宏观反映，并磁化电流是分子电流规则排列的宏观反映，并不伴随电荷的定向运动，不产生热效应。而传导电不伴随电荷的定向运动，不产生热效应。而

7、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。磁化面电流密度：磁化面电流密度：介质表面单位长度上的磁化电流介质表面单位长度上的磁化电流lIjss磁化强度矢量：磁化强度矢量：ssjlSlSjVmMIslMSIsMmMj结论：结论：磁化强度在数值上等于磁化电流面密度，它磁化强度在数值上等于磁化电流面密度，它们之间的关系由右手螺旋法则确定。们之间的关系由右手螺旋法则确定。adcbaddccbbaLl dM0adcbl dMl dM0dcl dMabjabMl dMl dMsbaLsLIl dM结论：结论：磁化强度磁化强度 沿闭合回路的环流，等于穿过回沿闭合回路的环流，等于

8、穿过回路所包围面积的磁化电流路所包围面积的磁化电流。 M一.磁介质中的磁场 磁场强度 磁介质在磁化后，由于外磁场磁介质在磁化后，由于外磁场 和附加磁场和附加磁场 都属于涡旋场。因此，在有磁介质存在时，磁场中都属于涡旋场。因此，在有磁介质存在时，磁场中的高斯定理仍成立。的高斯定理仍成立。0BB1. 有介质存在时的高斯定理有介质存在时的高斯定理 0SB dS2. 有介质存在时的安培环路定理有介质存在时的安培环路定理 soLIIl dBLol dMIIl dMBLo定义“磁场强度”oBHM存在磁介质时的安培环路定理：iLH dlI实验指出：实验指出：M = m H系数系数 m称为称为“磁化率磁化率”

9、结论：结论：磁场强度磁场强度 沿任一闭合回路的环路积分，沿任一闭合回路的环路积分，等于闭合回路所包围并穿过的传导电流的代数和等于闭合回路所包围并穿过的传导电流的代数和（在形式上与磁介质中的磁化电流无关）。（在形式上与磁介质中的磁化电流无关）。H单位：1mAHBMBHmooHBmo)1 (HBroBH令：令： 称为磁介质的称为磁介质的“相对磁导率相对磁导率”)1 (mr令：令： 称为磁导率称为磁导率ro（1 1）在真空中：）在真空中：100rmM（2 2）在顺磁质中：）在顺磁质中：10rm（3 3）在抗磁质中：）在抗磁质中：10rmIo r r例例1. 一半径为一半径为R1的无限长圆柱形直导线，

10、外面包一的无限长圆柱形直导线，外面包一层半径为层半径为R2，相对磁导率为，相对磁导率为 r 的圆筒形磁介质。通的圆筒形磁介质。通过导线的电流为过导线的电流为I0 。求磁介质内外磁场强度和磁感求磁介质内外磁场强度和磁感应强度的分布。应强度的分布。R2R1221rRIrHlHL2d 212 RIrH212 RIrHBoo10Rr IrHlHL2drIHBroro221RrRrIHBoo2 rR27-8-4 铁磁质 1. 磁滞回线磁滞回线 aoHBBr-HsHsbcdefHcOa: 起始磁化曲线起始磁化曲线Hs : 饱和磁场强度饱和磁场强度Br : 剩余磁感应强度剩余磁感应强度Hc : 矫顽力矫顽力

11、铁磁质的特点： 能产生非常强的附加磁场能产生非常强的附加磁场B 甚至是外磁场的甚至是外磁场的千百倍。而且与外场同方向。千百倍。而且与外场同方向。 B 和和H 呈非线性关系，呈非线性关系， 不是一个恒量。不是一个恒量。 高高 值。值。 磁滞现象，磁滞现象，B 的变化落后于的变化落后于H的变化。的变化。铁磁质的分类：HB磁滞回线细而窄，矫顽磁滞回线细而窄，矫顽力小。力小。 磁滞损耗小，容磁滞损耗小，容易磁化，容易退磁，易磁化，容易退磁，适用于交变磁场。如适用于交变磁场。如制造电机，变压器等制造电机，变压器等的铁芯。的铁芯。硬磁材料：硬磁材料：HB磁滞回线较宽，剩余磁滞回线较宽，剩余磁感应强度和矫顽

12、力磁感应强度和矫顽力都比较大。都比较大。适合于制造永磁体适合于制造永磁体HB矩磁材料：矩磁材料： 磁滞回线接近于矩磁滞回线接近于矩形，剩余磁感应强度形，剩余磁感应强度Br接近于饱和磁感应接近于饱和磁感应强度强度Bs。适合于制作记录磁适合于制作记录磁带及计算机的记忆带及计算机的记忆元件。元件。2. 磁畴磁畴 铁磁质内部相邻原子的铁磁质内部相邻原子的磁矩会在一个微小的区域内磁矩会在一个微小的区域内形成方向一致、排列非常整形成方向一致、排列非常整齐的齐的 “ “自发磁化区自发磁化区”，称，称为为磁畴磁畴。 磁畴大小：磁畴大小：3810m1010每个磁畴所含分子数：每个磁畴所含分子数： 21171010铁磁质在外磁场中的铁磁质在外磁场中的磁化过程主要为畴壁磁化过程主要为畴壁的移动和磁畴内磁矩的移动和磁畴内磁矩的转向。的转向。 自发磁化方向自发磁化方向逐渐转向外磁场方逐渐转向外磁场方向（磁畴转向），向（磁畴转向），直到所有磁畴都沿直到所有磁畴都沿外磁场方向整齐排外磁场方向整齐排列时，铁磁质就