第12章 磁介质中的恒定磁场

1、磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场2022-3-20第第1212章章 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场12.1 磁介质及其磁化磁介质及其磁化12.2 磁介质中的高斯定理和安培环路定理磁介质中的高斯定理和安培环路定理12.3 铁磁质铁磁质内容提要内容提要磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场2022-3-2012.1 12.1 磁介质及其磁化磁介质及其磁化 12.1.1 磁介质及其分类磁介质及其分类1. 磁介质磁介质 任何实物都是任何实物都是磁介质磁介质0E0EEE电介质放入外场电介质放入外场0EE磁介质放入外场磁介质放入外场0BrBB0r 相对磁导率相对磁导率 反映磁介质对原磁场的影响程度

2、反映磁介质对原磁场的影响程度 如：真空螺线管的磁场：如：真空螺线管的磁场：nIB00则，介质螺线管的磁场：则，介质螺线管的磁场：nIBBr00r令令r0磁导率磁导率 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场2022-3-202. 磁介质的分类磁介质的分类顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质1r减弱原场减弱原场0BB 1r增强原场增强原场0BB 如如 锌、铜、水银、铅等锌、铜、水银、铅等如如 锰、铬、铂、氧等锰、铬、铂、氧等弱弱磁磁性性物物质质顺磁质和抗磁质的顺磁质和抗磁质的相对磁导率相对磁导率都非常接近于都非常接近于1.铁磁质铁磁质)1010(421r通常不是常数通常不是常数具有显著的增强原磁场的性质具有显著

3、的增强原磁场的性质 强磁性物质强磁性物质超导材料超导材料 r = 0 B=0 完全抗磁性完全抗磁性磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场2022-3-2012.1.2 分子磁矩和分子附加磁矩分子磁矩和分子附加磁矩 原子中电子的轨道磁矩原子中电子的轨道磁矩LmePl2电子的自旋磁矩电子的自旋磁矩SmePs电子自旋磁矩电子自旋磁矩与轨道磁矩有与轨道磁矩有相同的数量级相同的数量级1. 分子磁矩分子磁矩 所有电子磁矩的总和所有电子磁矩的总和immiPP抗磁质抗磁质0mP无外场作用时无外场作用时, ,对外也不显磁性对外也不显磁性顺磁质顺磁质0mP无外场作用时无外场作用时, ,由于热运动由于热运动, ,对外

4、不显磁性对外不显磁性0, 0mmPP0, 0mmPP磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场2022-3-202. 分子附加磁矩分子附加磁矩evmPr0BffomP电子轨道半径不变电子轨道半径不变)(mPmP当外场方向与分子磁矩方向相反时当外场方向与分子磁矩方向相反时emPr0BfomPfmP)(mP当外场方向与分子磁矩方向相同时当外场方向与分子磁矩方向相同时 在外场作用下，电子产生附加的转在外场作用下，电子产生附加的转动，从而形成动，从而形成附加磁矩附加磁矩 ，附加磁矩，附加磁矩总是与外场方向总是与外场方向 相反相反，即产生一个，即产生一个与外场反向的附加磁场与外场反向的附加磁场 .mPB0B结

5、论结论磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场2022-3-2012.1.3 顺磁质和抗磁质的磁化顺磁质和抗磁质的磁化0B将顺磁质放入外场将顺磁质放入外场0B 分子环流在外场作用分子环流在外场作用下，产生取向转动，下，产生取向转动， 磁矩磁矩将转向外场方向将转向外场方向 宏观上产生宏观上产生附加磁场附加磁场 .1B1B1. 顺磁质磁化顺磁质磁化 在外场作用下，分子磁矩要转向，同时每个分在外场作用下，分子磁矩要转向，同时每个分子中的所有电子也都产生附加磁矩子中的所有电子也都产生附加磁矩 1BB21BBB则磁介质产生附加磁场则磁介质产生附加磁场:1B与外场方向相同与外场方向相同mP磁介质中的恒定磁场磁

6、介质中的恒定磁场2022-3-202. 抗磁质磁化抗磁质磁化 在外场作用下，每个分子中的所有电子都产生附在外场作用下，每个分子中的所有电子都产生附加磁矩加磁矩 mPBB则磁介质产生附加磁场则磁介质产生附加磁场:与外场方向相反与外场方向相反12.1.4 磁化强度矢量与磁化电流磁化强度矢量与磁化电流反映磁化程度强弱的物理量反映磁化程度强弱的物理量.定义：定义：磁化强度为单位体积内分子磁矩的矢量和磁化强度为单位体积内分子磁矩的矢量和. VPPMmm0Vlim单位：单位：安培安培米米-11. 磁化强度磁化强度磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场2022-3-202. 磁化电流磁化电流 0B以无限长螺线

7、管为例以无限长螺线管为例顺顺磁磁质质0I0ISI在磁介质内部的任一小区域：在磁介质内部的任一小区域：相邻的分子环流的方向相反相邻的分子环流的方向相反在磁介质表面处各点：在磁介质表面处各点：分子环流未被抵消分子环流未被抵消形成沿表面流动的面电流形成沿表面流动的面电流SI磁化电流磁化电流(1) 介质中磁场由介质中磁场由传导传导电流和电流和磁化磁化电流共同产生电流共同产生.说明说明(2) 磁化电流是分子内电荷运动一段段接合而成磁化电流是分子内电荷运动一段段接合而成, 不同于传导不同于传导 电流的电荷定向运动电流的电荷定向运动, 又称又称束缚电流束缚电流, 其磁效应与传导电其磁效应与传导电 流相当流相

8、当, 但不产生热效应但不产生热效应.磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场2022-3-20LslMId可证明可证明:磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场2022-3-2012.2 12.2 磁介质中的高斯定理和安培环路定理磁介质中的高斯定理和安培环路定理12.2.1 磁介质中的高斯定理磁介质中的高斯定理0BBB 磁介质存在时，磁感应线仍是一系列无头无尾磁介质存在时，磁感应线仍是一系列无头无尾的闭合曲线的闭合曲线.磁介质中的高斯定理磁介质中的高斯定理 对于任意闭合曲面对于任意闭合曲面SSSBdSSSBSBdd000dSSB磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场2022-3-2012.2.2 磁介质

9、中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理顺顺磁磁质质0ISIabcdiLIlB0d)(00SIILLlMIlBdd000用磁化强度描述磁化电流项用磁化强度描述磁化电流项000d)(IlMBL定义定义磁场强度磁场强度MBH00dIlHL磁介质的安培环路定理磁介质的安培环路定理 磁介质内磁场强度磁介质内磁场强度H沿任一闭合回路的环流沿任一闭合回路的环流, 等等于闭合回路所包围并穿过的传导电流的代数和于闭合回路所包围并穿过的传导电流的代数和.表明：表明：磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场2022-3-20讨论讨论对于各向同性磁介质，在外磁场不太强的情况下：对于各向同性磁介质，在外磁场不太强的情况下：

10、HMm由由MBH0 )(0MHB )1 ( 0Hm 0HrH mr1介质相对磁导率介质相对磁导率r0 介质磁导率介质磁导率0dIlHLHB在真空中：在真空中：10rMHB0HMm 介质的磁化率介质的磁化率磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场2022-3-20一无限长载流直导线，其外包围一层磁介质，相一无限长载流直导线，其外包围一层磁介质，相对磁导率对磁导率1r例：例：求：求：解：解： 根据磁介质中的安培环路定理根据磁介质中的安培环路定理IrHlHL2drIH2/磁介质中的磁场强度和磁感应强度磁介质中的磁场强度和磁感应强度.r2R1RIrHrIHBrr200磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场2

11、022-3-2012.3 12.3 铁磁质铁磁质12.3.1 铁磁质的特点铁磁质的特点1. 相对磁导率相对磁导率 r 1：一般可达一般可达102104, 最高可达最高可达106.2. 非线性：非线性： B和和H呈非线性关系呈非线性关系, 单值关系单值关系, 非恒量非恒量.3. 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. 4. 存在居里点：存在居里点：临界温度时临界温度时, 失去铁磁性成为顺磁质失去铁磁性成为顺磁质. 铁：铁：Tc=1040K 镍：镍：Tc=631KHB HrBHo磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场2022-3-2012.3.2 铁磁质的起始磁化曲线铁磁质的

12、起始磁化曲线 磁滞回线磁滞回线实验：实验：铁磁质芯的螺线管，通以电流铁磁质芯的螺线管，通以电流 I.nIH 改变改变 I，测量，测量 H 值和值和 B 值，画出值，画出BH曲线曲线.Oa：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 磁滞现象：磁滞现象：磁感应强度磁感应强度B变化变化跟不上跟不上磁场强度磁场强度H的变化的变化.磁滞损耗：磁滞损耗： 材料热效应大小与磁滞回线面积成正比材料热效应大小与磁滞回线面积成正比.-HsHsOabcdefHBrBcH磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场2022-3-20铁磁材料按磁滞回线分类铁磁材

13、料按磁滞回线分类BHOBHO软磁材料软磁材料 磁滞损耗小磁滞损耗小, ,容易磁化容易磁化, ,容易退容易退磁磁, ,适用于交变磁适用于交变磁场场. . 如制造电机如制造电机, ,变压器等的铁芯变压器等的铁芯 硬磁材料硬磁材料 磁滞损耗磁滞损耗较大较大, ,不易磁化不易磁化, ,不易退磁不易退磁, ,适合适合于制造永磁体于制造永磁体BHO矩磁材料矩磁材料 适合于制作适合于制作记录磁带及计记录磁带及计算机的记忆元算机的记忆元件件 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场2022-3-2012.3.3 磁畴磁畴磁畴体积：磁畴体积： 10-12 10-8m3包含原子：包含原子： 1017 1021个个 铁

14、磁质相邻原子间存在很强的交换耦合作用铁磁质相邻原子间存在很强的交换耦合作用, 使使得无外场时电子自旋磁矩在微小区域内自发地平行排得无外场时电子自旋磁矩在微小区域内自发地平行排列列, 形成一个个小的自发磁化区形成一个个小的自发磁化区, 称为称为磁畴磁畴.磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场2022-3-20铁磁质在外磁场中铁磁质在外磁场中的磁化过程主要为的磁化过程主要为畴壁的移动和磁畴畴壁的移动和磁畴内磁矩的转向内磁矩的转向.自发磁化方向逐渐转自发磁化方向逐渐转向外磁场方向（磁畴向外磁场方向（磁畴转向），直到所有磁转向），直到所有磁畴都沿外磁场方向整畴都沿外磁场方向整齐排列时，铁磁质就齐排列时，铁磁质就达到磁饱和状态达到磁饱和状态. 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场2022-3-20第第1212章章 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场12.1 磁介质及其磁化磁介质及其磁化12.2 磁介质中的高斯定理和安培环路定理磁介质中的高斯定理和安培环路定理12.