2025年大学《物理学》专业题库- 磁学在磁材料研究中的应用

2025年大学《物理学》专业题库——磁学在磁材料研究中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题3分，共30分。请将正确选项的字母填在答题卡相应位置。）1.一条无限长直导线通有电流I，其周围某点P距离导线垂直距离为a。若在P点放置一个面积为S的小圆盘，圆盘平面与直导线所在平面垂直，且圆盘中心与P点重合，则通过该圆盘的磁通量大小为（）。A.μ₀I/(2πa)B.μ₀IS/(2πa²)C.μ₀Ia/(2πS)D.02.一电子以速度v₀垂直于均匀磁场B进入，受到的洛伦兹力大小为F。若将该电子的速度增大为2v₀，则其受到的洛伦兹力大小变为（）。A.F/2B.FC.2FD.4F3.对于一个处于外磁场中的抗磁性材料，其内部磁化强度M的方向总是（）。A.与外磁场B₀方向相同B.与外磁场B₀方向相反C.沿外磁场B₀方向的外法线方向D.沿外磁场B₀方向的切线方向4.磁介质可分为顺磁质、抗磁质和铁磁质。下列说法正确的是（）。A.顺磁质的磁导率μ总是大于真空磁导率μ₀B.抗磁质的磁化率χ总是小于零C.铁磁质内部存在宏观的磁偶极矩D.顺磁质和抗磁质的磁性都源于原子内部的电子自旋5.磁化曲线描述了磁介质中的磁感应强度B随外加磁场H变化的关系。对于铁磁质，其磁化曲线具有（）特征。A.线性关系B.单调递增关系C.非线性关系，且经过饱和点D.恒定不变6.磁滞回线是铁磁材料的重要特征，它反映了（）。A.材料的导电性能B.材料的导热性能C.材料磁化过程中的能量损耗D.材料在交变磁场中的磁感应强度与外加磁场的关系7.磁记录技术利用了磁性材料的（）特性。A.磁致伸缩B.磁光效应C.磁滞回线D.巨磁阻效应8.磁阻效应是指某些材料的电阻率随外加磁场的变化而发生变化的现象。以下哪项应用利用了磁阻效应？（）A.发电机B.电动机C.磁阻传感器D.变压器9.磁悬浮列车利用强大的磁场将列车悬浮在轨道上方，主要利用了（）原理。A.电磁感应B.洛伦兹力C.磁致伸缩D.热胀冷缩10.自旋磁矩是指微观粒子（如电子）由于自旋而具有的等效磁矩。自旋磁矩对磁材料宏观磁性的贡献，通常在（）条件下最为显著。A.高温B.低温C.强磁场D.无外磁场二、填空题（每小题4分，共20分。请将答案填在答题卡相应位置。）1.一螺线管匝数为N，横截面积为S，通过的电流为I。若螺线管内部充满磁导率为μ的磁介质，则其产生的磁感应强度B的大小为________。2.磁介质放入外磁场中会被磁化，磁化强度M定义为单位体积的________。3.磁感应强度B和磁场强度H之间的关系为B=μ₀(H+M)，其中μ₀为真空磁导率，χ为磁化率，则χ=________。4.磁畴是指铁磁材料内部自发磁化的小区域，其形成的主要原因是铁磁材料内部存在________。5.巨磁阻效应是指某些材料的电阻率在存在较小外加磁场时会发生剧烈变化的现象，这种现象主要利用了________材料。三、计算题（每小题10分，共30分。请写出必要的文字说明、方程式和计算过程。）1.一根无限长直导线通有电流I，旁边放置一个与之共面的矩形线框abcd，线框长为l，宽为a，且ab边与导线平行，距离导线为b。求通过矩形线框的磁通量。2.一个质子以速度v₀=3×10⁶m/s垂直进入磁感应强度B=0.1T的均匀磁场中。求质子所受的洛伦兹力大小，并说明力的方向。（质子电荷e=1.6×10⁻¹⁹C，质子质量m_p=1.67×10⁻²⁷kg）3.一铁磁材料的磁化曲线实验数据显示，当外加磁场H从0增加到1000A/m时，磁感应强度B从0增加到1.2T。假设该材料在此范围内可近似视为线性磁介质（μ_r=B/μ₀H恒定），试求：（1）该材料的相对磁导率μ_r；（2）该材料的磁化率χ。四、简答题（每小题10分，共20分。请简要回答下列问题。）1.简述铁磁材料的磁化过程与顺磁材料的磁化过程的区别。2.简要说明磁记录的工作原理，并指出影响磁记录存储密度的关键因素。试卷答案一、选择题1.B2.C3.B4.C5.C6.C7.C8.C9.B10.B二、填空题1.μNI/S2.磁矩的矢量和3.M/μ₀H或χ4.磁晶各向异性能5.巨磁阻三、计算题1.解：取矩形线框平面为xy平面，长直导线位于x轴上，原点与导线重合。在ab边附近取一窄条面积元dS=ldx，距离导线x处磁感应强度大小为B(x)=μ₀I/(2πx)。通过面积元dS的磁通量dΦ=B(x)dS=(μ₀I/(2πx))ldx。通过整个矩形线框的磁通量Φ=∫dΦ=∫[b+a][b](μ₀I/(2πx))ldx=μ₀Il/(2π)*∫[b+a][b](1/x)dx=μ₀Il/(2π)*[lnx]_[b+a][b]=μ₀Il/(2π)*(ln(b+a)-ln(b))=μ₀Illn((b+a)/b)。2.解：质子受洛伦兹力F=ev₀B。代入数值F=(1.6×10⁻¹⁹C)×(3×10⁶m/s)×(0.1T)=4.8×10⁻¹³N。力的方向：根据左手定则（对于正电荷，可想象为右手定则），v₀方向为正x轴，B方向为正z轴，则洛伦兹力F方向沿正y轴。3.解：(1)根据定义，相对磁导率μ_r=B/(μ₀H)。代入数值μ_r=1.2T/(4π×10⁻⁷T·m/A×1000A/m)≈1.27×10³。(2)磁化率χ=μ_r-1=1.27×10³-1=1.27×10³。四、简答题1.答：顺磁材料的磁化过程是分子磁矩在外磁场作用下发生转向，使磁矩趋向于与外磁场方向一致，磁化强度随外磁场增大而增大，但磁化强度M与外磁场H成正比，不存在磁饱和现象，去除外磁场后磁性完全消失。铁磁材料的磁化过程涉及磁畴的畴壁位移和磁畴的转动，使其磁矩与外磁场方向一致，存在磁饱和现象，磁化强度M远大于外磁场H，且磁化强度M与外磁场H不成正比，存在磁滞现象，去除外磁场后仍保留部分磁性（剩磁）。2.答：磁记录的工作原理是利用强磁场使记录介质的磁化状态发生改变，从而存储信息。信息以微小磁元的极性（例如N极或S极）来表示。写入时，通过磁头线圈产生强磁场，改变记录介质表面