电磁学与近代物理基础教程 课件 第6章磁介质中的稳恒磁场

第6章磁介质中的稳恒磁场本讲：磁介质

物质——分子，原子中均存在运动电荷

相互作用磁场物质——磁介质

顺磁质

抗磁质

铁磁质

磁介质(magneticmedium):能与磁场发生相互作用的物质磁介质被磁化附加磁场电介质被极化附加电场极化电荷外场磁化电流外场削弱外场?6.1磁介质及其磁化设外场磁感应强度B0,介质磁化后附加磁场B

磁介质中磁场:相对磁导率(relativepermeability):6.1.1磁介质及其分类真空螺线管的磁场:介质螺线管的磁场:磁导率(permeability):磁介质分类：顺磁质(paramagnet):

r>1,B>B0,

B

与B0同向抗磁质(diamagneticmaterial):

r<1,B<B0,B

与B0反向铁磁质(ferromagnetics):

r>>1,B>>B0,B

与B0同向

弱磁性介质强磁性介质超导材料

r=0B=0完全抗磁性磁介质是由分子或原子组成的,把分子和原子看成一个整体,分子或原子中的各电子对外界产生磁效应的总和,可以等效于一个圆电流,称为分子电流.6.1.2分子磁矩分子附加磁矩分子磁矩(molecularmagneticmoment)这种分子电流的磁矩是所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩之矢量和(忽略原子核中质子和中子的自旋磁矩),称之为分子的固有磁矩，简称分子磁矩.用

m

表示.分子附加磁矩考察磁场对电子轨道磁矩的作用结论:

附加磁矩所产生的附加磁场B'与外磁场B0的方向相反(a)无外场时

(b)有外场时6.1.3顺磁质和抗磁质的磁化

对于抗磁质来说，分子的固有磁矩m为零,在外磁场的作用之下，不存在各分子磁矩有序排列所产生的附加磁场，只存在附加磁矩

所产生的附加磁场。但由于附加磁矩

所产生的附加磁场B'总是与B0方向相反，所以抗磁质中的磁感应强度B=B0+B'<B0，导致磁场减弱。

对于顺磁质来说，分子的固有磁矩m不为零。在外磁场作用下，既存在着分子磁矩有序排列所产生的附加磁场，又存在着附加磁矩

所产生的附加磁场。实验证实，在实验室通常能获得的磁场中，一个分子所产生的附加磁矩要比一个分子的固有磁矩小5个数量级以下，所以分子磁矩有序排列所产生的附加磁场起主要作用,所以附加磁场B'和外磁场B0相加的结果B=B0+B'>B0

,导致磁场加强。6.1.4磁化强度矢量与磁化电流1.磁化强度(magnetization):

反映磁化程度强弱单位:安培·米-1(A·m-1)定义:磁化强度为单位体积内分子磁矩的矢量和顺磁质:方向与外磁场同向。抗磁质:

方向与外磁场反向。即:分子固有磁矩取向极化是顺磁质磁化的主要原因即:分子附加磁矩是抗磁质的磁化的唯一原因2.磁化电流(magnetizationcurrent)

介质磁化的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“磁化电流I’”。

磁化电流与传导电流的区别:

磁化电流是分子内电荷运动一段段接合而成,不同于传导电流的电荷定向运动,又称束缚电流,其磁效应与传导电流相当,但不产生热效应.II’MB磁化电流线密度:

介质表面单位长度上的磁化电流可以推知:磁化强度的环流为I’MBen为磁介质表面外法线单位矢量6.2磁介质中的高斯定理和安培环路定理6.2.1磁介质中的高斯定理磁介质中磁场:由磁化电流产生的微观机理可知:磁化电流与传导电流在产生磁场方面等效磁化电流线是一系列闭合曲线II’MB定义磁场强度(magneticfieldintensity):单位:A·m-16.2.2磁介质中的安培环路定理磁介质中安培环路定理:

磁场强度沿任一闭合回路的环流,等于闭合回路所包围的传导电流的代数和,而在形式上与磁介质中的磁化电流无关.如图取L回路I’I0对各向同性磁介质:磁化率只与穿过L的传导电流代数和有关介质中的安培环路定理由介质相对磁导率介质磁导率在真空中:利用介质中安培环路定理求磁场的一般步骤:1)在对称性分析基础上选取适当环路L2)由求磁场强度H分布3)由求磁感应强度B分布6.3铁磁质6.3.1铁磁质的特点高

:

B随H迅速增长,平均斜率比非铁磁质大得多.非线性:

B和H不是线性关系,是一复杂的函数关系,

非恒量.磁滞(hysteresis):

B的变化落后于H的变化.存在居里点:

临界温度时,失去铁磁性成为顺磁质.铁:T=1040K

镍:T=631K磁导率曲线:6.3.2铁磁质的起始磁化曲线磁滞回线实验:

铁磁质芯的螺线管,通以电流

I画出曲线由改变

I,测量H

值和B

值画出曲线Br-HsHsOabcdefHBHcOa:起始磁化曲线Hs:饱和磁场强度Br:剩余磁感应强度Hc:矫顽力(coerciveforce)起始磁化曲线磁滞回线磁滞损耗:

材料热效应大小与磁滞回线(hysteresisloop)面积成正比磁滞效应:

磁感应强度B变化跟不上磁场强度H的变化磁滞损耗小,容易磁化,容易退磁,适用于交变磁场.如制造电机,变压器等的铁芯.铁磁材料按磁滞回线分类适合于制造永磁体

适合于制作记录磁带及计算机的记忆元件BHOBHOBHO软磁材料硬磁材料矩磁材料12.3.3磁畴B磁畴体积:10-12~10-8m3包含原子:1017~1021个铁磁质相邻原子间存在很强的交换耦合作用,使得无外场时电子自旋磁矩在微小区域内自发地平行排列,形成一个个小的自发磁化区,称为“磁畴”.铁磁质在外磁场中的磁化过程主要为畴壁的移动和磁畴内磁矩的转向.自发磁化方向逐渐转向外磁场方向(磁畴转向),直到所有磁畴都沿外磁场方向整齐排列时,铁磁质就达到磁饱和状态.

自发磁化磁化过程: