第8章 磁介质中的磁场

1、教学要求(大学物理2),1、理解磁介质磁化及其对磁场的影响；2、掌握磁场强度；3、掌握磁介质安培环路定理；4、了解铁磁质的磁化、磁畴模型。,授课学时（建议）：4学时,重点：,难点：,磁介质的磁化、磁介质安培环路定理。,磁介质安培环路定理。,本次课,重点,教学要求,难点,磁介质的磁化、磁介质安培环路定理。,磁介质安培环路定理。,一、磁介质的磁化(magnetizationofmagneticmedium),由于物质的分子(或原子)中存在着运动的电荷，所以当将物质放到磁场中时，其中的运动电荷将受到磁场力的作用而使物质处于一种特殊的状态中，这种现象叫做磁化。被磁化的物质要产生附加磁场，对原来的磁场产

2、生影响，我们称这种能影响原磁场的物质为磁介质。任何实物都是磁介质。,假设没有磁介质时，某点的磁感应强度为B0，放入磁介质后，因介质被磁化而产生的附加磁感应强度为B/，则磁介质中总的磁感应强度B是B0和B/的叠加，即：,B/的方向，随磁介质的不同而不同。,磁介质的分类,顺磁质(paramagneticsubstance)：B/与B0同向，BB0，如氧、铝、钨、铂、铬等。,抗磁质(diamagneticsubstance)：B/与B0反向,BB0,如氮、水、铜、银、金、铋等。超导体理想的抗磁体。,在磁介质中，B/的出现既可能削弱也可能加强介质中的磁场，由磁介质自身的性质决定。根据B/与B0方向是否

3、相同，磁介质可分为：,顺磁质和抗磁质又称为弱磁质。（因为它的附加磁感应强度B/的值都比B0要小得多，故它对原来磁场的影响极为微弱）,铁磁质(ferromagneticsubstance)：B/与B0同向，B/B0，且B/和B0的比值不是常数，如铁、钴、镍及其合金等。它能显著地增强磁场，是强磁性物质。,磁介质的磁化,分子电流与分子磁矩,说明：介质磁化时出现的分子电流不同于金属中的自由电子或导电流体中离子运动所形成的自由电流,分子电流仅局限于微观的空间,不能作宏观的迁移,构成分子电流的电子只作绕核运动,它们不是自由电子。,分子或原子中的每个电子都在绕原子核运动，从而使之具有轨道磁矩。此外,电子本身

4、还在自旋，因而还会具有自旋磁矩。我们把一个分子内所有电子全部磁矩的矢量和，称为分子的固有磁矩，简称分子磁矩(molecularmagneticmoment)，用符号Pm表示。,如果把分子作为一个整体,分子中各个电子对外界产生的磁效应的总和便可以用一个等效的圆电流（I）来表示,称为分子电流,这种分子电流具有一定的磁矩。,（1）顺磁质(paramagneticsubstance)。磁化机理来自分子磁矩,（2）抗磁质(diamagneticsubstance)。磁化机理电子轨道在外磁场作用下发生变化,无外磁场时：抗磁质并不显现出磁性。,虽然分子中每个电子的轨道磁矩与自旋磁矩都不等于零，但分子中所有电

5、子的轨道磁矩与自旋磁矩的矢量和却等于零，即分子磁矩为零（Pm=0）。,注：、顺磁质和抗磁质均具有抗磁性。只不过顺磁质中抗磁性的效应较之顺磁性的效应要小得多，因此，在研究顺磁性物质的磁化时可以不计其抗磁性效应。,有外磁场时：分子中绕原子核转动的各个电子受到洛伦兹力的作用，使得整个分子产生一个与外磁场方向相反的磁矩，即引起附加轨道磁矩Pm，而且附加轨道磁矩Pm的方向总是与外磁场B0的方向相反。因此，在抗磁质中，要出现与外磁场B0的方向相反的附加磁场B/，称为抗磁性。于是,抗磁质内的磁感应强度B要比B0略小一点，即B=B0-B/,从宏观上看,磁化的结果是在均匀磁介质的表面出现了未被抵消的分子电流,称

6、为表面电流。,磁介质磁化与电介质极化的区别:,2、抗磁质的磁化则与无极分子电介质的极化相似。例如,抗磁质的分子磁矩是在磁场作用下才产生的,磁介质内部的附加磁场B/与原磁场B0方向总是相反的,而无极分子电介质的电偶极矩也是在电场作用下才产生的,电介质内部的附加电场E/与原电场E0方向也总是相反的。,1、顺磁质的磁化与有极分子电介质的极化很相似。例如,顺磁质具有分子磁矩，在磁场作用下具有取向作用，而有极分子电介质具有固有电偶极矩，在电场作用下也具有取向作用。但是两者又有不同之处，如顺磁质磁化后在其内部产生的附加磁场B/与原磁场B0的方向相同，而电介质极化后在其内部产生的附加电场E/与原电场E0的方

7、向相反；,（3）磁化强度矢量(magnetizationvector),说明:(1)磁化强度是描述磁介质的宏观量;(2)与介质特性、温度与统计规律有关;(3)因为M的方向与的方向相同,所以对于顺磁质，M的方向与外磁场B0的方向一致,而对于抗磁质,M的方向与外磁场B0的方向相反。,(4)磁化强度矢量(magnetizationvector)与分子电流(molecularcurrent)的关系,如图,在磁介质中截取一段长为dl、截面积为S的圆柱体，当介质均匀磁化时，在磁介质内部的任一点，相邻的分子电流总是成对而反向，因而互相抵消,只有在圆柱体磁介质横截面边缘上，各点的分子电流不能抵消。结果，从宏观

8、看，形成了沿圆柱体磁介质表面流动的圆电流。,即：磁化强度矢量在数值上等于磁化面电流密度，方向由右手螺旋法则决定。,磁化强度矢量与磁化面电流强度的联系？,说明：磁化强度对闭合回路的线积分等于通过回路所包围的面积内的总分子电流即磁化面电流强度。上式虽是从均匀磁介质及长方形闭合回路的特例导出的，但可以证明，此结论在任何情况下都是成立的。,如图，在圆柱形磁介质的边界附近取一矩形闭合回路abcd，其中ab边在圆柱形磁介质内部且平行于轴线，cd在圆柱体外，bc和da两边则垂直于圆柱侧面，在磁介质内部各点处，M都沿ab方向，大小相等，在圆柱体外各点，现计算M沿此闭合回路的线积分。,在第7章电场中，我们曾引入

9、了一个辅助物理量电位移矢量D，得出电介质中的高斯定理。类似电场的方法，引入磁学中的一辅助物理量磁场强度矢量，将真空中的安培环路定理和磁场中的高斯定理推广到有磁介质存在情况。,由安培环路定理，有：,将上式代入有,在电学中，电介质中的总场强E是自由电荷所产生的电场E0与束缚电荷所产生的电场E/的矢量和(即E=E0+E/)。类似地在有磁介质时，任一点的总磁感应强度B为传导电流I所产生的磁场B0和磁化电流IS产生的磁场B/的矢量和，即：,1、磁场强度磁介质中的安培环路定理,上式为有磁介质时的安培环路定理。它表示，磁场强度H沿任何闭合回路的线积分，等于通过该回路所包围传导电流的代数和。,说明：（1）磁场

10、强度是表示磁场强弱与方向的辅助物理量；（2）在SI制中，H的单位为A/m；（3）H的环流只与穿过闭合回路的传导电流有关，与而磁化电流无关。（4）虽然上式是通过载流螺绕环这一特例导出的。但理论研究表明，在有磁介质存在的恒定磁场中，它是一个普适定理。,有,相对磁导率(relativemagneticpermeability),绝对磁导率(absolutemagneticperability),在SI中，磁导率的单位和真空中磁导率的单位相同，为，或。,解：这两个无限长的同轴圆柱体，当有电流通过时，它们所产生的磁场是对称的。作一个与圆柱形导体同轴、半径为a的圆形闭合回路，其绕向与电流成右手螺旋关系如图

11、，根据安培环路定理，有,当时，,当时，,休息一下，广告也精彩，马上就回来。,1、铁磁质(ferromagneticsubstance),原因:由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧,使磁畴瓦解,铁磁质失去磁性。,铁磁质中由于原子的强烈作用,在铁磁质中形成磁场很强的小区域磁畴。磁畴的体积约为10-12-10-8m3,包含1017-1021个原子。,铁;镍;钴。,.铁磁质的磁滞回线(magnetichysteresisloopofferromagneticsubstance),应用磁介质的安培环路定理,求得环中的磁场强度为:,同时,可以用其它的方法测出环内的B,于是可从实验中测得一系列I和B的值

12、,从而获得许多组H和B的值,这样作出的BH曲线,通常称为磁化曲线(magnetizationcurve)。,如图，把铁磁质(Fe,Co,Ni及稀钍族元素的化合物)做成圆环，并在其上密绕N匝线圈，线圈中通入强度为I的电流后，铁磁质就被磁化。,磁滞回线:,在图中的O点表示未磁化状态，即H=0，B=0。当逐渐增大I从而增大H时,可得oa段曲线。由图可知,随着H增加,B在开始增加很快,以后逐渐变慢，最后几乎不再增大，即达到饱和值。,将反向电流逐渐减小到零，B会达到-Br值。再把电流改回原方向并逐渐增大，B-H曲线取efa段,最后形成一个闭合曲线,这一闭合曲线叫磁滞回线。,若使反向电流继续增加,以增大反

13、向H值,磁化也可达到反向饱和。,改变电流方向并逐渐增大，由图可以看出，随着H反向增加，B逐渐减小，当达到H=-HC时,B等于零,这时铁磁质的剩磁就消失了，铁磁质也就不显磁性，通常把HC叫做矫顽力,它表示铁磁质抵抗去磁的能力。,此时如果逐渐减小电流I以减小H，直到H为零，磁感应强度B并不沿起始曲线oa减小，而是沿图中ab曲线比较缓慢地减小。当H变为零时，B并不为零，而是Br值，称为剩磁。这种的B变化落后于H的变化的现象，叫磁滞现象，简称磁滞。,实验指出,铁磁性材料在交变磁场的作用下反复磁化时要发热,磁体内分子的状态不断改变,因而分子的振动加剧,温度升高。而使分子振动加剧的能量是由产生磁场的电流源

14、提供,这部分能量转化为热量而散失掉。这种在反复磁化过程中的能量损失称为磁滞损耗。理论和实验证明,各种铁磁质有不同的磁滞回线,磁滞回线所围的面积越大,矫顽力大,剩磁也大,磁滞损耗也越大。在电器设备中这种损耗是十分有害的,必须尽量减小。,铁磁质的分类及其应用,根据各磁性材料磁滞回线的形状及矫顽力大小又可分为软磁材料、硬磁材料、矩磁材料三种。,特点：软磁材料的矫顽力小，容易磁化，也容易退磁；磁滞回线细而窄，所包围的面积小，因而磁滞损耗小；应用：适宜于制造电磁铁、变压器、交流电动机、交流发电机等电器中的铁心。例子：纯铁、硅钢，坡莫合金、铁氧体等。,特点：剩磁和矫顽力都比较大，磁滞回线所包围的面积也就大

15、，磁滞特性非常显著，所以把硬磁材料放在外磁场中充磁后，仍能保留较强的磁性，并且这种剩余磁性不易被消除。应用：适宜于制造永磁体、扬声器等。例子：钨钢、碳钢、铝镍钴合金等。,硬磁材料(hardmagneticmaterial)（永磁材料）,它由三氧化二铁（Fe2O3）和其他二价的金属氧化物（如NiO、ZnO、MnO等）的粉末混合烧结而成，由于它的制造工艺过程类似陶瓷，所以常叫做磁性瓷。,矩磁材料(rectangularmagneticmaterial)（非金属磁性材料）,应用：由于当它在两个方向磁化后，剩磁总是处于Br这两个状态。所以，可用这两种状态来表示计算机二进制的两个数码“0”与“1”，用它来制成“记忆”元件，能起到记忆和存贮的作用。,压磁材料,另外，压磁材料具有强的磁致伸缩性能，所谓磁致伸缩是指铁磁性物体的