第十四章磁场中的介质课件.ppt

1、14.1 14.1 磁介质对磁场的影响磁介质对磁场的影响物质的磁性物质的磁性 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”。收音机中的磁收音机中的磁棒棒,磁芯磁芯变压器的铁芯变压器的铁芯,螺螺线管的管芯线管的管芯磁介质的分类磁介质的分类0BBB 磁介质中的磁介质中的总磁感强度总磁感强度真空中的真空中的磁感强度磁感强度介质磁化后的介质磁化后的附加磁感强度附加磁感强度传导电流产生传导电流产生与介质有关的电流产生与介质有关的电流产生在介质均匀充满在介质均匀充满磁场的情况下磁场的情况下rBB0介质的

2、相对磁导率介质的相对磁导率 =0 r 称为称为磁导率磁导率三类磁介质：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 B0 r 1（4）完全抗磁体完全抗磁体：（r 0）B 0 磁介质内的磁介质内的磁场等于零（如超导体）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）293K293K293K1-16.610-51-2.910-51-1.010-51-3.89

3、10-5r 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9.26K0014.2 14.2 原子的磁矩原子的磁矩 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

4、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m分子电流分子电流 分子磁矩分子磁矩 每个分子等效一个圆电流每个分子等效一个圆电流 L r-em轨道半径轨道半径r r(圆轨道圆轨道)电子速率电子速率 轨道电流轨道电流revI2分子磁矩分子磁矩222evrrrevISm0BBB无外磁场无外磁场顺顺 磁磁 质质 的的 磁磁 化化分子圆电流和磁矩分子圆电流和磁矩

5、mI0B有外磁场有外磁场sIqv0B0,B 同同向向时时qv0,B 反反向向时时0B无外磁场时抗磁质无外磁场时抗磁质分子磁矩为零分子磁矩为零 0m0BBB抗磁质内磁场抗磁质内磁场FmFmmm抗磁质的磁化抗磁质的磁化结论：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。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

6、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”。lmm14.3 14.3 磁介质的磁化磁介质的磁化1.1.磁化强度磁化强度 为了反映磁化程度的强弱，为了反映磁化程度的强弱，引入引入“磁化强度矢量磁化强度矢量”VmM单位：1mA0BsILS0BsI以抗磁质为例以抗磁质为例n分子磁矩分子

7、磁矩的矢量和的矢量和体积元体积元定义：磁介质的磁场定义：磁介质的磁场中，某点单位体积中中，某点单位体积中分子磁矩的矢量和称分子磁矩的矢量和称为该点的磁化强度。为该点的磁化强度。记为记为M0BsILS0BsI以抗磁质为例以抗磁质为例nVmM分子磁矩分子磁矩的矢量和的矢量和体积元体积元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）。）。介质表面出现磁化电流介质表面出现磁化电

8、流0BsILS0BsI顺磁质顺磁质0BsILS0BsI抗磁质抗磁质磁化强度与磁化电流间的关系磁化强度与磁化电流间的关系（以长螺线管磁场为例）（以长螺线管磁场为例）ljISS取一长为取一长为 面积为面积为S S的磁介质。则的磁介质。则：l它是这段介质中所有它是这段介质中所有分子电流的等效电流分子电流的等效电流,它的磁矩是所有分子它的磁矩是所有分子磁矩的矢量和。磁矩的矢量和。SjVmMRLoIIIRoISjSSM一般言之：介质表面极化面电流线密度一般言之：介质表面极化面电流线密度nMjS式中：式中：M为磁化强度为磁化强度n 为介质表面外法线的为介质表面外法线的单位矢。单位矢。n n Mn n Ro

9、ISjSSMMnSImSVjlSjSSSjVmM内LSLIl dM磁化强度与磁化电流的关系：磁化强度磁化强度与磁化电流的关系：磁化强度 在磁在磁场中沿任一闭合路径场中沿任一闭合路径L L的线积分等于穿过此闭合的线积分等于穿过此闭合路径的磁化电流。路径的磁化电流。M（积分关系积分关系）abcda作闭合回路作闭合回路求积分求积分SabSabIljMlabl dMMabcd积分关系积分关系dacdl dMl dMbcabLl dMl dMl dM 磁化电流是分子电流规则排列的宏观反映，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。而并不伴随电荷的定向运动，不产生热效应。

10、而传导电流是由大量电荷作定向运动而形成的。传导电流是由大量电荷作定向运动而形成的。sLIl dMIl dBL014.4 H14.4 H的环路定理的环路定理 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。0BB1.1.有介质存在时的高斯定理有介质存在时的高斯定理 0SSdBCI+I+rrADLBCiBClIlBlB0dd)(s0INI nmLLIrnI2snmVmM2 rIm 分子磁矩分子磁矩（单位体积分子磁矩数）（单位体积分子磁矩数）nMLI

11、 s传导电流传导电流分布电流分布电流2.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)(d0slINIlB)d(d0lllMNIlBllMIdsINIlMBld)(0MLI sBClMd磁场强度磁场强度 MBH0 磁介质磁介质中的中的安培环路安培环路定理定理 IlHld+I+ADLBCHBMBH00HM各向同性各向同性磁介质磁介质（磁化率）（磁化率）HB)1(01r相对相对磁导率磁导率r0磁磁 导导 率率 各向同性磁介质各向同性磁介质HHBr0 磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 IlHldr111顺磁质顺磁质（非常数）（非常数）抗磁质抗磁质铁磁质铁磁质 例例 有两个半径分别

12、为有两个半径分别为 和和 的的“无限无限长长”同轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁同轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁导率为导率为 的磁介质的磁介质.当两圆筒当两圆筒通有相反方向的电流通有相反方向的电流 时，时，试试 求求（1）磁介质中任意点磁介质中任意点 P 的磁感应强度的大小的磁感应强度的大小;（2）圆柱体外面一点圆柱体外面一点Q 的磁感强度的磁感强度.rrRIIrrdIRRdrIlHldIdH 2dIHB2r0解解IrrdIRRd 0IIlHld0,02HdH0HB0,Brd同理可求同理可求Io r r 例例.一半径为一半径为R1的无限长圆柱形直导线，外面包一的无限长圆柱形直导线，外面包

13、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 rR214.5 14.5 铁磁质铁磁质 400 600 800 1 000H/Am-11510 5B/10-4TB=f(H)顺磁质的顺磁质的B-H曲线曲线装置装置2NIHnIR励磁电流励磁电流 I;用安培定理得用安培定理得H感应电动势法感应电动势法或

14、用小线圈在缝口处测量或用小线圈在缝口处测量BBHB-H磁滞回线磁滞回线磁滞现象磁滞现象cH-矫顽力矫顽力mBmHPrBcHmHPmBHBO磁滞回线磁滞回线Q 当外磁场由当外磁场由 逐渐减小时，这种逐渐减小时，这种 B的变化落后于的变化落后于H的变的变化的现象，叫做化的现象，叫做磁滞磁滞现象现象，简称，简称磁滞磁滞.mH 由于磁滞，由于磁滞，时，时，磁感强度磁感强度 ，叫做剩余磁感强叫做剩余磁感强度度(剩磁剩磁).0H0BrB 铁磁质的宏观性质铁磁质的宏观性质1.1.r r 1 1可使原场大幅度增加，甚至是原可使原场大幅度增加，甚至是原场的几百上千倍场的几百上千倍2.磁滞现象，磁滞现象，B 的变

15、化落后于的变化落后于H的变化。的变化。3.3.r r与磁化历与磁化历史有关，史有关，B-HB-H 非线性非线性HH rB)(TBr 铁磁性材料铁磁性材料HBO软软磁材料磁材料HBO硬硬磁材料磁材料HBO矩矩磁铁氧体材料磁铁氧体材料 实验表明，不同铁磁性物质的磁滞回线形状相实验表明，不同铁磁性物质的磁滞回线形状相差很大差很大.软磁材料软磁材料 应用：硅钢片应用：硅钢片 作变压器、电机、电作变压器、电机、电磁铁的铁芯磁铁的铁芯 铁氧铁氧体（非金属）作高频体（非金属）作高频线圈的磁芯材料线圈的磁芯材料 特点：磁导率大特点：磁导率大 矫顽力小矫顽力小 容易磁化容易磁化也容易退磁也容易退磁 磁滞回线包围

16、面积小磁滞回线包围面积小 磁滞损磁滞损耗小耗小HBO软软磁材料磁材料 特点：剩余磁感应强度大特点：剩余磁感应强度大 矫顽力大矫顽力大 不容易磁不容易磁化化 也不容易退磁也不容易退磁 磁滞回线宽磁滞回线宽 磁滞损耗大磁滞损耗大应用：应用：作永久磁铁作永久磁铁 永磁喇叭永磁喇叭HBO硬硬磁材料磁材料硬磁材料硬磁材料 应用：作计算机应用：作计算机中的记忆元件磁化中的记忆元件磁化时极性的反转构成时极性的反转构成了了“0”0”与与“1”1”特点：磁滞回线呈矩形状特点：磁滞回线呈矩形状HBO矩矩磁铁氧体材料磁铁氧体材料矩形铁氧体磁材料矩形铁氧体磁材料铁磁性起因铁磁性起因 铁磁质内部相邻原子的磁矩会在一个微

17、小的区铁磁质内部相邻原子的磁矩会在一个微小的区域内形成方向一致、排列非常整齐的域内形成方向一致、排列非常整齐的“自发磁化自发磁化区区”，称为，称为磁畴磁畴。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无外磁场无外磁场B有有外外磁磁场场 根据现代理论，铁磁质相邻原子的电根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的子之间存在很强的“交换耦合作用交换耦合作用”使得使得在无外磁场作用时在无外磁场作用时 电子自旋磁矩能在小区电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列域内自发地平行排列 形成自发磁化达到饱形成自发磁化达到饱和状态的微小区域和状态的微小区域

18、这些区域称为这些区域称为“磁畴磁畴”用磁畴理论可以解释铁磁质的磁化用磁畴理论可以解释铁磁质的磁化过程、磁滞现象、磁滞损耗以及居里点过程、磁滞现象、磁滞损耗以及居里点 1892年罗辛格首先提出年罗辛格首先提出 磁畴的形成磁畴的形成是由于磁偶极子间非磁性的相互作用是由于磁偶极子间非磁性的相互作用 *深入认识深入认识磁畴磁畴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，铁磁质就达列时，铁磁质就达到磁饱和状态。到磁饱和状态。T KT K 磁滞损耗磁滞损耗 在交变电磁场中在交变电磁场中 铁磁质的反复磁化铁磁质的反复磁化将引起介质的发热将引起介质的发热 称为磁滞损耗称为磁滞损耗 实验和理论都可以证明实验和理论都可以证明 磁滞损耗和磁磁滞损耗和磁质回线所包围的面积成正比质回线所包围的面积成正比 BH单晶磁畴结构单晶磁畴结构 示意图示意图多晶磁畴结构多晶磁畴结构 示意图示意图纯铁纯铁硅铁硅铁钴钴磁畴磁畴Si-Fe单晶单晶(001)面的面的磁畴结构磁畴结构箭头表示箭头表示磁化方向磁化方向0.1mm