大学物理第15章磁介质的磁化课件.ppt

1、磁介质磁介质:实体物质在磁场作用下呈现磁性实体物质在磁场作用下呈现磁性,该物体称磁介质。该物体称磁介质。电介质极化：电介质极化：EEE0磁介质磁化：磁介质磁化：BBB0总磁感强度总磁感强度外加磁感强度外加磁感强度附加磁感强度附加磁感强度磁化磁化:磁介质在磁场中呈现磁性磁介质在磁场中呈现磁性(在磁场的作用下产生附加在磁场的作用下产生附加磁场磁场)的现象称为磁化。的现象称为磁化。磁介质的三种类型：磁介质的三种类型：顺磁质、抗磁质、铁磁质顺磁质、抗磁质、铁磁质。电学与磁学电学与磁学类比：类比：15.1 磁介质的磁化磁介质的磁化 磁化强度矢量磁化强度矢量实验发现实验发现：有、无磁介质的螺旋管：有、无磁

2、介质的螺旋管内磁感应强度的比值，可表征它们内磁感应强度的比值，可表征它们在磁场中的性质。在磁场中的性质。相对磁导率相对磁导率:0BBr顺磁质：顺磁质：,1r如氧、铝、钨、铂、铬等。如氧、铝、钨、铂、铬等。0BII磁介质磁介质BII0BB,1r抗磁质：抗磁质：,1r铁磁质：铁磁质：如氮、水、铜、银、金、铋等。如氮、水、铜、银、金、铋等。如铁、钴、镍等，如铁、钴、镍等，0BB 0BB超导体是理想的抗磁体。超导体是理想的抗磁体。B 与与B0 同方向，同方向，B 与与B0 反方向，反方向，B 与与B0 同方向，同方向，BBB01.磁介质的分类：磁介质的分类：1.磁介质的分类：磁介质的分类：1).1).

3、分子电流模型和分子磁矩分子电流模型和分子磁矩 原子中电子参与两种运动：自原子中电子参与两种运动：自旋及绕核的轨道运动，对应有轨道旋及绕核的轨道运动，对应有轨道磁矩和自旋磁矩。磁矩和自旋磁矩。用等效的分子电流的磁效应来用等效的分子电流的磁效应来表示各个电子对外界磁效应的总合，表示各个电子对外界磁效应的总合，称为分子固有磁矩。称为分子固有磁矩。Imp抗磁质抗磁质：顺磁质：顺磁质：0mPmP0mP未加外磁场时未加外磁场时:类比：类比：电介质电介质的微观图象的微观图象有极分子、无极分子。有极分子、无极分子。B内，V不显磁性不显磁性加外磁场时加外磁场时:BPMm顺磁质：顺磁质：0mP当外磁场存在时，各分

4、子当外磁场存在时，各分子固有固有磁矩受磁场力矩的作用，磁矩受磁场力矩的作用，或多或少地转向磁场方向或多或少地转向磁场方向 顺磁质顺磁质的磁化。的磁化。怎么解释抗磁质：怎么解释抗磁质：B B0，B 与与B0 反方向反方向!BBB054 顺磁质的磁化1ok.swf2).2).顺磁质的磁化顺磁质的磁化*电子的进动：电子的进动：在外磁场作用下，每个电子除了保持环绕原在外磁场作用下，每个电子除了保持环绕原子核的运动和电子本身的自旋以外，还要附加电子磁矩子核的运动和电子本身的自旋以外，还要附加电子磁矩以以外磁场方向为轴线的转动外磁场方向为轴线的转动。L0BLeL进动进动LLdLLdBMLMtLddML、d

5、方向一致!0BLeLL进动进动BB0lmpi0mP 可以证明：可以证明：不论电子原来的磁矩与磁场方向之间的夹角不论电子原来的磁矩与磁场方向之间的夹角是何值，这种是何值，这种进动进动等效圆电流等效圆电流附加磁矩附加磁矩 L的方向永远与的方向永远与B0 的方向相反。的方向相反。抗磁质：抗磁质：53 电子的拉莫进动.swf在有外磁场时轨道角动量绕磁场旋进，电子附加一个与磁感强在有外磁场时轨道角动量绕磁场旋进，电子附加一个与磁感强度相反的磁矩，分子中各电子因进动而产生的磁效应的总和度相反的磁矩，分子中各电子因进动而产生的磁效应的总和,称分子的附加磁矩称分子的附加磁矩,方向与外磁场反向方向与外磁场反向,

6、决定了分子的抗磁性决定了分子的抗磁性.3).3).抗磁质的磁化抗磁质的磁化B）不管哪种介质，在无外场时，对外不显磁性）不管哪种介质，在无外场时，对外不显磁性.电子进动产生的附加磁矩电子进动产生的附加磁矩 总是减弱外磁场总是减弱外磁场.与与 相差两个数量级。因此顺磁质中的磁场是加强了。相差两个数量级。因此顺磁质中的磁场是加强了。C)mpmpmp3.磁化强度磁化强度:VpMimiVlim0单位体积内分子磁矩的矢量和。单位体积内分子磁矩的矢量和。它带来附加磁场它带来附加磁场 的贡献。的贡献。B注意：注意：A）抗磁质固有磁矩为零，抗磁质固有磁矩为零，并不意味着电子不自旋，并不意味着电子不自旋，电子不绕

7、原子核运动。电子不绕原子核运动。分子中所有电子的轨道磁矩和分子中所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩矢量和为零。自旋磁矩矢量和为零。V A/mmmA32VpMmmip注意：注意：1）要宏观无限小，要宏观无限小，微观无限大。微观无限大。V2）顺磁质中，顺磁质中，M与外场方与外场方 向一致，抗磁质中，向一致，抗磁质中，M 与外场方向相反。与外场方向相反。4）物理含义）物理含义-描述物质磁化的程度与状态。描述物质磁化的程度与状态。3）M的单位：的单位：显然，磁化越厉害，分子磁矩的矢量和越大。显然，磁化越厉害，分子磁矩的矢量和越大。对外磁场的影响也越大。（加强或减弱）对外磁场的影响也越大。（加强或减弱）B抗磁

8、质抗磁质磁化面电流磁化面电流LR顺磁质顺磁质L大小：单位长度磁介质表面流过的磁化面电流大小：单位长度磁介质表面流过的磁化面电流方向：该处磁化面电流的方向。方向：该处磁化面电流的方向。4 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mImImj面电流密度面电流密度mj 对于各向同性的均匀介质，介质内部各分子电流相互抵对于各向同性的均匀介质，介质内部各分子电流相互抵消，而在介质表面，未被抵消的分子电流相互拼接，在磁化消，而在介质表面，未被抵消的分子电流相互拼接，在磁化圆柱的表面出现一层电流，称为磁化面电流。圆柱的表面出现一层电流，称为磁化面电流。一般言之：介质表面磁化面电流密度一般言之：介

9、质表面磁化面电流密度SIpmmmmjVpMVjlSjmmLlSMMnnMjm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量。单位矢量。（微分关系）（微分关系）nnMnn取一长为取一长为 l 面积为面积为S的磁介质。则：的磁介质。则：mjmjmjabcda作闭合回路作闭合回路求积分求积分bcabLlMlMlMddddacdlMlMddmabmabIljMlablM dMabcd积分关系积分关系内LmLIlMd 磁化强度对闭合回路的线积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分等于通过回路所包围的面积内的总磁化电流。的总磁化电流。磁化强度与磁化面电流的

10、关系，虽然是从特例磁化强度与磁化面电流的关系，虽然是从特例给出，但是普遍成立的。给出，但是普遍成立的。内）（LLIlB000d无磁介质时无磁介质时有磁介质时有磁介质时)(d0mLIIlBlMILmd)d(d0LLlMIlBIlMBLd)(0或定义磁场强度定义磁场强度MBH0 磁介质中的安培环路定理：磁介质中的安培环路定理：磁场强度沿任意闭合磁场强度沿任意闭合路径的线积分等于穿过该路径的所有传导电流的代数路径的线积分等于穿过该路径的所有传导电流的代数和，而与磁化电流无关。和，而与磁化电流无关。IlHLd15.2 有介质时的安培环路定理有介质时的安培环路定理磁化电流磁化电流传导电流传导电流有磁介质

11、的总场有磁介质的总场MBH0 实验证明：对于各向同性的介质，在磁介质中实验证明：对于各向同性的介质，在磁介质中任意一点磁化强度和磁场强度成正比。任意一点磁化强度和磁场强度成正比。HMm 式中式中m称为磁介质的称为磁介质的磁化率磁化率，是一个纯数。，是一个纯数。顺磁质0m抗磁质0mHMmmr1令HBm)1(0HHBr0磁导率磁导率=0 r说明：说明：1）是一辅助物理量，描述磁场的基本物理量是一辅助物理量，描述磁场的基本物理量 仍然是仍然是HB3）MBH0是一普遍关系式是一普遍关系式在各向同性的介质中：在各向同性的介质中：HHBr0在电流和磁介质分布有对称性时，通过在电流和磁介质分布有对称性时，通

12、过 LLIl dH先求先求H，再通过，再通过B=0 r H求求 B.HMm2）的单位是的单位是A/m（SI制）制）H例：长直螺旋管内充满均匀磁介质例：长直螺旋管内充满均匀磁介质 r，设电流设电流 I0 0，单位长度单位长度上的匝数为上的匝数为 n。求管内的磁感应强度求管内的磁感应强度。解：因管外磁场为零，取如图所示解：因管外磁场为零，取如图所示安培回路安培回路LLIlHd0dnlIlHlHba0nIH 000nIHBrraddccbbalHlHlHlHddddB0I0IcbadBl例例:在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质，已知螺绕环中在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质，已知螺绕环中的传

13、导电流为的传导电流为I，单位长度内匝数单位长度内匝数n，环的横截面半径比环的平环的横截面半径比环的平均半径小得多，磁介质的相对磁导率和磁导率分别为均半径小得多，磁介质的相对磁导率和磁导率分别为 r r和和，求求环内的磁场强度和磁感应强度。环内的磁场强度和磁感应强度。NIlHd解：解：在环内任取一点，过该点作在环内任取一点，过该点作一和环同心、半径为一和环同心、半径为 r 的圆形回的圆形回路。路。式中式中N为螺绕环上线圈的总匝数。由对称性可知，在所取圆形为螺绕环上线圈的总匝数。由对称性可知，在所取圆形回路上各点的磁场强度的大小相等，方向都沿切线。回路上各点的磁场强度的大小相等，方向都沿切线。rN

14、IrH2nIrNIH2当环内充满均匀介质时当环内充满均匀介质时HHBr0nIBr0例：如图所示，一半径为例：如图所示，一半径为R1的无限长圆柱体（导体的无限长圆柱体（导体 0）中）中均匀地通有电流均匀地通有电流I，在它外面有半径为在它外面有半径为R2的无限长同轴圆柱面，的无限长同轴圆柱面，两者之间充满着磁导率为两者之间充满着磁导率为 的均匀磁介质，在圆柱面上通有相的均匀磁介质，在圆柱面上通有相反方向的电流反方向的电流I。试求试求(1)(1)圆柱体外圆柱面内一点的磁场；圆柱体外圆柱面内一点的磁场；(2)(2)圆柱体内一点磁场；圆柱体内一点磁场；(3)(3)圆柱面外一点的磁场。圆柱面外一点的磁场。

15、解解:(1)(1)当两个无限长的同轴圆柱体和圆柱面当两个无限长的同轴圆柱体和圆柱面中有电流通过中有电流通过时，它们所激发的磁场是轴对时，它们所激发的磁场是轴对称分布的，而磁介质亦呈轴对称分布，因而称分布的，而磁介质亦呈轴对称分布，因而不会改变场的这种对称分布。设圆柱体外圆不会改变场的这种对称分布。设圆柱体外圆柱面内一点到轴的垂直距离是柱面内一点到轴的垂直距离是r1，以，以r1为半径为半径作一圆，取此圆为积分回路，根据安培环路作一圆，取此圆为积分回路，根据安培环路定理有定理有IrHlHlHr102dd12IIIR1R212 rIH12 rIHB)(21RrRr1IIIR1R2r1r2(2)设在圆

16、柱体内一点到轴的垂直距离是设在圆柱体内一点到轴的垂直距离是r2，则以，则以r2为半径作一为半径作一圆，根据安培环路定理有圆，根据安培环路定理有2222220121222ddRrIRrIrHlHlHr2221RIrH220012RIrHB)(1Rr(3)在圆柱面外取一点，它到轴的垂直距在圆柱面外取一点，它到轴的垂直距离是离是r3，以，以r3为半径作一圆，根据安培环为半径作一圆，根据安培环路定理路定理,考虑到环路中所包围的电流的代数考虑到环路中所包围的电流的代数和为零，所以得和为零，所以得r30dd320rlHlH0H0B)(2rR 装置：装置：螺绕环螺绕环;铁磁质铁磁质RNIH2HrHB HrB

17、,冲击电流计测量冲击电流计测量BHBro铁磁质的铁磁质的 r 非线性；非线性；15.3 铁磁质铁磁质原理原理:励磁电流励磁电流 I;用安培定理得用安培定理得H一一 磁化规律磁化规律起始磁化曲线；起始磁化曲线；磁饱和现象磁饱和现象cHcHrBHBSBB的变化落后于的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应，从而具有剩磁，即磁滞效应起始磁化曲线；起始磁化曲线；rB剩磁剩磁饱和磁感应强度饱和磁感应强度SBcH矫顽力矫顽力磁滞回线磁滞回线-不可逆过程不可逆过程当温度升高到一定程度时，高磁导率、磁滞、磁致当温度升高到一定程度时，高磁导率、磁滞、磁致伸缩等一系列特殊状态全部消失，而变为顺磁性。伸缩等一系列特

18、殊状态全部消失，而变为顺磁性。这温度称铁磁质的居里点这温度称铁磁质的居里点。如：铁为如：铁为 1040K，钴为，钴为 1390K，镍为镍为 630K.2）有剩磁，去磁要有矫顽力）有剩磁，去磁要有矫顽力Hc 3）具有使铁磁质性质消失的）具有使铁磁质性质消失的“居里点居里点”。1）B、H具有非线性关系，具有非线性关系，数值都很大。数值都很大。mr.铁磁性材料的特点铁磁性材料的特点：装置如图所示：将悬挂着的镍片移近永久装置如图所示：将悬挂着的镍片移近永久磁铁，即被吸住，说明镍片在室温下具有磁铁，即被吸住，说明镍片在室温下具有铁磁性。用酒精灯加热镍片，当镍片的温铁磁性。用酒精灯加热镍片，当镍片的温度升

19、高到超过一定温度时，镍片不再被吸度升高到超过一定温度时，镍片不再被吸引，在重力作用下摆回平衡位置，说明镍引，在重力作用下摆回平衡位置，说明镍片的铁磁性消失，变为顺磁性。移去酒精片的铁磁性消失，变为顺磁性。移去酒精灯，稍待片刻，镍片温度下降到居里点以灯，稍待片刻，镍片温度下降到居里点以下恢复铁磁性，又被磁铁吸住。下恢复铁磁性，又被磁铁吸住。作变压器的作变压器的软磁材料软磁材料。纯铁，硅钢坡莫合金纯铁，硅钢坡莫合金(Fe，Ni)，铁氧体等。，铁氧体等。r大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。饱和磁感应强度大，饱和磁感应强度大，矫顽力矫顽力(Hc)小，磁滞小，磁滞回

20、线的面积窄而长，损耗小。回线的面积窄而长，损耗小。用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。作永久磁铁的作永久磁铁的硬磁材料硬磁材料钨钢，碳钢，铝镍钴合金钨钢，碳钢，铝镍钴合金矫顽力矫顽力(Hc)大（大（10102 2A/m)，剩磁，剩磁Br大磁滞回线的面积大，损耗大。大磁滞回线的面积大，损耗大。用于磁电式电表中的永磁铁。用于磁电式电表中的永磁铁。耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。二二 铁磁质的应用铁磁质的应用HcHcHBHcHBcH作存储元件的作存储元件的矩磁材料矩磁材料Br=BS，Hc不大，磁滞回线是矩

21、形。不大，磁滞回线是矩形。用于记忆元件，当用于记忆元件，当+脉冲产生脉冲产生H Hc使磁芯呈使磁芯呈+B态，则态，则脉冲产生脉冲产生H Hc使磁芯呈使磁芯呈 B态，可做为二进制的两个态。态，可做为二进制的两个态。锰镁铁氧体，锂锰铁氧体锰镁铁氧体，锂锰铁氧体压磁材料具有较强的磁致伸缩效应压磁材料具有较强的磁致伸缩效应.HcHcHBBHO变变B晶晶格格间间距距改改变变铁铁磁磁体体长长度度和和体体积积改改变变磁致伸缩有一定固有频率磁致伸缩有一定固有频率当外磁场变化频率和固有频率一致发生共振当外磁场变化频率和固有频率一致发生共振常用于制造激振器、超声波发生器。常用于制造激振器、超声波发生器。磁畴磁畴(

22、10 4m)成因：一种量子作用成因：一种量子作用-电子轨道交叠产生的电子轨道交叠产生的一种交换耦合作用，使电子自旋取一致平行一种交换耦合作用，使电子自旋取一致平行的排列，形成自发的磁化区域的排列，形成自发的磁化区域-磁畴。磁畴。纯铁纯铁硅铁硅铁钴钴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0.1mmH 在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能将在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能将低于磁矩与外磁反向排列时的磁能，结果是低于磁矩与外磁反向排列时的磁能，结果是自发磁化磁矩和自发磁化磁矩和外磁场成小角度的磁畴处于有利地位，这些磁畴体积逐渐扩外

23、磁场成小角度的磁畴处于有利地位，这些磁畴体积逐渐扩大，大，而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度的磁畴体积逐渐缩而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。随着外磁场的不断增强，取向与外磁场成较大角度的磁小。随着外磁场的不断增强，取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失，留存的磁畴将向外磁场的方向旋转，以后再继畴全部消失，留存的磁畴将向外磁场的方向旋转，以后再继续增加磁场，所有磁畴都沿外磁场方向整齐排列，这时磁化续增加磁场，所有磁畴都沿外磁场方向整齐排列，这时磁化达到饱和。达到饱和。在没有外磁场作用时，磁体体内磁矩排列杂乱，任意在没有外磁场作用时，磁体体内磁矩排列杂乱，任意物理无限小体积内的平均

24、磁矩为零。物理无限小体积内的平均磁矩为零。顺磁质和铁磁质的磁导率明显地依赖于温度，而抗顺磁质和铁磁质的磁导率明显地依赖于温度，而抗磁质的磁导率则几乎与温度无关，为什么？磁质的磁导率则几乎与温度无关，为什么？答答：顺磁质的磁性主要来源于分子的固有磁矩沿外磁场顺磁质的磁性主要来源于分子的固有磁矩沿外磁场方向的取向排列方向的取向排列。当温度升高时，由于热运动的缘故，当温度升高时，由于热运动的缘故，这些固有磁矩更易趋向混乱，而不易沿外磁场方向排列，这些固有磁矩更易趋向混乱，而不易沿外磁场方向排列，使得顺磁质的磁性因磁导率明显地依赖于温度。使得顺磁质的磁性因磁导率明显地依赖于温度。铁磁质的磁性主要来源于

25、磁畴的磁矩方向沿外磁场方铁磁质的磁性主要来源于磁畴的磁矩方向沿外磁场方向的取向排列。向的取向排列。当温度升高时，各磁畴的磁矩方向易当温度升高时，各磁畴的磁矩方向易趋向混乱而使铁磁质的磁性减小，因而铁磁质的磁导趋向混乱而使铁磁质的磁性减小，因而铁磁质的磁导率会明显地依赖于温度。率会明显地依赖于温度。当铁磁质的温度超过居里点当铁磁质的温度超过居里点时，其磁性还会完全消失。时，其磁性还会完全消失。至于至于抗磁质，它的磁性来源于抗磁质分子在外磁场中所产抗磁质，它的磁性来源于抗磁质分子在外磁场中所产生的与外磁场方向相反的感生磁矩，生的与外磁场方向相反的感生磁矩，不存在磁矩的方向排不存在磁矩的方向排列问题，因而抗磁质的磁性和分子的热运动情况无关，这列问题，因而抗磁质的磁性和分子的热运动情况无关，这就是抗磁质的磁导率几乎与温度无关的原因。就是抗磁质的磁导率几乎与温度无关的原因。更多精品资请访问更多精品资请访问 更多品资源请访问更多品资源请访问