1、1第第9章章 磁介质磁介质 1 磁介质及其分类磁介质及其分类 2 有磁介质时磁场的规律有磁介质时磁场的规律 3 铁磁质铁磁质21 磁介质及其分类磁介质及其分类一、磁介质的分类一、磁介质的分类二、二、 磁介质的磁化磁介质的磁化 磁化电流磁化电流三、磁化强度三、磁化强度3BBBo 介质的相对磁导率介质的相对磁导率顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质铁磁质铁磁质1 磁介质及其分类磁介质及其分类一、磁介质的分类一、磁介质的分类介质对场有影响介质对场有影响 总场是总场是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rBB0111rrr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4二、二、
2、磁介质的磁化磁介质的磁化 磁化电流磁化电流1. 分子电流分子电流 分子磁矩分子磁矩 磁偶极子磁偶极子每个分子等效一个圆电流每个分子等效一个圆电流pppmmlms00顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质pm0磁畴磁畴mp轨道角动量轨道角动量对应的磁矩对应的磁矩自旋角动量自旋角动量对应的磁矩对应的磁矩铁磁质铁磁质52.磁化的微观解释磁化的微观解释1)顺磁性顺磁性0Bmpmpmp0BB方向与方向与 方向相同方向相同2)抗磁性抗磁性分子中电子轨道角动量的旋进分子中电子轨道角动量的旋进mlpLB电子轨道磁矩受磁力矩方向电子轨道磁矩受磁力矩方向垂直纸面向内垂直纸面向内BpMml轨道角动量绕磁场旋进轨道角动量绕磁场旋进
3、电子附加一个与磁感电子附加一个与磁感强度相反的磁矩强度相反的磁矩mpmp( (只有顺磁质、铁磁质才具有顺磁性只有顺磁质、铁磁质才具有顺磁性) )( (所有介质均具有抗磁性所有介质均具有抗磁性) )63.磁化电流磁化电流由于分子磁矩的取向一致由于分子磁矩的取向一致 考虑到它们相对应的考虑到它们相对应的分子电流分子电流如如 长直螺线管内部充满均匀的各向同性介质将长直螺线管内部充满均匀的各向同性介质将被均匀磁化被均匀磁化B均匀磁场均匀磁场螺线管截面螺线管截面mpI视频安培视频安培表面电流表面电流7三、磁化强度三、磁化强度 1.磁化强度磁化强度VpMimiVlim02.磁化强度与磁化电流的关系磁化强度
4、与磁化电流的关系LlMInMjd极化强度极化强度VpPieiVlim0SsPqdnP 对比电介质对比电介质8 推导：推导：Lld i分分 S磁介质磁介质ldS分分M放大放大穿过穿过L所围曲面所围曲面 S 的磁化电流的磁化电流)cos( lSinIdd分分coslM dlMdLlMId 则套住则套住 dl 的分子电流：的分子电流：设分子浓度为设分子浓度为 n，9介质表面磁化电流密度：介质表面磁化电流密度：tMld选选lMIdd磁化面电流密度磁化面电流密度tSMlIjddnMjnMtMldSI dlMtd103. 磁化规律磁化规律各向同性线性磁介质各向同性线性磁介质HHMrm1m介质的介质的磁磁化
5、率化率对比对比 电介质电介质EEPre100e极极化率化率112 有磁介质时磁场的规律有磁介质时磁场的规律 一、一、 有介质时的环路定理有介质时的环路定理 二、二、 环路定理的应用举例环路定理的应用举例 三、三、 磁场的界面关系磁场的界面关系 *静磁屏蔽静磁屏蔽12一、有介质时的环路定理一、有介质时的环路定理SLSBIlB）（）（内2 01 0dd真空真空考虑到磁化电流（考虑到磁化电流（1）式则需加以修正）式则需加以修正13设：设：I0 传导电流传导电流I 磁化电流磁化电流)(00内内IIlBLdlMILd000内磁磁介介质质I 内00)(IlMBLdMBH0定义定义I0L14得：得：LIlH
6、内0dH 的单位：的单位：真空：真空：00 BHM ，。 A/m410Oe13 奥斯特奥斯特 Oe（SGSM），），A/m （ SI ）；）；MBH0磁场强度磁场强度内00)(IlMBLd的环路定理的环路定理H15各向同性线性磁介质各向同性线性磁介质MBH0HBr0HB HMr）（1r 0 磁导率磁导率令令则有则有将将代入代入得得对比对比各向同性线性各向同性线性电介质电介质EPr10PED0EDr0r0ED16二、环路定理的应用举例二、环路定理的应用举例例例1介质中闭合回路介质中闭合回路L所套连的磁化电流为：所套连的磁化电流为：证：证： LLmlHlMIdd0 IlHmLmd0 00II则则若
7、若，L任取任取 且可无限缩小且可无限缩小故故 I0 = 0 处处 I = 0 LMld磁磁介介质质无传导电流处无传导电流处 也无磁化电流也无磁化电流证明在各向同性均匀磁介质内证明在各向同性均匀磁介质内17例例2 一充满均匀磁介质的密绕细螺绕环，一充满均匀磁介质的密绕细螺绕环， 密/安特43105210安匝/米In求：磁介质内的求：磁介质内的MBH,解：解：398104105740r取回路如图，设总匝数为取回路如图，设总匝数为NrHlHL2dNInIrNIH2R1R2OrrRR21细螺绕环细螺绕环18nIrNIH2nIHBnIHMrr) 1() 1(表表Mj 代入数据代入数据A/m1094. 7
8、5MA/m1094. 75j19讨论：讨论：设想把这些磁化面电流也分成每米设想把这些磁化面电流也分成每米103匝，相当于分到每匝有多少？匝，相当于分到每匝有多少？)A(794101094.7/35 nj2(A)充满铁磁质后充满铁磁质后A/m1094. 75jBBBBBBB或或0020三、三、 磁场的界面关系磁场的界面关系 *静磁屏蔽静磁屏蔽0SBSd由由可得可得 B1n = B2n (1)设界面无传导电流，设界面无传导电流，0lHLd由由可得可得 H1t = H2t (2)2211 ttBB 即即 (2)12n1B2B 1 212t1H2H 1 2）（00 Sj212211tg1tg1)1(
9、)2( ：， 02 在在 1很大的介质很大的介质1中，中， 线几乎平行界面，线几乎平行界面，B这就是铁磁质中这就是铁磁质中 线沿铁芯延续的情形线沿铁芯延续的情形B21 若若，21 则则，21 当当时时，。 21 ，1tgtg2211 n线线1B线线2B 1 2 1 2n线线1B线线2B 1 2 2 1 90 222B内内R2R10B铁管（铁管（ 板面）板面）* *静磁屏蔽静磁屏蔽计算表明：计算表明：)(4212222RRRkr ，tRr 2 t = 1cm时，时，k = 0.5% 。屏蔽系数屏蔽系数，cm1040002 Rr 若若 t = 0.1cm时，时，k = 5% ；则则 精密探头、显象
10、管精密探头、显象管都需要磁屏蔽都需要磁屏蔽00212222)(4kBBRRRBr 内内212)(RRRt 233 铁磁质铁磁质一、铁磁质的宏观性质一、铁磁质的宏观性质二、铁磁性起因二、铁磁性起因三、磁致伸缩三、磁致伸缩24一、一、 铁磁质的宏观性质铁磁质的宏观性质1. r 1 可使原场大幅度增加可使原场大幅度增加2. r与磁化历史有关与磁化历史有关 B-H 非线性非线性装置装置HH rB)(TBr起始磁化曲线起始磁化曲线253. 磁滞现象磁滞现象BBr-BrHc-HcHrB- 剩磁剩磁cH- 矫顽力矫顽力去磁？去磁？BBrB视频磁滞回线视频磁滞回线264. 居里温度居里温度二、铁磁性起因二、铁
11、磁性起因 量子理论量子理论 磁畴磁畴-电子的自旋磁矩可以不靠磁场而取得电子的自旋磁矩可以不靠磁场而取得一致的方向。各种材料磁畴的线度相差较大。一致的方向。各种材料磁畴的线度相差较大。一个磁畴中约有一个磁畴中约有1012 - 1015个原子。个原子。 居里点居里点 MT顺磁质顺磁质铁铁 767 0C镍镍 357 0C演示巴克演示巴克豪森现象豪森现象演示居演示居里温度里温度27三、磁致伸缩三、磁致伸缩方方向向改改变变变变磁磁畴畴MB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 磁致伸缩磁致伸缩长度相对改变约长度相对改变约10-5量级量级温下可达温下可达10 -1某些材料在低某些
12、材料在低磁致伸缩有一定固有频率磁致伸缩有一定固有频率化频率和固有频率一致时化频率和固有频率一致时 发生共振发生共振当外磁场变当外磁场变可用于制作激振器、超声波发生器等可用于制作激振器、超声波发生器等 根据现代理论，铁磁质相邻原子的根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的电子之间存在很强的“交换耦合作用交换耦合作用”使得在无外磁场作用时使得在无外磁场作用时 电子自旋磁矩电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列能在小区域内自发地平行排列 形成自形成自发磁化达到饱和状态的微小区域发磁化达到饱和状态的微小区域 这些这些区域称为区域称为“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
13、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 1926年海森堡用量子力学中的交换力解年海森堡用量子力学中的交换力解释了磁偶极子间相互作用的起源释了磁偶极子间相互作用的起源 1935年年 朗道和栗佛希兹从磁场能量的朗道和栗佛希兹从磁场能量的观点说明了磁畴的成因观点说明了磁畴的成因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单晶磁畴
14、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磁性材料：磁性材料：软磁材料软磁材料BH 应用：硅钢片应用：硅钢片 作变压器、电机、电磁作变压器、电机、电磁铁的铁芯铁的铁芯 铁氧铁氧体（非金属）作体（非金属）作高频线圈的磁芯高频线圈的磁芯材料材料 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 磁滞回线包围面积小磁滞回线包围面积小 磁滞损磁滞损耗小耗小 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 不不容易磁化容易磁化 也不容易退磁也不容易退磁 磁滞回线宽磁滞回线宽 磁磁滞损耗大滞损耗大硬磁材料硬磁材料应用：作永久磁铁应用：作永久磁铁 永磁喇叭永磁喇叭BH 应用：作计算机中的记忆元件应用：作计算机中的记忆元件 磁化时极磁化时极性的反转构成了性的反转构成了“0”与与“1”矩磁材料：矩磁材料：BH特点：磁滞回线呈矩形状特点：磁滞回线呈矩形状第第6章结束章结束
