1、磁矩受到磁力矩磁矩受到磁力矩0BpMm 第五章第五章 有磁介质存在时的磁场有磁介质存在时的磁场磁介质磁介质(有分子原子有分子原子结构的实物结构的实物)概述概述电子绕轨有磁矩电子绕轨有磁矩电子自旋有磁矩电子自旋有磁矩核子运动有磁矩核子运动有磁矩0B磁矩无序变有序磁矩无序变有序有序有序产生附加场产生附加场 B 介质内磁场重分布介质内磁场重分布:BB 0B磁介质磁化磁介质磁化的微观解释的微观解释导出介质中安培环路定理和高斯定理导出介质中安培环路定理和高斯定理 5.1 磁介质磁介质(magnetic medium)一一.磁介质内分子的磁矩磁介质内分子的磁矩介质介质分子分子原子原子核核:核磁矩核磁矩电子
2、电子:轨道磁矩轨道磁矩自旋磁矩自旋磁矩介质分子的磁矩介质分子的磁矩 )(ISLmp 等效为等效为分子电流分子电流 .(molecular current).磁矩磁矩 .mpSmees 2242210279222Am.L)m/e(refISrfmrrfmvrmLvmrLBeeeee:波波尔尔磁磁子子原子核磁矩数值约为电子磁矩的原子核磁矩数值约为电子磁矩的千分之一，在研究介质磁性时，千分之一，在研究介质磁性时，可以不予考虑。可以不予考虑。二二.磁介质的磁化磁介质的磁化(magnetization)(一一)顺磁质顺磁质0)(ISLmp 分子固有磁矩分子固有磁矩无外磁场时无外磁场时分子分子热运动热运动
3、磁矩磁矩乱取向乱取向对外无磁性对外无磁性0Bpm转转向向BpMm 不不完完全全顺磁质内磁场加强顺磁质内磁场加强,顺磁质被磁铁所吸引顺磁质被磁铁所吸引有外磁场时有外磁场时0BBBI0/,产产生生00BBBB 磁化电流及其磁场磁化电流及其磁场铝铝,锰锰,氧等氧等(二二)抗磁质抗磁质0,;0)(ISLISLmp BLL 进进LL LBL 0/BL进进LL进进 /单电子单电子 的进动的进动L0B0/Bpm )(ISLmp BBI0/,产产生生00BBBB 抗磁质内磁场减弱抗磁质内磁场减弱,抗磁质被磁铁所排斥抗磁质被磁铁所排斥分子感应磁矩分子感应磁矩铜铜,银银,氢等氢等(三三)磁化强度矢量磁化强度矢量(
4、magnetization intensity vector)每个分子的磁矩每个分子的磁矩 mmpp 对所有分子对所有分子,磁矩排列的有序度磁矩排列的有序度 磁介质被磁化的程度磁介质被磁化的程度0B)/)(lim0VppMmmV 1.定义定义:,/线线jMmA 单位单位:2.磁化强度磁化强度 与磁化电流的关系与磁化电流的关系MldMldaniId )(SLsdMl dMI)(与闭合回路与闭合回路L所套连的磁化电流为所套连的磁化电流为磁介质内部磁化磁介质内部磁化体电流的面密度体电流的面密度为为Mj nMj 线线宏观小微观大宏观小微观大的体积元的体积元V 0B设由于磁化而与设由于磁化而与 套连的分
5、子电流为套连的分子电流为 ,则则l dId 磁介质表面磁化磁介质表面磁化面电流的线密度面电流的线密度为为且且成成右右手手系系为为边边界界所所张张的的任任意意曲曲面面以以LS:对各向同性对各向同性均匀线性磁均匀线性磁介质介质:.0 jaildML?B?B?,线线jj?M引入一个辅助矢量引入一个辅助矢量!如何求磁介质内各点的总磁场如何求磁介质内各点的总磁场?BBB 0Ild)MB(;ldMsdj);II(ldBLLSmL 00 比如：如何用环路定理求磁介质内的磁场比如：如何用环路定理求磁介质内的磁场?思考：思考：(二二)对各向同性均匀线性磁介质对各向同性均匀线性磁介质:;110 BHm rm 1磁
6、介质的磁性能方程磁介质的磁性能方程二二.有磁介质存在时的磁场定理有磁介质存在时的磁场定理HHBr 0(一一)的环路定理的环路定理:H(二二)磁场的磁场的Gauss定理定理:;0 SsdB5.2 有磁介质存在时的磁场有磁介质存在时的磁场一一.磁场强度磁场强度(magenetic intensity)(一一)定义定义:MBH 0 mA/:单单位位;,1:;,1:00.BBBBrrr 顺顺磁磁质质抗抗磁磁质质相相对对磁磁导导率率数数介介质质结结构构决决定定的的无无量量纲纲HMm 实实验验结结论论：IldHL 三三.磁场的边界条件磁场的边界条件磁场高斯定律磁场高斯定律环路定理环路定理介质磁性能方程介质
7、磁性能方程0)()(122211 nBBSnBnBSsdBS1 2 1B2BS 1n2nn线线jlHHlldHL )sinsin(1122 1 1H 12 2H 2l n:,0 则则若若线线 jBH切向分量切向分量不连续不连续连续连续连续连续不连续不连续法向分量法向分量 2211222111coscossin)/(sin)/(BBBB2121tantanrr 1.边界两侧边界两侧 线条数相等线条数相等;B2.在界面上在界面上 线发生折射线发生折射;B 线条数相等线条数相等?H1 2 1 2 1B2Bn 线在界面上的折射线在界面上的折射()B0 线线j;j)HH(n;)BB(n线线 12120本
8、次作业：本次作业：5.6,5.7,5.3 铁磁质铁磁质;2/HrNIHI算算测测 )()(,:HHrB 绘绘曲曲线线起始磁化曲线起始磁化曲线)/(mAH)/(mAH)(TBr oo二二.铁磁质的磁化特性铁磁质的磁化特性(一一)B-H 非线性非线性:线性线性非线性非线性饱和饱和r非常数非常数:()11,最大值最大值1(二二)000/,:1BBBBBBr 且且 倍倍421010利用两介质交界面上的法向分量利用两介质交界面上的法向分量连续条件，连续条件，B可由霍尔探头测得可由霍尔探头测得;一一.铁磁质研究的装置及方法：铁磁质研究的装置及方法：HBHBrr00 IH “去磁去磁”的方法的方法 B Br
9、-Br Hc-Hc H 磁滞回线磁滞回线(三三)的值还与磁化历史有关的值还与磁化历史有关rB,B H不是单值关系不是单值关系矫顽力矫顽力剩磁剩磁反复磁化反复磁化发热发热能量损耗能量损耗(磁滞损耗或磁滞损耗或“铁损铁损”)磁磁滞滞回回线线面面积积磁磁滞滞损损耗耗 磁滞现象磁滞现象,随随H变化且与磁化历史有关变化且与磁化历史有关(四四)铁磁质不同于一般顺磁值主要在于：铁磁质不同于一般顺磁值主要在于：存在剩磁现象存在剩磁现象 10 /r存在存在“居里点居里点”温度温度Tc:TM;TTc失去铁磁性失去铁磁性;(铁铁:Tc=767 oC;镍镍:Tc=357 oC)可用幅值递减的高频磁场可用幅值递减的高频
10、磁场去磁去磁 三三.铁磁质的磁化机制铁磁质的磁化机制 为什么铁磁质有这么大的磁性为什么铁磁质有这么大的磁性?(一一)磁畴磁畴(magnetic domain)理论理论:铁磁质特殊铁磁质特殊的微观结构的微观结构原子间原子间“电子电子自旋相互作用自旋相互作用”磁畴磁畴形成许多自发均形成许多自发均匀磁化的小区域匀磁化的小区域线度线度:mmm 至至原子数原子数:10121015用量子力学理论解释用量子力学理论解释(二二)用磁畴理论解释铁磁质的磁化用磁畴理论解释铁磁质的磁化一定区域电子的磁一定区域电子的磁矩自发地取向一致矩自发地取向一致起始磁化起始磁化:线性线性非线性非线性饱和饱和用晶粒用晶粒结构、结构
11、、磁畴体磁畴体积和磁积和磁化方向化方向解释解释未磁化前未磁化前剩磁和矫顽力剩磁和矫顽力消磁方法消磁方法:震动震动,加热加热,交流电交流电磁滞损耗磁滞损耗四四.铁磁质的分类及其应用铁磁质的分类及其应用(一一)软磁材料软磁材料(二二)硬磁材料硬磁材料(三三)矩磁材料矩磁材料特征特征:磁滞回线磁滞回线“瘦瘦”；用途用途:交变电磁场中交变电磁场中纯铁纯铁,硅钢硅钢,坡莫合金坡莫合金(铁铁78%+镍镍22%)等等特征特征:磁滞回线磁滞回线“胖胖”；用途用途:制造永磁体制造永磁体铁、钴、镍的合金等铁、钴、镍的合金等特征特征:磁滞回线磁滞回线“矩形状矩形状”；用途用途:制造存储元制造存储元件件硬磁材料中的特
12、例硬磁材料中的特例.例例1一均匀密绕细螺绕环一均匀密绕细螺绕环,n=103 匝匝/米米,I=2安安,充满充满 =5 10-4特特米米/安安 的磁介的磁介质质.求求:磁介质内的磁介质内的.BH和和【解【解】3980 r 沿切向沿切向;MBH,;22dInrrHlHL nIH 00BnIBrr 此磁介质是铁磁质此磁介质是铁磁质;取环路取环路L如图如图,在在L上各点上各点:大小相等大小相等.HHBr 0 铁磁质作铁心可铁磁质作铁心可以大大加强磁场以大大加强磁场H的环路定理的环路定理 应用应用I)(ldeRI)(ldMIrrLLm121 包围芯导体介质面上的总磁化电流包围芯导体介质面上的总磁化电流 例
13、例22同轴电缆的芯是半径为同轴电缆的芯是半径为R R的导体圆柱，有电流强度的导体圆柱，有电流强度I I均匀流过均匀流过芯截面，并沿导电外壁流回。设芯和外壁间是磁导率为芯截面，并沿导电外壁流回。设芯和外壁间是磁导率为的均匀磁的均匀磁介质，求（介质，求（1）磁介质中的磁感应强度和磁化强度矢量；（）磁介质中的磁感应强度和磁化强度矢量；（2）紧贴）紧贴芯导体的磁介质中的磁化电流。芯导体的磁介质中的磁化电流。LIrHldH 2【解【解】（1）应用）应用H的环路定理的环路定理 erIH2 erIHB2 erI)(H)(HBMrr2110 （2）紧靠芯导体表面的磁化强度矢量）紧靠芯导体表面的磁化强度矢量 e
14、RI)(Mr21 B S I N 例例3简单磁路简单磁路(magnetic circuit);d lNIlH ;NIHHl ;NIslsmm )/()/(sslNIm;mNI 令令:;mRsl ;mRs mmmmRR 磁通势磁通势磁阻磁阻 1;:)(RRmslslR对对比比与与电电阻阻公公式式“磁导率磁导率”一词的由来一词的由来磁力线沿铁走磁力线沿铁走,也可以解释为也可以解释为:铁的磁阻率铁的磁阻率空气磁阻率空气磁阻率电介质电介质(绝缘体绝缘体)磁介质磁介质(有分子原子有分子原子结构的实物结构的实物)renPPPp ,DEEE,0 rmnMjMjMp,线线HBBB,0 抗磁质抗磁质 1)(r 顺磁质顺磁质 .1)(r 铁磁质铁磁质 .1 r*超导体超导体 .0 r 磁介质与电介质的规律、公式对照表磁介质与电介质的规律、公式对照表.,/,)/(0000),/(/)1(BBBHMMBHrrrrB 0 BjH D0 E./,)1(,0000rrrEEEDEPPED 有极分子电介质有极分子电介质无极分子电介质无极分子电介质0)(12 HHn0)(12 BBn2121tantan 0)(12 EEn0)(12 DDn2121tantan 0E极化极化0B磁化磁化本次作业：本次作业：5.11,5.12
