1、12-1 12-1 磁介质的磁化磁介质的磁化 磁导率磁导率12-2 12-2 磁介质中的磁场磁介质中的磁场 有介质时的有介质时的 安培环路定律安培环路定律 磁场强度磁场强度 12-3 12-3 铁磁质铁磁质了解磁介质的磁化及其微观解释了解磁介质的磁化及其微观解释2.理解磁介质中安培环路定理的意义理解磁介质中安培环路定理的意义 3.了解铁磁质的一些重要特性及应用了解铁磁质的一些重要特性及应用教教 学学 要要 求：求：什么是磁介质？什么是磁介质？在充电的平行板电容器的均匀电场中放在充电的平行板电容器的均匀电场中放一块导体，导体内的场强怎么样？一块导体，导体内的场强怎么样？在充电的平行板电容在充电的
2、平行板电容器的均匀电场中放一块器的均匀电场中放一块绝缘体（电介质）绝缘绝缘体（电介质）绝缘体内的场强怎么样？体内的场强怎么样？现在将一个长螺线管通电流现在将一个长螺线管通电流I，产生一个均匀磁，产生一个均匀磁场场B0，将磁介质充满磁场（保持电流不变），将磁介质充满磁场（保持电流不变）实验发现：实验发现：各种磁介质中的磁场有的减弱，各种磁介质中的磁场有的减弱，有的加强有的加强0rBB 内内r该磁介质的该磁介质的相对磁导率相对磁导率(1)抗磁质抗磁质r r r 略略1（铝（铝,锰锰,氧等）氧等）(3)铁磁质铁磁质1（铁（铁,钴钴,镍等）镍等）12-1 12-1 磁介质的磁化磁介质的磁化 磁导率磁导
3、率 磁介质放入外磁场磁介质放入外磁场B0中，要产生附加磁场中，要产生附加磁场B，使外磁场发生变化的现象称为使外磁场发生变化的现象称为 磁介质的磁化磁介质的磁化放入磁介质后的总场为：放入磁介质后的总场为：对长直螺线管，真空中管内磁场：对长直螺线管，真空中管内磁场：B0=0 n IBBB0 当管内充满磁介质时，实验测知：当管内充满磁介质时，实验测知：B/B0=r r 反映了磁介质被磁化后对电流磁场的影响程度，反映了磁介质被磁化后对电流磁场的影响程度，是一纯数。是一纯数。r 称为相对磁导率。称为相对磁导率。则总场则总场 B=r B0=r 0 n I=n I 的单位与的单位与 0 的相同，的相同，即即
4、（Wb/A.m）、或）、或（T.m/A）、或（）、或（N/A)=0 r 磁导率磁导率 由磁导率的不同可对磁介质进行分类由磁导率的不同可对磁介质进行分类 一、磁介质及其分类一、磁介质及其分类磁介质置于磁介质置于B B 0 0 中，激发附加中，激发附加 B B BBB01 1、顺磁质、顺磁质:r 1、0、r 1 可见可见 B B0 、B与与 B 同向同向 如：如：锰（锰（Mn）、铬（）、铬（Cr）、）、铂（铂（Pt）、氮（）、氮（N2）等）等00BBBB2 2、抗磁质、抗磁质:r 1、0、r 1 可见可见 B 1、0 可见可见 B B0 、B与与 B 0 不仅同向而且不仅同向而且 B B 0 磁介
5、质置于磁介质置于B B 0 0 中，激发附加中，激发附加 B B BBB0如：如：天然铁磁质：铁（天然铁磁质：铁（Fe）、镍（）、镍（Ni）、钴（）、钴（Co）等）等 人造铁磁质：铁氧体人造铁磁质：铁氧体00BBBB 分子是一个复杂的带电系统。一个分子有一分子是一个复杂的带电系统。一个分子有一个个等效电流等效电流 i，相应有一个，相应有一个分子等效磁矩分子等效磁矩s ipmmp是是电子轨道磁矩电子轨道磁矩、电子自旋磁矩电子自旋磁矩、原子核磁矩原子核磁矩的的总和总和。三、顺磁质和抗磁质磁化的微观机理三、顺磁质和抗磁质磁化的微观机理分子磁矩分子磁矩一、一、顺磁质顺磁质顺磁质的顺磁质的mp0，称为，
6、称为分子固有磁矩分子固有磁矩.一般由于分子的热运动一般由于分子的热运动,mp完全是混乱的完全是混乱的,但是在外磁场中但是在外磁场中mp会发生转向，会发生转向，这就是这就是顺磁质被顺磁质被“磁化磁化”机理机理.外磁场外磁场越强越强，转向排列，转向排列越整齐越整齐.mP0B与的方向相同，的方向相同，无外场时无外场时 无序排列而不显磁性无序排列而不显磁性B0加外场时加外场时 分子固有磁矩在外场中重新取向，产生磁场分子固有磁矩在外场中重新取向，产生磁场 与外磁场与外磁场 同向同向B 0B二、抗磁质二、抗磁质抗磁质的分子固有磁矩抗磁质的分子固有磁矩mp但是在外磁但是在外磁场中会产生场中会产生感应分子磁矩
7、感应分子磁矩。以分子中某个电子的运动为例以分子中某个电子的运动为例,电子的轨道电子的轨道运动角动量运动角动量L与轨道磁矩与轨道磁矩=0.mp如图所示（分子如图所示（分子固有磁矩为零固有磁矩为零,分子中某个电子的轨道磁矩不见分子中某个电子的轨道磁矩不见得为零）得为零）,该磁矩在外磁场中要受力矩该磁矩在外磁场中要受力矩MBpMmdtLdMM的方向即的方向即Ld的方向的方向.所以所以L要进动要进动（俯视为逆时针）（俯视为逆时针）.由于进动附加的角动量由于进动附加的角动量*L是与是与B的方向一的方向一致的致的,而与这一进动相应的磁矩即感应磁矩而与这一进动相应的磁矩即感应磁矩mp 是与是与B反向的反向的
8、.同理，一个抗磁质分子总同理，一个抗磁质分子总的来说，在磁场中会的来说，在磁场中会产生产生一个与外磁场反方向的感一个与外磁场反方向的感应磁矩应磁矩，它相应的分子感，它相应的分子感应电流的方向如图所示，应电流的方向如图所示，这就是它的磁化。这就是它的磁化。虽然顺磁质也会产生感应磁矩虽然顺磁质也会产生感应磁矩,但由于但由于它远小于固有磁矩它远小于固有磁矩,所以它主要是固有磁矩所以它主要是固有磁矩起作用起作用.三、磁化电流三、磁化电流它的分子固有磁矩沿它的分子固有磁矩沿外磁场排列起来，如外磁场排列起来，如图所示。图所示。内部各点处的小分子电流相互抵消（以后严格内部各点处的小分子电流相互抵消（以后严格
9、证明），表面上的小分子电流没有抵消，它们证明），表面上的小分子电流没有抵消，它们方向相同，相当在表面上有一层表面电流流过。方向相同，相当在表面上有一层表面电流流过。这种未被抵消的分子电流称为这种未被抵消的分子电流称为磁化电流磁化电流（或（或束束缚电流缚电流）,记作记作 I，对均匀的磁介质，对均匀的磁介质，顺磁质在磁场中，顺磁质在磁场中，对顺磁质对顺磁质,磁化电流产生的磁场是加强磁化电流产生的磁场是加强磁介质内部原磁场的磁介质内部原磁场的;对抗磁质对抗磁质,磁化电流产磁化电流产生的磁场是削弱磁介质内部原磁场的生的磁场是削弱磁介质内部原磁场的.磁化电流的大小反映了磁化的强弱磁化电流的大小反映了磁化
10、的强弱 真空中的安环定律真空中的安环定律 lIl dB000rBB 0代入上式得代入上式得 磁场中充满均匀磁介质后有磁场中充满均匀磁介质后有12-2 磁介质中的磁场，有介质时的安环定律，磁介质中的磁场，有介质时的安环定律，磁场强度磁场强度lrIl dB00lrIl dB00lIl dB0)(000IIldBl BH 令令 得得其中其中 H 称为称为 磁场强度磁场强度若以若以 I 表示环路内所包围的表示环路内所包围的 磁化电流磁化电流，则，则B的的环流应为环流应为lIl dH0-有介质时的安环定律有介质时的安环定律B0 的环流与的环流与 传导电流传导电流 和和 磁化电流磁化电流 均有关均有关由由
11、B的环流的环流 还可求得还可求得 磁化面电流磁化面电流 H 的环流的环流 只与只与传导电流传导电流有关有关对具有对称性的磁场充以磁介质后，可由对具有对称性的磁场充以磁介质后，可由 H 的环流的环流 lIl dH0lIl dH0)(00IIldBl先求得先求得H值，再由值，再由 求得求得B值值 HHBr0 H、B b a c d解：解：1、求磁介质中的磁场：、求磁介质中的磁场：例例1：无限长螺旋管，单位长度的匝数为：无限长螺旋管，单位长度的匝数为n，导线中，导线中通以电流通以电流I，管内充满相对磁导率为，管内充满相对磁导率为r 1 的均匀磁的均匀磁介质。求管内磁感应强度介质。求管内磁感应强度B和
12、磁介质表面的磁化面和磁介质表面的磁化面电流密度电流密度jLnlIIldH H=n I 即即 B=H=n I=0 r n InlIHlHdll dHl dHl dHl dHl dHabLabbccdda作矩形环路作矩形环路a b c d a 则则H的环流为：的环流为：2、求磁化面电流密度：、求磁化面电流密度：方法一：方法一：即即 LBll dBLl jIl dB)ln(0又由又由 而而)ln(0l jIBl)ln(0jIBnIBr0又nIjr)1(方法二：方法二：传导电流的场传导电流的场 B B0 0=0 0 n In I 磁化电流的场磁化电流的场 B B=0 0 lj lj 有磁介质时的总场有
13、磁介质时的总场 即即 B=BB=B0 0+B+B=0 0 n I+n I+0 0 j j 而而 B=B=r r B B0 0=0 0r r n In I 即即 0 0 r rn I=n I=0 0 n I+n I+0 0 j jBBB 0 j=（r-1）n I 例例2、磁导率为、磁导率为1的无限长圆柱体，半径为的无限长圆柱体，半径为R1，通，通有电流有电流I。在它外面有同轴圆柱面，半径为。在它外面有同轴圆柱面，半径为R2，通以，通以相反的电流相反的电流I。二者之间充满磁导率为。二者之间充满磁导率为2的均匀磁介的均匀磁介质。求以下各处的磁感应强度质。求以下各处的磁感应强度B：（：（1）rR1 （
14、2）R1rR2 1212221112LIRrrRIrHl dH I I R1R2r（4）求）求2的磁化面电流的磁化面电流 IS 解：（解：（1）rR1 以以r为半径作环路为半径作环路L1 有有 2112 RIrH 2111112 RIrHB 2222LIrHl dH rIH 22 rIHB 22222 （2）R1rR2 以以r为半径作环路为半径作环路L3 有有 20233LIIrHl dH 03H03B I I R1R2rIIIS)()(102002 rIrIrIS222020总场总场而而 B2=B0+B ,B=B2 B0rIBs 20 磁化电流的场磁化电流的场rIB 200 在在2 中中:传
15、导电流的场传导电流的场（4）求）求2 的磁化面电流的磁化面电流 IS。在。在 2 的内表面磁化面的内表面磁化面电流为电流为 IS 即即rIB222 300LssIIIIl dB)(B=0在在2 介质外表面上的介质外表面上的磁化面电流为磁化面电流为IS由由IIIISS)()(020021 一、铁磁质的特征一、铁磁质的特征1.1.r r 11，产生特强附加磁场，产生特强附加磁场 B B 2.2.r r 与磁化的过程有关，与磁化的过程有关，r r、不是常数，而是与不是常数，而是与有关有关，B B 与与 H H 有非线性关系有非线性关系3.3.磁滞现象：磁滞现象：B B的变化落后于外磁场的变化落后于外
16、磁场H H的变化。磁的变化。磁化场取消后，仍有化场取消后，仍有 剩磁剩磁 存在。存在。4.4.居里温度：一定的铁磁材料存在一特定的临界温居里温度：一定的铁磁材料存在一特定的临界温度，称为度，称为居里点居里点，当温度在居里点以上时，它们的，当温度在居里点以上时，它们的磁导率和磁场强度磁导率和磁场强度H H无关，这时无关，这时 铁磁质失去磁性而铁磁质失去磁性而转化为顺磁质转化为顺磁质。12-3 12-3 铁磁质铁磁质特点特点：1.1.起始磁化曲线起始磁化曲线 非线性（非线性（H H B B）随随 H H 变化变化实验测量：实验测量：通常把铁磁质试样做成环通常把铁磁质试样做成环状，外面绕上若干线圈状
17、，外面绕上若干线圈nIH 电流计测量电流计测量I I，磁通计测量，磁通计测量B B，得到试样的，得到试样的H HB B曲线。曲线。二、磁化曲线、磁滞回线二、磁化曲线、磁滞回线H HB BO OB BH H饱和磁感应强度饱和磁感应强度Bm起始磁导率起始磁导率起始磁化曲线起始磁化曲线最大磁导率最大磁导率m r rH HI外磁场撤去后外磁场撤去后,仍能保留部仍能保留部分磁性存在，这种现象称分磁性存在，这种现象称为为 剩磁现象剩磁现象。初始磁化、。初始磁化、消磁、反向磁化过程构成消磁、反向磁化过程构成一图所一图所铁磁质的示的闭合曲线，铁磁质的示的闭合曲线，称为磁滞回线称为磁滞回线 。由闭合曲线看到，由
18、闭合曲线看到，B B的变化的变化总是落后于总是落后于H H的变化。这种的变化。这种现象称为现象称为 磁滞现象磁滞现象。2.2.磁滞回线及磁滞现象磁滞回线及磁滞现象HBHtobcdefgobcdefgjjH cH mBraiH c Bm：饱和磁感应强度：饱和磁感应强度 Br：剩磁：剩磁 （H=0）Hc：矫顽力：矫顽力 （B=0）bc段称为退磁曲线段称为退磁曲线 反复磁化时能量的损失反复磁化时能量的损失叫叫 磁滞损耗磁滞损耗。磁滞回线面磁滞回线面积大小表示磁滞损耗的大积大小表示磁滞损耗的大小。小。Bm Br-Hc Habf0c e d 磁滞回线磁滞回线BHCb b）硬磁材料）硬磁材料H HB Ba
19、 a）软磁材料）软磁材料H HB Bc c）矩磁铁氧体材料）矩磁铁氧体材料H HB B 三、三、铁磁质的分类铁磁质的分类 不同铁磁性物质的磁滞回线有很大差异。图示三不同铁磁性物质的磁滞回线有很大差异。图示三种铁磁材料的磁滞回线。种铁磁材料的磁滞回线。1、软磁质、软磁质：矫顽力矫顽力Hc小，回线细窄，小，回线细窄，损耗小。容易磁化也容易退磁。损耗小。容易磁化也容易退磁。如：软铁、硅钢、玻莫合如：软铁、硅钢、玻莫合金等。金等。适用于交变磁场。各种电适用于交变磁场。各种电感元件、变压器、镇流器、电感元件、变压器、镇流器、电机、继电器、电磁铁的铁心。机、继电器、电磁铁的铁心。a a）软磁材料）软磁材料
20、H HB BHc 1（A/m）2、硬磁质：、硬磁质：矫顽力矫顽力Hc大，回线粗大，回线粗，剩磁大，剩磁大 ，不易退磁。，不易退磁。如：碳钢和特种钢如：碳钢和特种钢 适用于作永磁体。各适用于作永磁体。各种电表表头、扬声器、拾种电表表头、扬声器、拾音器、耳机、电话机、录音器、耳机、电话机、录音机等。音机等。Hc 104-106（A/m）b b）硬磁材料）硬磁材料H HB B 标志硬磁质材料性能标志硬磁质材料性能好坏的指标是好坏的指标是Br 和和 Hc，在在 Br 和和 Hc 已知时，退磁曲已知时，退磁曲线越接近矩形，最大磁能线越接近矩形，最大磁能积（积（BH）m 就越大就越大,越不越不易退磁。易退
21、磁。c c）矩磁铁氧体材料）矩磁铁氧体材料（看书看书195页页 表表12-2几种硬磁材料性能）几种硬磁材料性能）H HB B(BH)m四、铁磁质的微观结构、磁畴四、铁磁质的微观结构、磁畴 铁磁质的磁性主要来源于电子的自旋磁矩，铁磁质的磁性主要来源于电子的自旋磁矩，按照量子力学理论，电子的自旋沿平行方向排列时按照量子力学理论，电子的自旋沿平行方向排列时能量较低。因此，铁磁质的自旋磁矩可在小范围内能量较低。因此，铁磁质的自旋磁矩可在小范围内平行排列，从而在铁磁质的内部形成了一些自发磁平行排列，从而在铁磁质的内部形成了一些自发磁化的小区域化的小区域磁畴磁畴.每一磁畴中每一磁畴中,各原子的排列很整齐各
22、原子的排列很整齐,因此具因此具有很强的磁性有很强的磁性.但不同的磁畴排列方向彼此不同但不同的磁畴排列方向彼此不同,所以所以 没有外磁场没有外磁场 时时,各磁畴磁矩相互抵消各磁畴磁矩相互抵消,对对外不显磁性外不显磁性.加上外磁场加上外磁场 :各磁畴磁矩取向趋于一致各磁畴磁矩取向趋于一致,且且与外磁场方向相同与外磁场方向相同,所以在不强的外磁场下所以在不强的外磁场下,铁磁铁磁质会表现出很强的磁性质会表现出很强的磁性.通常铁磁质产生的附加通常铁磁质产生的附加磁场要比外磁场要大好几个数量级。磁场要比外磁场要大好几个数量级。显出宏观磁性的过程称为技术磁化显出宏观磁性的过程称为技术磁化技术磁化过程技术磁化
23、过程：无外场时无外场时H加外场加外场HH（1）壁移：壁移：磁矩方向与外场磁矩方向与外场接近的磁畴的边界扩大。接近的磁畴的边界扩大。这一过程是突然进行的。这一过程是突然进行的。（2）转向：转向：磁矩转向外场方磁矩转向外场方向。向。磁畴转向时要受到摩擦阻磁畴转向时要受到摩擦阻力的作用。力的作用。（3）饱和：饱和：所有磁畴都转向所有磁畴都转向外场方向外场方向 存在居里点原因存在居里点原因:高温时，高温时，铁磁质中的自发磁铁磁质中的自发磁化区域磁畴受到剧烈的分子热运动的破坏，磁畴被化区域磁畴受到剧烈的分子热运动的破坏，磁畴被瓦解瓦解,铁磁质的特性消失铁磁质的特性消失,过渡到顺磁质过渡到顺磁质.不同的铁
24、磁不同的铁磁质居里温度亦不同质居里温度亦不同.碰撞也会改变磁畴的有序排列，因此，永磁体碰撞也会改变磁畴的有序排列，因此，永磁体切忌摔、砸，以防退磁。切忌摔、砸，以防退磁。铁磁质的磁滞及剩磁原因铁磁质的磁滞及剩磁原因:用于磁畴的转向需用于磁畴的转向需要克服阻力（来自磁畴间的摩擦），因此当外磁场要克服阻力（来自磁畴间的摩擦），因此当外磁场减弱或消失时磁畴并不按原来的变化规律退回原状减弱或消失时磁畴并不按原来的变化规律退回原状，因而表现，因而表现 磁滞现象磁滞现象 。当外磁场停止作用后，磁。当外磁场停止作用后，磁畴的某种排列被保留下来，使得铁磁质仍能保留磁畴的某种排列被保留下来，使得铁磁质仍能保留磁
25、性。性。铁磁质在磁化时，磁畴中磁化方向的改变会引铁磁质在磁化时，磁畴中磁化方向的改变会引起介质晶格间距的改变，从而长度和体积会发生变起介质晶格间距的改变，从而长度和体积会发生变化，这种现象称为化，这种现象称为 磁致伸缩磁致伸缩。铁磁质的实际应用铁磁质的实际应用 磁记录磁记录 把铁磁质材料制成粉状，用粘结剂涂敷在特制的带、圆柱、把铁磁质材料制成粉状，用粘结剂涂敷在特制的带、圆柱、或圆盘的表面，称为磁带、磁鼓和磁盘。或圆盘的表面，称为磁带、磁鼓和磁盘。S N S N S N S N S N S N S N信号电流信号电流磁头磁头磁带磁带磁录音（像）原理磁录音（像）原理 磁录音（像）原理：磁录音（像
26、）原理：当声音或图象转化为电信号时，信当声音或图象转化为电信号时，信号电流的变化，使得磁头磁铁中的磁号电流的变化，使得磁头磁铁中的磁场随之变化，录音时使磁带从磁头间场随之变化，录音时使磁带从磁头间隙走过，间隙中的变化磁场将使磁带隙走过，间隙中的变化磁场将使磁带上磁粉的磁化状态发生同步变化而被上磁粉的磁化状态发生同步变化而被记录下来。记录下来。让录好音（像）的磁带通过磁头间让录好音（像）的磁带通过磁头间隙，此时磁带上磁粉的剩磁的强弱变隙，此时磁带上磁粉的剩磁的强弱变化将引起磁头铁芯内磁通的变化，从化将引起磁头铁芯内磁通的变化，从而在线圈内产生同步的感应电流，再而在线圈内产生同步的感应电流，再回复
27、声音或图象。显然放音和录音时回复声音或图象。显然放音和录音时磁带的移动速度应相同。磁带的移动速度应相同。放音（像）原理：放音（像）原理：消音：消音：在磁带通过磁头时，在磁头线圈内通以等幅振荡电在磁带通过磁头时，在磁头线圈内通以等幅振荡电流即可。流即可。磁头铁芯要选用软磁材料，它要求具有很少的剩磁和大的磁头铁芯要选用软磁材料，它要求具有很少的剩磁和大的磁导率。由于磁化曲线在弱磁场范围内有弯曲，会引起记录磁导率。由于磁化曲线在弱磁场范围内有弯曲，会引起记录失真，因此，在输入录音信号的同时输入一个等幅振荡电流，失真，因此，在输入录音信号的同时输入一个等幅振荡电流，称为偏磁电流（其频率比信号的最高频率
28、大称为偏磁电流（其频率比信号的最高频率大5-10倍）。使磁倍）。使磁记录的信号在磁化曲线的直线部分发生变化。记录的信号在磁化曲线的直线部分发生变化。磁头间隙宽度：磁头间隙宽度：录音用一般在录音用一般在 110 m。录放兼用一般在录放兼用一般在 35 m。录音机的带速：录音机的带速：19 cm/s 用于音乐用于音乐 9.5cm/s 用于背景音乐和语言。用于背景音乐和语言。4.8 cm/s 主要用于长时间的讲话。主要用于长时间的讲话。磁记录除记录音、像这种模拟记录外，还有数字记录，常磁记录除记录音、像这种模拟记录外，还有数字记录，常用于计算机的数据存储中。用于计算机的数据存储中。小结：小结：1 1、顺磁质、顺磁质:r 1、0、r 1，B B0 、B与与 B 同向同向2 2、抗磁质、抗磁质:r 1、0、r 1，B 1、0 ，B B0 、B与与 B 0 不仅同向而且不仅同向而且 B B 0 H HB BO O，虚线HB0000lIldB00lIldH BH HHBr0
