1、1一、磁介质的分类一、磁介质的分类 物质受到磁场的作用产生磁性的现象叫磁化。物质受到磁场的作用产生磁性的现象叫磁化。/0BBB B0 B0+B/1 1、物质的磁化、物质的磁化 设物质在磁场设物质在磁场B0作用下产生磁场作用下产生磁场B/，则空间，则空间总磁场总磁场 2相对磁导率相对磁导率 0BBr0r为磁介质的磁导率为磁介质的磁导率 BBBIEEEq00介介质质中中总总场场产产生生磁磁化化电电流流磁磁介介质质介介质质中中总总场场产产生生极极化化电电荷荷电电介介质质磁磁化化后后极极化化后后与电介质的类比与电介质的类比 所不同的是所不同的是E总是与总是与E0反向，而反向，而B则有可能与则有可能与B
2、0 0 反向，也反向，也可能与可能与B0同向，且不同的介质其同向，且不同的介质其B的大小差异很大。根据的大小差异很大。根据B B的方向及大小将磁介质分类为：的方向及大小将磁介质分类为：介质中，总的磁感应强度与真空中的磁感应强度之比，定义介质中，总的磁感应强度与真空中的磁感应强度之比，定义为该磁介质的相对磁导率为该磁介质的相对磁导率 32 2、三类磁介质、三类磁介质 顺磁质顺磁质-均匀磁介质中均匀磁介质中B与与B0同方向、则同方向、则B B0 ，相对磁导率，相对磁导率 1BB00r如锰、镉、铝等。如锰、镉、铝等。抗磁质抗磁质-均匀磁介质中均匀磁介质中B/与与B0反方向、则反方向、则B B0 0，
3、r很大且不是常数、具有所谓很大且不是常数、具有所谓“磁滞磁滞”现象现象 的一类磁介质。如铁、钴、镍及其合金等。的一类磁介质。如铁、钴、镍及其合金等。但在上述两类磁介质中但在上述两类磁介质中B 附加磁矩附加磁矩 P Pm m（相差两到五个数（相差两到五个数量级）量级）,Pm可以忽略不计可以忽略不计,所以所以,此时的磁化主要是外磁场此时的磁化主要是外磁场B0使使Pm转向效应。转向效应。.92BPmBPMmmax0BPm/M0 稳定平衡稳定平衡 BPm/M0 非稳定平衡非稳定平衡 磁感应强度的大小磁感应强度的大小mpMBmax磁场方向：磁场方向：使线圈磁使线圈磁矩处于矩处于稳稳定平衡定平衡位置位置时
4、的磁矩的方向时的磁矩的方向B+PmFFB+PmFF10mpmp0B0B11三、磁化强度和磁化电流三、磁化强度和磁化电流 对于顺磁质，我们将磁介质内某点处单位体积内分子磁矩的对于顺磁质，我们将磁介质内某点处单位体积内分子磁矩的矢量和，定义为该点的磁化强度，即矢量和，定义为该点的磁化强度，即 VPMm顺磁质的顺磁质的M的方向与外磁场的方向与外磁场B0的方向的方向一致。一致。对于抗磁质，磁化的主要原因是抗磁质分子在外磁场中所产生对于抗磁质，磁化的主要原因是抗磁质分子在外磁场中所产生的附加磁矩的附加磁矩Pm，Pm与与B0的方向相反，大小与的方向相反，大小与B0成正比。成正比。抗磁抗磁质的磁化强度为质的
5、磁化强度为VPMm介质磁化后介质磁化后 在介质表面有磁化电流在介质表面有磁化电流I I（又称束缚电流）（又称束缚电流）单位体积元内的分子磁矩之矢量和不为零。单位体积元内的分子磁矩之矢量和不为零。磁化强度：磁化强度：描述磁介质的磁化程度。描述磁介质的磁化程度。12 证明如下：证明如下：设磁介质横截面积设磁介质横截面积s、长度、长度l，介质表面单位长度，介质表面单位长度圆形磁化电流圆形磁化电流Js。则在长度。则在长度l上圆形磁化电流圆形磁化电流Is=Jsl，因此在磁介因此在磁介质总体积质总体积sl上磁化电流的总磁矩为上磁化电流的总磁矩为 isls 利用充满顺磁质的长直载流螺线管可以证明，其顺磁质表
6、面利用充满顺磁质的长直载流螺线管可以证明，其顺磁质表面单位长度圆形磁化电流（即磁化电流密度）单位长度圆形磁化电流（即磁化电流密度）Js=M,M为顺磁质内为顺磁质内磁化强度大小。磁化强度大小。1 1、磁化电流的产生、磁化电流的产生（以顺磁质的磁化为例）（以顺磁质的磁化为例）2 2、磁化电流与磁化强度的关系、磁化电流与磁化强度的关系四、磁介质中的安培环路定理四、磁介质中的安培环路定理13按定义按定义 ssmJlsSlJVPM0nMJs写成矢量式，有写成矢量式，有式中式中n0为介质表面法线方向单位矢。为介质表面法线方向单位矢。slJsIPssm即即SJM 14 issM3 3、磁化强度的环流、磁化强
7、度的环流sIabJabMldM 由于充满顺磁质的长直螺线管内的磁场为均匀场，取如由于充满顺磁质的长直螺线管内的磁场为均匀场，取如上图的矩形回路上图的矩形回路abcd，由安培环路定律，有，由安培环路定律，有cl dabdsIl dM即即15sIdlMl dMIl dBL00lldMs0I)B(MBH0令令 为磁介质的磁场强度为磁介质的磁场强度 单位：单位：A/m)(0sLIIl dB对任意闭合回路进行对任意闭合回路进行B的积分的积分4 4、磁介质中的安培环路定理、磁介质中的安培环路定理16 即：即：H沿任一闭合回路的环流等于穿过该回路所围面积的传沿任一闭合回路的环流等于穿过该回路所围面积的传导电
8、流之代数和导电流之代数和上式即为有磁介质时的安培环路定理上式即为有磁介质时的安培环路定理得得LsIl dHs是回路是回路l 围出的面积，围出的面积，I 是穿过是穿过s的传导电流的代数和的传导电流的代数和。17五、五、B与与H的关系的关系 实验表明，在均匀各向同性的弱磁介质中，有实验表明，在均匀各向同性的弱磁介质中，有HMm其中其中m称为磁介质的磁化率，只与磁介质的性质有关。称为磁介质的磁化率，只与磁介质的性质有关。)1(m00BBr称为磁介质的相对磁导率；称为磁介质的相对磁导率；即在弱磁介质中，有即在弱磁介质中，有HHBr0MBH0上式代入上式代入 HBHHH)(Brm00001整理得整理得为
9、磁介质的磁导率为磁介质的磁导率18 利用利用 可以方便地求有磁介质时某些对称的可以方便地求有磁介质时某些对称的磁场分布。磁场分布。SlIl dH0、选择一个合适的积分回路或者使某一段积分线上、选择一个合适的积分回路或者使某一段积分线上H为常数，为常数，或使某一段积分线路上或使某一段积分线路上H处处与处处与dl 垂直垂直3 3、先由、先由求求H ，再由，再由 求求BslIldH0HBr0其基本步骤如下：其基本步骤如下：、首先要分析磁场分布的对称性或均匀性。、首先要分析磁场分布的对称性或均匀性。在铁磁质中，则为在铁磁质中，则为MHB019、密绕长直螺线管内充满介质的磁感应强度、密绕长直螺线管内充满
10、介质的磁感应强度：nIBr0nIH、环形螺线管内部充满介质的磁感应强度：、环形螺线管内部充满介质的磁感应强度：rNIBr20rNIH2、无限长的载流圆柱体外充满介质的磁场：、无限长的载流圆柱体外充满介质的磁场：内部为内部为22 RIrH202RIrBrIBr20rIH2外部为外部为20 铁磁质具有高磁导率、非线性（铁磁质具有高磁导率、非线性（不是常数）；存在不是常数）；存在“磁滞磁滞现象现象”；存在居里温度等三个显著特征。；存在居里温度等三个显著特征。2 2、在外场撤除后有剩磁：、在外场撤除后有剩磁：六、铁磁质六、铁磁质、居里温度：、居里温度：对应于每一种铁磁物质都有一个临界温度（居里点），超
11、过对应于每一种铁磁物质都有一个临界温度（居里点），超过这个温度，铁磁物质就变成了顺磁物质。如铁的居里温度为这个温度，铁磁物质就变成了顺磁物质。如铁的居里温度为1034K1 1、r11（即（即BB0 0）且）且r不是常数：不是常数：而是而是H（亦即电流（亦即电流I）的函数，即）的函数，即r=H)=H(I)。因此，。因此，这时这时B与与H间无简单的线性关系也就是说，此时间无简单的线性关系也就是说，此时B 0 H不成立，不成立，而只有成立。而只有成立。)(0MHB211 1、磁化特性曲线：、磁化特性曲线：ABGk1 1）研究铁磁质特性的实验：）研究铁磁质特性的实验：NSRqBnIH,H是电流为是电流
12、为I 时，铁心时，铁心中的磁场强度；中的磁场强度；B是电流为电流为I 时，铁心中的磁感应强度；时，铁心中的磁感应强度；q是电流从是电流从0到到I时、通过电流计时、通过电流计G的电量；的电量；R是副线圈的电阻；是副线圈的电阻；N是副线圈的总匝数；是副线圈的总匝数；S为环形铁心的横截面积为环形铁心的横截面积 原理原理-铁心中铁心中装置装置-原线圈原线圈A（待测铁磁质（待测铁磁质做铁心做铁心 ）副线圈副线圈B。222 2）起始磁化特性曲线：）起始磁化特性曲线：即，即，B与与H不成线性关系，即铁磁质的磁导率不成线性关系，即铁磁质的磁导率不再是常数、不再是常数、而是与而是与H有关有关 在在B-H曲线（磁
13、化规律）中曲线（磁化规律）中 Om段段-B随随H增长增长较慢；较慢；mn段段-B随随H 迅速增长；迅速增长；na段段-B随随H增长变慢；增长变慢；当当H=s以后，以后，B不随不随H 增长，磁化达增长，磁化达到饱和。到饱和。0BHsHanmmB23不同磁介质的磁化曲线比较不同磁介质的磁化曲线比较45抗磁介质抗磁介质铁磁介质铁磁介质顺磁介质顺磁介质B)(00BHo242 2、磁滞回线：、磁滞回线：B 不是不是H 的的单值函数，与以前的单值函数，与以前的磁化磁化“历史历史”有关；有关；sHcHcHHBab/brBrB0（1 1）剩磁）剩磁Br：起始磁化曲线起始磁化曲线Oa不可逆，当改不可逆，当改变变
14、H的方向和大小时、可得的方向和大小时、可得B-H曲线如图，叫曲线如图，叫磁滞回线磁滞回线。从曲。从曲线可知：线可知：磁化曲线下降时的磁化曲线下降时的B值比起始磁化曲线中同一值比起始磁化曲线中同一H 所对应的所对应的B 值为高，当值为高，当H 减少到零时，减少到零时，B不为零，而出现一个剩磁不为零，而出现一个剩磁 Br25（4 4）磁滞损耗：磁滞损耗：可以证明可以证明 ：B-H 曲线所围的面积等于反复磁化的一个周期曲线所围的面积等于反复磁化的一个周期中单位体积的磁介质中损耗的能量。中单位体积的磁介质中损耗的能量。（3 3）磁滞回线：）磁滞回线：如果继续加大反向磁场，将其反向磁化，如果继续加大反向
15、磁场，将其反向磁化，并达到反向饱和，若这时逐渐撤除反向外场并达到反向饱和，若这时逐渐撤除反向外场,其同样出现反向其同样出现反向剩磁，要去掉反向剩磁则必须加上正向矫顽力；再正向磁化，剩磁，要去掉反向剩磁则必须加上正向矫顽力；再正向磁化，其又可达正向饱和，这样就组成了一个封闭曲线，这个封闭曲其又可达正向饱和，这样就组成了一个封闭曲线，这个封闭曲线就叫磁滞回线。线就叫磁滞回线。改变改变H时、磁介质反复磁化，分子振动加剧、温度升高，产时、磁介质反复磁化，分子振动加剧、温度升高，产生生H的电流提供的热损耗称为磁滞损耗。的电流提供的热损耗称为磁滞损耗。（2 2）矫顽力）矫顽力HC要使磁铁完全去磁，必须加上
16、反向外场，要使磁铁完全去磁，必须加上反向外场，只有反向外场只有反向外场HC C到某一值才能完全去磁，到某一值才能完全去磁，为去掉剩磁而加上的反向磁场为去掉剩磁而加上的反向磁场HC 就称为矫顽力。就称为矫顽力。sHcHcHHBab/brBrB0263 3、磁畴、磁畴-铁磁质的磁化理论铁磁质的磁化理论 磁畴的几何线度从微米至毫米、体积约磁畴的几何线度从微米至毫米、体积约10-12m3 ，包含，包含10171021个原子。无外磁场时、磁畴的磁矩排列杂乱无章，铁磁个原子。无外磁场时、磁畴的磁矩排列杂乱无章，铁磁质宏观不显磁性。质宏观不显磁性。1 1）磁畴）磁畴即即铁磁质中铁磁质中原子磁矩自发高度有序排
17、列的磁饱和小区。原子磁矩自发高度有序排列的磁饱和小区。量子理论指出：铁磁质中相邻原子由于电子轨道的交叠而产量子理论指出：铁磁质中相邻原子由于电子轨道的交叠而产生一种生一种“交换耦合效应交换耦合效应”使使原子磁矩能自发地有序排列，原子磁矩能自发地有序排列，于是于是形成坚固的平行排列的大小不等的形成坚固的平行排列的大小不等的自发饱和磁化区。自发饱和磁化区。272 2）铁磁质磁化解释）铁磁质磁化解释：mn段对应磁畴界壁快速跳跃移动、使一些缩小的磁畴消失，段对应磁畴界壁快速跳跃移动、使一些缩小的磁畴消失，这是不可逆过程、引起了磁滞；这是不可逆过程、引起了磁滞；na段对应留存的磁畴转向外磁场方向、直到饱
18、和。段对应留存的磁畴转向外磁场方向、直到饱和。在起始磁化特性曲线中，在起始磁化特性曲线中，Om段对应自发磁化区磁矩方段对应自发磁化区磁矩方向与外磁场方向相近的磁畴的扩大、自发磁化区磁矩方向与向与外磁场方向相近的磁畴的扩大、自发磁化区磁矩方向与外磁场方向相反的磁畴的缩小；外磁场方向相反的磁畴的缩小；磁饱和：磁饱和：加上外场后，铁磁质中总是有些磁畴内分子固有磁矩的取加上外场后，铁磁质中总是有些磁畴内分子固有磁矩的取向与外场相同或相近。这些自发磁化方向与外场相同的磁畴向与外场相同或相近。这些自发磁化方向与外场相同的磁畴的边界在外场的作用下将不断地蚕食扩大，而那些自发磁化的边界在外场的作用下将不断地蚕
19、食扩大，而那些自发磁化方向与外磁方向不同的磁畴的边界就逐步缩小，故开始时磁方向与外磁方向不同的磁畴的边界就逐步缩小，故开始时磁化增长较慢，而后增长很快，直到所有磁畴被外场化增长较慢，而后增长很快，直到所有磁畴被外场“同化同化”而达磁饱和。而达磁饱和。sHcHcHHBab/brBrB0 28居里点：居里点：30%的坡莫合金居里温度的坡莫合金居里温度 tc=70C；利用铁磁质具有居里温度的特点，可将其制作温控元件，利用铁磁质具有居里温度的特点，可将其制作温控元件，如电饭锅自动控温。如电饭锅自动控温。剩磁：剩磁：原因是在高温下磁畴瓦解了。原因是在高温下磁畴瓦解了。如铁、钴、镍的居里点分别为如铁、钴、
20、镍的居里点分别为770、1115、358。在退磁时，由于磁畴边界的移动是不可逆的，因此，磁化在退磁时，由于磁畴边界的移动是不可逆的，因此，磁化过程和退磁过程也是不可逆的。即在去掉外场后，磁畴在磁过程和退磁过程也是不可逆的。即在去掉外场后，磁畴在磁化过程中的某种排列可能被保留下来，这就是剩磁现象化过程中的某种排列可能被保留下来，这就是剩磁现象振动和加热可以促进退磁也能证实这一点。振动和加热可以促进退磁也能证实这一点。磁介质达到某一温度时，铁磁性消失、介质显顺磁性磁介质达到某一温度时，铁磁性消失、介质显顺磁性,这这一温度称为居里点。当温度低于一温度称为居里点。当温度低于 tc 时，又由顺磁质转变为
21、铁时，又由顺磁质转变为铁磁质。磁质。294 4、铁磁质的分类及应用、铁磁质的分类及应用1 1）硬磁质）硬磁质 磁滞回线较粗，剩磁很大，这种材磁滞回线较粗，剩磁很大，这种材料充磁后不易退磁，适合做永久磁铁。料充磁后不易退磁，适合做永久磁铁。BHo如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。可用在磁电式电表、永磁扬声器、耳机以及雷达中的磁控等。可用在磁电式电表、永磁扬声器、耳机以及雷达中的磁控等。2 2）软磁质）软磁质磁滞回线细长，剩磁很小。磁滞回线细长，剩磁很小。BHo象软铁、坡莫合金、硒钢片、铁铝合金、象软铁、坡莫合金、硒钢片、铁铝合金、铁镍合金等。铁镍合金等。由于软磁材料磁滞损耗
22、小，适合用在交由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如变压器铁芯、继电器、电变磁场中，如变压器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软件磁性材料制动机转子、定子都是用软件磁性材料制成成303 3）非金属氧化物）非金属氧化物-铁氧体铁氧体 磁滞回线呈矩形，又称矩磁材料，磁滞回线呈矩形，又称矩磁材料，剩磁接近于磁饱和磁感应强度，具剩磁接近于磁饱和磁感应强度，具有高磁导率、高电阻率。有高磁导率、高电阻率。它是由它是由Fe2O3和其他二价的金属和其他二价的金属氧化物（如氧化物（如NiO，ZnO等粉末混合等粉末混合烧结而成烧结而成。可作磁性记忆元件。可作磁性记忆元件。BHo311.加热法加热法 当铁
23、磁质的温度升高到某一温度时，磁性消失，由铁磁当铁磁质的温度升高到某一温度时，磁性消失，由铁磁质变为顺磁质，该温度为居里温度质变为顺磁质，该温度为居里温度 tc。当温度低于。当温度低于 tc 时，时，又由顺磁质转变为铁磁质。又由顺磁质转变为铁磁质。原因：由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧，提原因：由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧，提供了磁畴转向的能量，使铁磁质失去磁性。供了磁畴转向的能量，使铁磁质失去磁性。2.2.敲击法敲击法 通过振动可提供磁畴转向的能量，使介质失去磁性。如敲通过振动可提供磁畴转向的能量，使介质失去磁性。如敲击永久磁铁会使磁铁磁性减小。击永久磁铁会使磁铁磁性减小。
24、3.加反向磁场加反向磁场 加反向磁场，提供一个矫顽力加反向磁场，提供一个矫顽力Hc,使铁磁质退磁。使铁磁质退磁。324.加交变衰减的磁场加交变衰减的磁场BHoctHo 使介质中的磁场逐渐衰减为使介质中的磁场逐渐衰减为 0，应用在录音机中的交流抹，应用在录音机中的交流抹音磁头中。音磁头中。33例例13131 1螺绕环中心周长螺绕环中心周长L10cm,环上均匀密绕线圈环上均匀密绕线圈N200匝，线圈中通有电流匝，线圈中通有电流I0.1A,管内充满相对磁导率管内充满相对磁导率r1.2的磁介的磁介质。求管内磁场强度和磁感应强度的大小质。求管内磁场强度和磁感应强度的大小 解解 LsIl dHINrH2lNIrNIH2HBr0lNIr0r0HBT77106.91.01.02002.1104作业；作业；13-113-213-413-8
