1、第9章 磁场中的磁介质上一章研究了真空中稳恒电流或运动电上一章研究了真空中稳恒电流或运动电荷所产生磁场的性质和规律荷所产生磁场的性质和规律,其结论只适用于其结论只适用于空间无磁介质的真空或空气情形空间无磁介质的真空或空气情形.如果存在磁介质如果存在磁介质,磁场的分布规律以及磁场的分布规律以及处于磁场中的介质会发生什么样的变化？处于磁场中的介质会发生什么样的变化？本章介绍存在磁介质时稳恒磁场的性质本章介绍存在磁介质时稳恒磁场的性质与规律与规律,以及磁场变化的微观机制以及磁场变化的微观机制,并讨论磁并讨论磁场中磁介质的变化场中磁介质的变化磁化规律磁化规律.介质的磁化介质的磁化介质的磁化特性介质的磁
2、化特性抗磁质抗磁质、顺磁质和铁磁质顺磁质和铁磁质9.1 磁介质的磁化当介质处于磁场中时当介质处于磁场中时,磁场会对介质中的电磁场会对介质中的电荷产生作用荷产生作用,使其电结构发生变化使其电结构发生变化,从而对外显从而对外显示磁性示磁性磁化现象磁化现象;同时介质的磁化反过来又会同时介质的磁化反过来又会影响磁场的分布影响磁场的分布.磁介质的磁化与磁化强度矢量磁介质的磁化与磁化强度矢量磁介质内的磁感应强度磁介质内的磁感应强度有磁介质时的安培环路定律和高斯定律有磁介质时的安培环路定律和高斯定律1.磁介质的磁化磁介质的磁化(1)磁化现象磁化现象:磁介质在磁场中呈现磁性的现象磁介质在磁场中呈现磁性的现象.
3、分子环流模型分子环流模型:磁介质由大量磁性分子所组成磁介质由大量磁性分子所组成,每一磁性分子构成一环形电流每一磁性分子构成一环形电流分子磁偶极子分子磁偶极子.加载磁场后加载磁场后,分子环流趋向外磁分子环流趋向外磁场方向场方向.(2)磁化的微观机制磁化的微观机制未加载磁场时未加载磁场时,各个分子磁矩取向杂各个分子磁矩取向杂乱无章乱无章,因此磁介质宏观上不显磁性因此磁介质宏观上不显磁性.0B(3)磁化的宏观效果磁化的宏观效果 介质磁化后介质磁化后,在其表面出现的环形电流在其表面出现的环形电流(束束缚电流缚电流)会影响原来磁场的分布会影响原来磁场的分布.介质表面的束缚电流介质表面的束缚电流 与传导电
4、流不同与传导电流不同,它不它不是由载流子的宏观移动形成的是由载流子的宏观移动形成的,而是分子磁矩定而是分子磁矩定向排列的结果向排列的结果.I 0B I0BI0BNS 束缚电流产生的磁场会改变原来磁场的空间束缚电流产生的磁场会改变原来磁场的空间分布分布.束缚电流束缚电流 的出现使介质对外呈现磁性的出现使介质对外呈现磁性,其磁其磁性的强弱与介质的磁化程度有关性的强弱与介质的磁化程度有关.2.磁化强度矢量磁化强度矢量VmMV分子0lim 为定量描述介质的磁化状态和磁化程度为定量描述介质的磁化状态和磁化程度,需需引入引入磁化强度矢量磁化强度矢量:磁化强度矢量磁化强度矢量:指单位体积内所有分子指单位体积
5、内所有分子磁偶极矩磁偶极矩的矢量和的矢量和,且仅与且仅与束缚电流束缚电流有关有关.I 在磁介质内部在磁介质内部,磁化强度矢量磁化强度矢量沿任一闭合回沿任一闭合回路路 l 的曲线积分的曲线积分,数值上等于穿过该回路包围面积数值上等于穿过该回路包围面积的束缚电流代数和的束缚电流代数和.在外加磁场作用下在外加磁场作用下,分子磁矩定向排列的程分子磁矩定向排列的程度越高度越高,其其磁化强度矢量磁化强度矢量越大越大.磁化强度矢量磁化强度矢量反映反映了介质磁化的程度了介质磁化的程度.磁化强度矢量磁化强度矢量 与与束缚电流束缚电流 有关有关MIlinM dlIntjMeM sintjMM 磁化强度矢量磁化强度
6、矢量与与束缚电流面密度束缚电流面密度的关系的关系MnejtM 在磁介质表面在磁介质表面,束缚电流面密度束缚电流面密度 等于等于磁化磁化强度矢量强度矢量在表面切线方向的分量在表面切线方向的分量 .jtM0BBB3.磁介质内的磁感应强度磁介质内的磁感应强度由于介质磁化由于介质磁化,在外加磁场基础上迭加上束在外加磁场基础上迭加上束缚电流产生的缚电流产生的附加磁场附加磁场.:介质中的总磁感应强度矢量介质中的总磁感应强度矢量 :外加磁场的磁感应强度矢量外加磁场的磁感应强度矢量 :磁介质表面束缚电流产生的磁感应强度矢量磁介质表面束缚电流产生的磁感应强度矢量B0BB 的大小取决于的大小取决于磁化强度矢量磁化
7、强度矢量 .与与 可以是同向的可以是同向的顺磁质顺磁质,也可以是反向的也可以是反向的抗磁质抗磁质.MBB0B4.有磁介质存在时的有磁介质存在时的安培环路定理安培环路定理和和高斯定理高斯定理有磁介质存在时有磁介质存在时,安培环路定理为安培环路定理为利用利用磁化强度矢量磁化强度矢量与与束缚电流束缚电流的关系的关系in lM dlI(1)安培环路定理安培环路定理其中其中,为传导电流为传导电流,为束缚电流为束缚电流.在具体应用时在具体应用时,束缚电流很难直接求出束缚电流很难直接求出.如何避开束缚电流求磁感应强度？如何避开束缚电流求磁感应强度？I0I000()lB dlIII0HBM称为称为磁场强度磁场
8、强度若令若令则则0lH dlI存在磁介质时的安培环路定理存在磁介质时的安培环路定理:磁场强度矢量磁场强度矢量的的环量等于闭合回路所包围环量等于闭合回路所包围传导电流传导电流的代数和的代数和.对于均匀磁化对于均匀磁化000 BHMBB001illiB dlM dlI000iiliiB dlII00()iliBMdlI有有均匀磁介质的磁化规律均匀磁介质的磁化规律mMH 为为磁化率磁化率,它反映了介质的磁化特性它反映了介质的磁化特性.多数磁介质的多数磁介质的 很小很小,这与物质的微观结构有关这与物质的微观结构有关.Fe、Co、Ni等金属的等金属的 很大很大,且与且与 成复杂的函数成复杂的函数关系关系
9、.mHmm)(0MHB由由可得可得HHHBmm)1()(00若令若令 称为介质的称为介质的磁导率磁导率 称为介质的称为介质的相对磁导率相对磁导率(1)rm00(1)mr 0lH dlIBHHB 安培环路定理BH则有则有注意注意:磁介质中的安培环路定理给出了有介质存磁介质中的安培环路定理给出了有介质存在时在时,传导电流和磁场强度矢量之间的普遍规律传导电流和磁场强度矢量之间的普遍规律.其中其中 可测量获得可测量获得 (2)高斯定理高斯定理 磁场中的高斯定理对导线中传导的磁场中的高斯定理对导线中传导的稳恒电稳恒电流流以及磁介质中的以及磁介质中的束缚电流束缚电流都是适用的都是适用的.0SB dS :表
10、示有介质存在时的磁感应强度矢量表示有介质存在时的磁感应强度矢量,它由传它由传导电流与束缚电流共同产生导电流与束缚电流共同产生.B :表示介质的磁化强度矢量表示介质的磁化强度矢量,仅与束缚电流有关仅与束缚电流有关.M :磁场强度磁场强度,属一辅助物理量而没有直接的物理属一辅助物理量而没有直接的物理意义意义,仅为了计算方便而引入的仅为了计算方便而引入的.H9.2 介质的磁化特性 抗磁质、顺磁质和铁磁质外加磁场引起介质磁化外加磁场引起介质磁化,从而使周围磁场发从而使周围磁场发生变化生变化.不同介质的磁化特性不同不同介质的磁化特性不同,因而磁场的变因而磁场的变化不同化不同.磁介质的分类磁介质的分类抗磁
11、质抗磁质、顺磁质和铁磁质顺磁质和铁磁质铁磁质的磁化特性铁磁质的磁化特性磁滞回线磁滞回线1.磁介质的分类磁介质的分类上式表明上式表明:介质中的磁感应强度与外磁场之比等介质中的磁感应强度与外磁场之比等于介质的相对磁导率于介质的相对磁导率.根据相对磁导率大小不同根据相对磁导率大小不同,将其分为如下三类将其分为如下三类:HB由由可得可得HB00HBr00rB B 介质中的磁感应强度介质中的磁感应强度 与外加磁场与外加磁场 的关系如何的关系如何?B0B抗磁质抗磁质:在外磁场作用下在外磁场作用下,束缚电流产生的磁场束缚电流产生的磁场与外加磁场反向与外加磁场反向,因此介质中的磁感应强度减小因此介质中的磁感应
12、强度减小.(1)抗磁质抗磁质 01rB B 若若磁介质称为磁介质称为抗磁质抗磁质0BB此时此时由由mr1可得可得0mHMm 与与 反向反向MH抗磁质把磁感应线排斥出磁介质抗磁质把磁感应线排斥出磁介质超导表面电流引起的迈纳斯效应超导表面电流引起的迈纳斯效应超导体把磁感应线完全排斥出磁介质超导体把磁感应线完全排斥出磁介质10rm01rm0BB0B抗磁性的起源抗磁性的起源:当存在外加磁场时当存在外加磁场时,原子中不同原子中不同运动状态的电子所受洛伦力方向不同运动状态的电子所受洛伦力方向不同,导致轨道导致轨道磁矩大小不同磁矩大小不同.021mm0M00MBBBB00BB如图如图所以所以结果结果eefe
13、0Bmfmf1m2mefvv物质中的原子有其电子轨道运动物质中的原子有其电子轨道运动,所以所以物质物质具有抗磁性具有抗磁性.通常通常,洛伦兹力使轨道磁矩变化非洛伦兹力使轨道磁矩变化非常微弱常微弱,其其抗磁性很小抗磁性很小.在许多物质中抗磁性又在许多物质中抗磁性又被顺磁性和铁磁性所掩盖被顺磁性和铁磁性所掩盖.(2)顺磁质顺磁质 由由mr1可得可得0m01 rB B0BBHMm若若磁介质称为磁介质称为顺磁质顺磁质 与与 同向同向MH顺磁质顺磁质:在外磁场作用下在外磁场作用下,磁介质束缚电流磁场磁介质束缚电流磁场与外加磁场方向相同与外加磁场方向相同,结果介质中总磁感应强度结果介质中总磁感应强度增大增
14、大.顺磁质把磁感应线聚集到其内部顺磁质把磁感应线聚集到其内部0,1mr0BB一般情况下一般情况下,介质的顺磁性非常微弱介质的顺磁性非常微弱:4101r顺磁性的起源顺磁性的起源:在外加磁场作用下在外加磁场作用下,原子中自旋原子中自旋运动的电子受洛伦兹力作用运动的电子受洛伦兹力作用,其其磁矩磁矩方向与外加方向与外加磁场方向趋于一致磁场方向趋于一致,结果介质中的总磁场增强结果介质中的总磁场增强.0BM自旋m自旋2429.3 10A mm自旋在外磁场作用下在外磁场作用下,电子电子自旋磁矩自旋磁矩沿外磁场方向沿外磁场方向排列排列介质磁化介质磁化0M00MB00BBBB0BB电子自旋磁矩电子自旋磁矩(本征
15、磁矩本征磁矩)磁化程度也取决于电子的热运动磁化程度也取决于电子的热运动.电子对的量子效应电子对的量子效应:大部分物质中的电子常形成大部分物质中的电子常形成电子对电子对,其磁矩相互抵消其磁矩相互抵消.仅当电子数为奇数或仅当电子数为奇数或因其它原因使自旋磁矩不能完全抵消时因其它原因使自旋磁矩不能完全抵消时,物质才物质才呈现顺磁性呈现顺磁性.既然顺磁性既然顺磁性起源于电子的起源于电子的自旋自旋,为何并非所有的为何并非所有的物质都具有顺磁性呢物质都具有顺磁性呢?0B 外磁场T热运动电子自旋电子自旋磁矩无序磁矩无序电子自旋电子自旋磁矩有序磁矩有序典型的顺磁介质典型的顺磁介质:Al(铝铝)、W(钨钨)、O
16、2(液态氧液态氧)、CuCl2(氯氯化铜化铜)等等.(3)铁磁质铁磁质 0BB30110rB B 若若 且且常数的磁介质称为常数的磁介质称为铁磁质铁磁质.铁磁质铁磁质:在外磁场作用下在外磁场作用下,介质内束缚电流的磁介质内束缚电流的磁场与外磁场同向场与外磁场同向,结果磁化效果非常显著结果磁化效果非常显著.注注:有些铁磁质本身就具有磁性有些铁磁质本身就具有磁性.由由mr1可得可得0mHMm 与与 同向同向MH铁磁性的起源铁磁性的起源:铁磁质不同于一般的顺磁质铁磁质不同于一般的顺磁质,其其主要区别在于它们的主要区别在于它们的磁畴磁畴结构不同结构不同.典型的铁磁质典型的铁磁质:Fe(铁铁)、Co(钴
17、钴)、Ni(镍镍)等元素及其合金等元素及其合金.铁氧体铁氧体由氧化铁由氧化铁(Fe2O3)与其它金属氧化物与其它金属氧化物(NiO、CuO、MnO、BaO)混合成的材料混合成的材料.铁氧体是典型的顺磁质铁氧体是典型的顺磁质,因而受到广泛应用因而受到广泛应用.磁畴的起源磁畴的起源:由于铁磁质中原子之间存在由于铁磁质中原子之间存在量子性量子性的交换力的交换力,无外加磁场时磁畴内的原子磁矩会因无外加磁场时磁畴内的原子磁矩会因自发磁化而方向趋于一致自发磁化而方向趋于一致.磁畴磁畴:铁磁质内自发磁化的铁磁质内自发磁化的小区域小区域,其线度与晶粒大小其线度与晶粒大小有关有关,通常约通常约10-2 10-4
18、 mm,包含约包含约1015个原子个原子.磁畴之磁畴之间存在间存在畴壁畴壁.铁磁质的磁化铁磁质的磁化:磁畴的观察磁畴的观察:在电解抛光的铁磁质表面涂上含有在电解抛光的铁磁质表面涂上含有铁粉的胶状悬浮液铁粉的胶状悬浮液,其铁粉有选择地聚集在磁畴其铁粉有选择地聚集在磁畴壁处壁处,利用显微镜可观察其分布利用显微镜可观察其分布.居里点居里点:温度高于某一临界值后温度高于某一临界值后,铁磁质的原子铁磁质的原子交换作用消失交换作用消失,铁磁质铁磁质变为变为顺磁质顺磁质(Fe:770).无外磁场无外磁场:磁畴排列方向无序磁畴排列方向无序,磁介质不显磁性磁介质不显磁性.加载磁化场加载磁化场:磁畴排列方向趋于一
19、致磁畴排列方向趋于一致,与外磁场同向的与外磁场同向的磁畴体积增大磁畴体积增大,反向磁畴体积减小反向磁畴体积减小畴壁运动畴壁运动.磁饱和磁饱和:随外磁场增强随外磁场增强,介质磁化程度增加介质磁化程度增加,最终所有最终所有磁畴都与外场方向相同磁畴都与外场方向相同.B9.3 铁磁质的磁化特性1.磁化曲线磁化曲线磁化曲线磁化曲线:在外磁场作用下在外磁场作用下,铁磁质中磁感应强铁磁质中磁感应强度度 B 与磁场强度与磁场强度 H 的关系曲线的关系曲线B-H曲线曲线.磁化曲线反映铁磁质的磁化特性磁化曲线反映铁磁质的磁化特性.由于曲线的对由于曲线的对称性称性,故其故其起磁化曲线起磁化曲线最为典型最为典型.反映
20、磁化场的大小反映磁化场的大小00BHH，反映感应场的大小反映感应场的大小BHB，(1)B随随H增大而增加增大而增加;(2)磁导率磁导率 不为常数不为常数,最大磁导率为最大磁导率为 M;(3)存在磁饱和现象存在磁饱和现象,饱和磁感应强度为饱和磁感应强度为BM.铁磁质的起磁化特性铁磁质的起磁化特性:铸铁的起磁化曲线铸铁的起磁化曲线20040060080010001200A/mH050006000r40002000300010000.20.40.60.81.01.21.4 B T1.61.8MB B H rHrM2.磁滞回线磁滞回线实验表明实验表明:当当H减小时减小时,B-H曲线并不按起始磁化曲线并
21、不按起始磁化曲线返回曲线返回磁滞回线磁滞回线.A/mH TBMBMBocHcHrBrB铁磁质的磁滞回线铁磁质的磁滞回线(1)起磁化曲线与反向磁化曲线不重合起磁化曲线与反向磁化曲线不重合;(2)B的变化总是滞后于的变化总是滞后于H的变化的变化磁滞现象磁滞现象;(3)外磁场撤去后外磁场撤去后,B并不等于并不等于0剩磁现象剩磁现象Br;铁磁质磁化的磁滞特性铁磁质磁化的磁滞特性:(4)消除消除剩磁剩磁Br的反向磁场强度的反向磁场强度(矫顽力矫顽力Hc)反映反映了铁磁质的剩磁能力了铁磁质的剩磁能力,对应的这段曲线称为对应的这段曲线称为退磁退磁曲线曲线;(5)可以证明可以证明:磁滞回线包围的面积等于反复磁
22、磁滞回线包围的面积等于反复磁化过程中化过程中单位体积铁磁质损耗的能量单位体积铁磁质损耗的能量.(1)软磁材料软磁材料特性特性:磁滞效应不明显磁滞效应不明显,撤去外场后磁性很快消撤去外场后磁性很快消失失,可用作电磁铁的铁芯可用作电磁铁的铁芯.3.磁性材料磁性材料矫顽力矫顽力Hc104 A/mA/mH TBrBcHcHrB典型的硬磁材料典型的硬磁材料:高碳钢高碳钢(含碳量含碳量11.5%),钨钢钨钢,铬钢铬钢,其磁性较差其磁性较差;稀土永磁稀土永磁硬磁硬磁材料材料:磁性极强磁性极强,是目前着力开发的永磁材料是目前着力开发的永磁材料,铝镍钴合金铝镍钴合金(Br=9500G,Hc=8800Oe);钕铁
23、硼合金钕铁硼合金.铁氧体非金属硬磁材料铁氧体非金属硬磁材料:其其Br虽不及金属硬磁材料虽不及金属硬磁材料,但矫顽力但矫顽力Hc较高较高,易易于做成短棒于做成短棒、薄片等形状薄片等形状.(3)矩磁材料矩磁材料具有矩形磁滞回线的铁磁质具有矩形磁滞回线的铁磁质特性特性:利用其利用其+Br、-Br两种剩两种剩磁状态可存储计算机数据磁状态可存储计算机数据,计计算机中的环形磁芯便是用矩算机中的环形磁芯便是用矩磁材料制成的磁材料制成的.A/mH TBrBcHcHrB典型的矩磁材料典型的矩磁材料:锰镁矩磁铁氧体锰镁矩磁铁氧体,锂锰矩磁铁氧体锂锰矩磁铁氧体;坡莫合金矩磁材料坡莫合金矩磁材料.特性特性:具有磁致伸缩效应具有磁致伸缩效应,可用于制作磁压转换可用于制作磁压转换器件器件、超声波换能器和机械滤波器等超声波换能器和机械滤波器等.
