大学物理课件：12.磁介质.ppt

1、12-1 12-1 磁介质磁介质 磁化强度磁化强度磁介质磁介质能与磁场产生相互作用的物质能与磁场产生相互作用的物质磁化磁化磁介质在磁场作用下所发生的变化磁介质在磁场作用下所发生的变化一、一、 物质磁性的概述物质磁性的概述 RI0B无磁介质时：无磁介质时：nIB00 RI磁介质磁介质B加入磁介质后加入磁介质后BBB 0附加磁场附加磁场B 根据根据 的大小和方向可将磁介质分为四大类的大小和方向可将磁介质分为四大类 RI锰、铬、氮气锰、铬、氮气-B0BB 1）此种磁介质称此种磁介质称为为顺磁质顺磁质 RI银、铜、氢银、铜、氢.B0BB 2）此种磁介质称此种磁介质称为为抗磁质抗磁质0BB 弱磁质弱磁质

2、 RI铁、钴、镍及其合金铁、钴、镍及其合金0BB 3）此种磁介质称为此种磁介质称为铁磁质铁磁质B强磁质强磁质4) 超导体超导体 B = 0二二、分子电流与分子磁矩分子电流与分子磁矩电子绕核的轨道运动电子绕核的轨道运动电子本身自旋电子本身自旋等效于圆电流等效于圆电流分子电流分子电流分子磁矩分子磁矩mPBpMm nISpm 分子磁矩在外磁场中受到分子磁矩在外磁场中受到磁力矩磁力矩作用，使它向磁场作用，使它向磁场方向偏转方向偏转BImpmpmpImpImpILmp0Bmp 物质的抗磁性：物质的抗磁性：Lmepm2 222rrverIpm vrmL Lmp0Bmp MM vmrL BpMm 分子磁矩受

3、到的力矩分子磁矩受到的力矩角动量定理角动量定理dtLdM 绕磁场进动产生一附加磁矩绕磁场进动产生一附加磁矩 与与原磁场原磁场 方向相反方向相反mp 0B1、顺磁质、顺磁质分子的固有磁矩不为零分子的固有磁矩不为零0 mp无外磁场作用时，由无外磁场作用时，由于分子的热运动，分于分子的热运动，分子磁矩取向各不相同子磁矩取向各不相同,整个介质不显磁性。整个介质不显磁性。0 mp三、三、磁介质的磁介质的顺磁性与抗磁性顺磁性与抗磁性 有外磁场时，分子磁矩要有外磁场时，分子磁矩要受到一个力矩的作用，使分子受到一个力矩的作用，使分子磁矩转向外磁场的方向。磁矩转向外磁场的方向。mp0B0BpMm M 分子磁矩产

4、生的磁场方向和外磁场方向一致，分子磁矩产生的磁场方向和外磁场方向一致，顺磁质磁化结果，使介质内部磁场增强。顺磁质磁化结果，使介质内部磁场增强。0BB 0B0 mP（顺磁质）（顺磁质）0B0 mp0BB 0B得多得多,忽略不计。因此磁介质中的忽略不计。因此磁介质中的磁场是加强了。磁场是加强了。指出一点指出一点：附加磁矩：附加磁矩 与与 相比要小相比要小 mp mp2、抗磁质、抗磁质分子的固有磁矩为零分子的固有磁矩为零0 mp在外磁场作用下产生在外磁场作用下产生附加磁矩附加磁矩mp 电子的附加磁矩总是削弱外磁场的作用。电子的附加磁矩总是削弱外磁场的作用。抗磁性是一切磁介质共同具有的特性。抗磁性是一

5、切磁介质共同具有的特性。0BB 总与外磁场总与外磁场方向方向反向反向任一体积元中任一体积元中0 mP 3、介质磁化的过程如下：、介质磁化的过程如下：在外场中在外场中顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质0 mp0 mp mmpp 在外场中在外场中0 mp 一致一致取向与取向与0Bpm 反向反向取向与取向与0Bpm 00BBBB 00BBBB 四、四、磁化强度与磁化电流磁化强度与磁化电流1、定义、定义磁化强度磁化强度 ：在被磁化的磁介质中，单位体积内在被磁化的磁介质中，单位体积内 分子磁矩的矢量和。分子磁矩的矢量和。MVppMmm 1 mA mP分子的固有磁矩的矢量和分子的固有磁矩的矢量和 mP 附加磁矩附加

6、磁矩的矢量和的矢量和讨论：讨论：在磁介质被磁化后在磁介质被磁化后也可以不同，非均匀磁化也可以不同，非均匀磁化（1） 可以相同，均匀磁化可以相同，均匀磁化M（2）对于顺磁质：对于顺磁质：BM/附加磁场与原磁场同向附加磁场与原磁场同向对于抗磁质：对于抗磁质：BM /附加磁场与原磁场反向附加磁场与原磁场反向磁化电流磁化电流sI分子电流的宏观表现分子电流的宏观表现0BsI0IB Is磁化面电流，安培表面电流磁化面电流，安培表面电流s沿轴线单位长度上的磁化电流（磁化面电流密度）沿轴线单位长度上的磁化电流（磁化面电流密度）lSSIpppssmmm ssmlSlSVpMM 2、磁化强度与磁化电流的关系、磁化

7、强度与磁化电流的关系取如图所示的积分环路取如图所示的积分环路abcda: LadMl dM 磁化强度对闭合回路磁化强度对闭合回路L的线积分，等于穿过以的线积分，等于穿过以L为周界的任意曲面的磁化电流的代数和。为周界的任意曲面的磁化电流的代数和。 ssIad 磁化强度磁化强度M在量值上等于磁化面电流密度。在量值上等于磁化面电流密度。adcbBBB 0SBB一、磁介质中的高斯定理一、磁介质中的高斯定理0 sSdB0 sosSd)BB(SdB0 soSdB0 sSdB通过磁场中任一闭合曲面的总磁通量为零通过磁场中任一闭合曲面的总磁通量为零磁介质中的高斯定理磁介质中的高斯定理12-2介质中的磁场介质中

8、的磁场 磁场强度磁场强度真空中真空中二、二、磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 LLsIIl dB)(00 l dMIl dBLLL 000 LLIld)MB(00 LsLIldMMBH 0 定义定义磁场强度磁场强度 LLIl dH0 在稳恒磁场中，磁场强度矢量沿任一闭合路径的在稳恒磁场中，磁场强度矢量沿任一闭合路径的线积分（即环流）等于包围在环路内各传导电流的线积分（即环流）等于包围在环路内各传导电流的代数和，而与磁化电流无关。代数和，而与磁化电流无关。单位单位：安培：安培/米米(A/m)MBH 0 内内LLIl dH0几点说明：几点说明：1） 是一辅助物理量，描述磁场的基本物理量

9、是一辅助物理量，描述磁场的基本物理量 仍然是仍然是HBHB（ 名称张冠李戴了）名称张冠李戴了）3）MBH 0 是一普遍关系式，可以写成：是一普遍关系式，可以写成：MHB00 2） 的单位是的单位是A/m（SI制）制）H三、三、 各向同性的磁介质各向同性的磁介质HMm MBH 0 HHBr 0介介质质的的磁磁化化率率m HBm 0HBm)1(0 介质的磁导率介质的磁导率 r0令：令：称为相对磁导率称为相对磁导率mr 1电介质中的电介质中的高斯定理高斯定理磁介质中的磁介质中的安培环路定理安培环路定理 SiSqqSdE)(01 LsLLIIl dB00 l dMIl dBLLL 00 LLIl dM

10、B)(0 MBH 0 LLIl dH SSSSdPqSdE0011 SSqSdPE)(0 PED 0 VeSdVSdD E)(De01 EEDr 0 称为相对电容率称为相对电容率或相对介电常量或相对介电常量r 之间的关系之间的关系EDP、)(er 1EPe0 HMm 之之间的关系间的关系M,H,BMBH 0 PED 0 H)(Bm 10)(mr 1HHBr 0r 称为相对磁导率称为相对磁导率r 0 磁导率磁导率0 r 介电常量介电常量例例1 一环形螺线管，管内充满磁导率为一环形螺线管，管内充满磁导率为，相对磁导，相对磁导率为率为r的顺磁质。环的横截面半径远小于环的半径。的顺磁质。环的横截面半径

11、远小于环的半径。单位长度上的导线匝数为单位长度上的导线匝数为n。 求：环内的磁场强度和磁感应强度求：环内的磁场强度和磁感应强度rHl dHL 2 NI rNIH 2 nI HHBr 0 rO解：解：例例2 一无限长载流圆柱体，通有电流一无限长载流圆柱体，通有电流I ，设电流，设电流 I 均匀分布在整个横截面上。柱体的磁导率为均匀分布在整个横截面上。柱体的磁导率为，柱，柱外为真空。外为真空。求：柱内外各区域的磁场强度和磁感应强度。求：柱内外各区域的磁场强度和磁感应强度。解：解：IR0 I rH Rr rHl dHL 2 I IRr22 22 RIrH 22 RIrB 在分界面上在分界面上H 连续

12、连续, B 不连续不连续Rr IrH 2rIH 2 rIB 20 IR0 Hr HRrRI 2OBRrRI 2ORI 20练习练习 一磁导率为一磁导率为 1的无限长圆柱形直导线，半径为的无限长圆柱形直导线，半径为 R1，其中均匀地通有电流，其中均匀地通有电流 I 。在导线外包一层磁导。在导线外包一层磁导率为率为 2 的圆柱形不导电的磁介质，其外半径为的圆柱形不导电的磁介质，其外半径为 R2，如图所示。求磁场强度和磁感应强度的分布。如图所示。求磁场强度和磁感应强度的分布。 2 1IR2R1解：由安培环路定律解：由安培环路定律 iLIl dH iIrH 2 2 1IR2R11Rr 212 RIrH

13、 2112 RIrB 21RrR rIH 2 rIB 22 2Rr rIH 2 rIB 20 练习练习 一电缆由半径为一电缆由半径为R1的长直导线和套在外的长直导线和套在外面的内、外半径分别为面的内、外半径分别为R2和和R3的同轴导体圆筒组成，的同轴导体圆筒组成，其间充满相对磁导率为其间充满相对磁导率为r的各向同性非铁磁质。电的各向同性非铁磁质。电流流I由中心导体流入，由中心导体流入，由外面圆筒流回。求磁场分由外面圆筒流回。求磁场分布。布。1Rr 解：由介质中的安培环路定理解：由介质中的安培环路定理 LIl dH LrHl dH 211221rRII 2112 RIrH 21012 RIrB

14、1R3R2R 1R3R2R 21RrR LrHl dH 222 IIrIH 22 rIrIBr 2202 32RrR LrHl dH 233 )()(2223222RRRrIII222322332RRrRrIH 2223223032RRrRrIB 3Rr 0 I0044 BH无限长直电流的磁场无限长直电流的磁场圆电流中心的磁场圆电流中心的磁场长螺线管电流中部的磁场长螺线管电流中部的磁场环形长螺线管中部的磁场环形长螺线管中部的磁场aIH 21RNIH2 nIH nIH 无限大均匀无限大均匀磁介质中磁场的磁介质中磁场的毕毕-萨定律萨定律34rrlIdBd llrrlIdBdB34 0Il dHL0

15、 l dEL 0qSdDS0 SdBS DEHB EBDH 1 1、铁磁质的特性、铁磁质的特性12-3 铁磁质铁磁质一、铁磁质的磁化规律一、铁磁质的磁化规律（1）能产生特别强的附加磁场）能产生特别强的附加磁场 ,使磁介质中的使磁介质中的B B远大于远大于 ,其其 值可达几百、甚至几千以上值可达几百、甚至几千以上0B0BBr （2）铁磁质的磁导率）铁磁质的磁导率 不是常量，不是常量， 与与 不是线不是线 HB性关系性关系（3） 磁化强度随外磁场而变，其变化落后于外磁磁化强度随外磁场而变，其变化落后于外磁场的变化，而且在外磁场停止作用后，仍保场的变化，而且在外磁场停止作用后，仍保留部分磁性留部分磁

16、性里点，当温度超过居里点时，铁磁质转变为里点，当温度超过居里点时，铁磁质转变为顺磁质。顺磁质。（4）一定的铁磁材料存在一特定的临界温度）一定的铁磁材料存在一特定的临界温度居居2、磁化曲线磁化曲线RNIH 2 磁强计磁强计测量测量B,如用感应电动势如用感应电动势测量测量或用小线圈在缝口处测量；或用小线圈在缝口处测量；Hr HBor 由由 得出得出 曲线曲线铁磁质的铁磁质的 不一定是个常数，不一定是个常数，它是它是 的函数的函数Hr 原理原理: 励磁电流励磁电流 I; 用安培定理得用安培定理得HHr HBHr,B 05 10 1520AB和和H也不是线性关系也不是线性关系初始磁初始磁化曲线化曲线a

17、.bcdBOH.SBSHe.rB fCHSB .SH 矫顽力矫顽力CH 饱和磁感应强度饱和磁感应强度磁滞回线磁滞回线剩剩 磁磁rB3、磁滞回线磁滞回线HBcHcH rBSB B的变化落后于的变化落后于H，从而具有，从而具有剩磁，即剩磁，即磁滞效应磁滞效应。磁滞回线磁滞回线-不可逆过程不可逆过程 在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高的在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高的磁滞损耗磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。与磁滞回线所包围的面积成正比。磁化过程磁化过程不可逆不可逆存在存在损耗损耗 M M、B B、H H不是线性关系，且非单值不是线性关系，且非单值每个每个H对应不同的对应不同的B，与

18、磁化的历史有关。，与磁化的历史有关。去磁去磁在没有达到饱和值之前，减小外磁场，反复进行在没有达到饱和值之前，减小外磁场，反复进行二、铁磁质内的磁畴结构二、铁磁质内的磁畴结构 根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的在很强的“交换耦合作用交换耦合作用”，使得在，使得在无外磁场作用无外磁场作用时，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列，时，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列，形成自发磁化达到饱和状态的微小区域。形成自发磁化达到饱和状态的微小区域。 这些区域称为这些区域称为“磁畴磁畴”。 相互间有一很薄的过渡相互间有一很薄的过渡层称为层称为畴壁畴壁

19、。多晶磁畴结构多晶磁畴结构 示意图示意图1、自发磁化和磁畴、自发磁化和磁畴2、铁磁质的磁化机理、铁磁质的磁化机理（1）无外磁场时，各磁畴的磁化方向不同，对无外磁场时，各磁畴的磁化方向不同，对外不显磁性。外不显磁性。（2）在外磁场作用下，磁畴发生变化。在外磁场作用下，磁畴发生变化。A 外磁场较弱时，凡磁矩方向与外磁场相同或外磁场较弱时，凡磁矩方向与外磁场相同或相近的磁畴都要扩大（畴壁向外移动）。相近的磁畴都要扩大（畴壁向外移动）。HHHHB 随着外磁场的不断增强，取向与外磁场成较大随着外磁场的不断增强，取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失，留存的磁畴将向外磁场的角度的磁畴全部消失，留存的磁畴将向

20、外磁场的方向转向，再增大外磁场，所有磁畴沿外场方向方向转向，再增大外磁场，所有磁畴沿外场方向整齐排列，这时磁化达到饱和。整齐排列，这时磁化达到饱和。（3） 畴壁的外移及磁畴磁矩的取向是不可逆的，畴壁的外移及磁畴磁矩的取向是不可逆的， 当外磁场减弱或消失时磁畴不按原来变化规律逆着当外磁场减弱或消失时磁畴不按原来变化规律逆着退回原状。这解释了磁滞的原因。退回原状。这解释了磁滞的原因。（4）既然既然磁畴起因于电子自旋磁矩的自发有序排磁畴起因于电子自旋磁矩的自发有序排列列，而热运动是有序排列的破坏者，因而当温度高，而热运动是有序排列的破坏者，因而当温度高于某一临界时，磁畴就不复存在，铁磁质就变为普于某

21、一临界时，磁畴就不复存在，铁磁质就变为普通顺磁质。这一临界温度叫通顺磁质。这一临界温度叫居里点居里点。把一块有剩磁的铁磁质加热至居里点以上再冷却，把一块有剩磁的铁磁质加热至居里点以上再冷却，其剩磁会完全消失。其剩磁会完全消失。例如，铁的居里点是例如，铁的居里点是1043K。顺磁性顺磁性 来自分子的固有磁矩。来自分子的固有磁矩。抗磁性抗磁性 起因于电子的轨道运动在外磁场作起因于电子的轨道运动在外磁场作用的变化。用的变化。铁磁性铁磁性 起因于电子自旋磁矩的自发有序排列。起因于电子自旋磁矩的自发有序排列。三种磁介质起因的比较三种磁介质起因的比较显示磁畴结构的铁粉图形显示磁畴结构的铁粉图形纯铁纯铁硅铁

22、硅铁钴钴三种铁磁性物质的磁畴三种铁磁性物质的磁畴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三三 、 铁磁质的应用铁磁质的应用1、软磁材料、软磁材料特点：特点：矫顽力矫顽力 小，（小，（ ）mAHC210 CH磁滞特性不明显，磁滞损耗低，磁滞特性不明显，磁滞损耗低，磁滞回线成细长条。磁滞回线成细长条。 大，易磁化，也易退磁大，易磁化，也易退磁r 用途：适用于交变磁场中用途：适用于交变磁场中电子设备中的各种电感元件、变压器、电子设备中的各种电感元件、变压器、镇流器，电动机和发电机中的铁芯等。镇流器，电动机和发电机中的铁芯等。继电器、电磁铁的铁芯也用

23、软磁材料。继电器、电磁铁的铁芯也用软磁材料。cH cHHB纯铁，硅钢坡莫合金纯铁，硅钢坡莫合金(Fe，Ni)，铁氧体等。，铁氧体等。2、硬磁材料、硬磁材料作永久磁铁作永久磁铁钨钢，碳钢，铝镍钴合金钨钢，碳钢，铝镍钴合金3、矩磁材料、矩磁材料作存储元件作存储元件Br=BS ，Hc不大，磁滞回线是矩形。不大，磁滞回线是矩形。用于用于记忆元件记忆元件，当，当+脉冲产生脉冲产生HHC使使磁芯呈磁芯呈+B态，态，则则脉冲产生脉冲产生H102A/m)，剩磁剩磁Br大大磁滞回线的面积大，损耗大。磁滞回线的面积大，损耗大。用于磁电式电表中的永磁铁。用于磁电式电表中的永磁铁。耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。耳机中

24、的永久磁铁，永磁扬声器。锰镁铁氧体，锂锰铁氧体锰镁铁氧体，锂锰铁氧体BcHcH HBcHHcH 例例1、 图示为三种不同的磁介图示为三种不同的磁介质的质的BH关系曲线，其中虚线表示关系曲线，其中虚线表示的是的是B= oH的关系。的关系。a、b、c各代各代表哪一类磁介质的表哪一类磁介质的BH关系曲线：关系曲线：a代表代表 的的BH关系曲线。关系曲线。铁磁质铁磁质b代表代表 的的BH关系曲线。关系曲线。c代表代表 的的BH关系曲线。关系曲线。顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质 抗磁质和顺磁质的抗磁质和顺磁质的B和和H间是线性关系间是线性关系,相对磁相对磁导率导率 r 与与1相差不大。在一般性相差不大。在一般

25、性(精度要求不高精度要求不高)的问的问题中，可以把题中，可以把抗磁质和顺磁质的相对磁导率抗磁质和顺磁质的相对磁导率 r 看作看作是是1。BHabc 对铁磁质，对铁磁质， B和和H间是非线性的间是非线性的, 相对磁导率相对磁导率 r1 。 例例2、一矩磁材料具有矩形磁滞回线，如图（、一矩磁材料具有矩形磁滞回线，如图（1）所示，外加磁场一超过矫顽力，磁化方向就立即翻所示，外加磁场一超过矫顽力，磁化方向就立即翻转。矩磁材料可以用于制作电子计算机中存储元件转。矩磁材料可以用于制作电子计算机中存储元件的环形磁芯。图（的环形磁芯。图（2）为这样的磁芯，其外直径为）为这样的磁芯，其外直径为0.8mm，内直径

26、为，内直径为0.5mm，高为，高为0.3mm，若磁芯原，若磁芯原来已被磁化，方向如图。现需使磁芯中自内到外的来已被磁化，方向如图。现需使磁芯中自内到外的磁化方向全部翻转，长直导线中脉冲电流磁化方向全部翻转，长直导线中脉冲电流im的峰值的峰值至少需多大？设磁芯矩磁材料的矫顽力为至少需多大？设磁芯矩磁材料的矫顽力为mAHC31021 BcHH（1）I（2）解：假定磁芯中的磁感应线为与磁芯共轴的同解：假定磁芯中的磁感应线为与磁芯共轴的同心圆，则由安培环路定理心圆，则由安培环路定理 il dHirHl dH 2riH 2 则载流直导线在磁芯中产生的磁场强度为则载流直导线在磁芯中产生的磁场强度为方向与磁

27、芯中的原磁化方向相反。方向与磁芯中的原磁化方向相反。rHi 2 导线中脉冲电流的最小峰值为导线中脉冲电流的最小峰值为外外RHicm 2 代入数据代入数据Aim4 . 02108 . 02102133 I（2） NIl dHrNIH 2 rHB 0 例例3、在铁磁质磁化特性的测量实验中，设所、在铁磁质磁化特性的测量实验中，设所用的环形螺线管上共有用的环形螺线管上共有1000匝线圈，平均半径为匝线圈，平均半径为15.0cm，当线圈中通有，当线圈中通有2.0A电流时，测得环内磁感电流时，测得环内磁感应强度应强度B = 1.0 T ，求：，求：（1）螺绕环铁心内的磁场强度）螺绕环铁心内的磁场强度H；（3）已磁化的环形铁心的面磁化电流密度。）已磁化的环形铁心的面磁化电流密度。r （2）该铁磁质的磁导率）该铁磁质的磁导率 和相对磁导率和相对磁导率 ； 解：解： （1）由安培环路定理）由安培环路定理mA32101 . 2100 .1520 . 21000 （2）HB mH43107 . 4101 . 21 0 r274108 . 3104107 . 4 （3）HMms mr 1Hrs)1( mA532100 . 8101 . 2)1108 . 3(