电磁学第五章-磁场中的磁介质.ppt

1、1第四章第四章 稳恒磁场稳恒磁场1基本磁现象2安培定律3磁感应强度矢量4磁场的高斯定理5安培环路定律6磁场对载流导线的作用7磁场对运动带电粒子的作用第五章第五章 电磁感应和暂态过程电磁感应和暂态过程1电磁感应现象2法拉电磁感应定津 3动生电动势4感生电动势 涡旋电场5自感和互感6涡电流 趋肤效应7暂态过程第六章第六章 磁介质磁介质1磁介质2磁场的边值关系3顺磁质 抗磁质 铁磁质4磁场的能量和能量密度课程内容2第五章磁场中的磁介质第五章磁场中的磁介质主要内容主要内容磁介质磁介质磁矩磁矩磁磁介质的磁化介质的磁化 的环路定理的环路定理铁磁质铁磁质磁场的能量密度磁场的能量密度H3 1 磁介质磁介质磁介

2、质磁介质是指放在磁场中受磁场影响或反过来影响原来磁场的物质。是指放在磁场中受磁场影响或反过来影响原来磁场的物质。 2.磁介质对磁场的影响磁介质对磁场的影响0Br0BBr 相对磁导率 反映磁介质性质0B磁介质BBBBo 在介质均匀充满磁场的情况下在介质均匀充满磁场的情况下与介质有关的电流产生与介质有关的电流产生3. 磁介质的分类磁介质的分类(2)顺磁质顺磁质（ 锰、铬、铂、氧）锰、铬、铂、氧）(1)抗磁质抗磁质（ 锌、铜、水银、铅）锌、铜、水银、铅）r1减弱原场减弱原场0BB r1增强原场增强原场0BB (3) 铁磁质铁磁质r1通常不是常数通常不是常数具有显著的增强原磁场的性质具有显著的增强原磁

3、场的性质强磁性物质强磁性物质弱弱磁磁性性物物质质5 2 2 磁矩磁矩原子中运动的电子的轨道磁矩原子中运动的电子的轨道磁矩(1)圆电流的磁矩圆电流的磁矩nmISene 为圆面积的正法线单位矢量为圆面积的正法线单位矢量,它与电流它与电流流向成右手螺旋法则。流向成右手螺旋法则。6(2)原子中运动的电子的轨道磁矩原子中运动的电子的轨道磁矩电子的沿圆形轨道运动电流电子的沿圆形轨道运动电流2Ierv电子的轨道磁矩电子的轨道磁矩2e rmISv电子的沿圆形轨道角动量电子的沿圆形轨道角动量eLmrv则电子的轨道磁矩则电子的轨道磁矩2eemLm72.原子中运动的电子的自旋磁矩原子中运动的电子的自旋磁矩249.2

4、7 10/2BeeeemsJ Tmm上式中的上式中的s为自旋角动量为自旋角动量/ 2s 玻尔磁子玻尔磁子3.原子中原子核磁矩原子中原子核磁矩 原子核也有磁矩原子核也有磁矩,但小于电子磁矩的千分之一。但小于电子磁矩的千分之一。4.分子磁矩分子磁矩 电子轨道磁矩，电子自旋磁矩，原子核的磁矩的总和，叫电子轨道磁矩，电子自旋磁矩，原子核的磁矩的总和，叫分子分子磁矩。磁矩。 某些分子在正常情况下某些分子在正常情况下,其磁矩的矢量和一定，称为分子的其磁矩的矢量和一定，称为分子的固有固有磁矩磁矩。imm抗磁质抗磁质无外场作用时，对外不显磁性。无外场作用时，对外不显磁性。顺磁质顺磁质无外场作用时，由于热运动，

5、对外也无外场作用时，由于热运动，对外也不显磁性不显磁性0m 0m 0BemPromP 外场与分子磁矩外场与分子磁矩 m 同向同向evmPr0Bf2nvFmrov2e rmISvmmP 外场与外场与分子分子磁矩磁矩m反向反向ffv相当于在原来的相当于在原来的 上附加了一上附加了一反向磁矩反向磁矩m相当于在原来的相当于在原来的 上附加了一上附加了一同向磁矩同向磁矩(1) 分子磁矩方向变化分子磁矩方向变化 磁矩将转向外场方向。磁矩将转向外场方向。(2) 分子磁矩大小变化分子磁矩大小变化 结论：结论：附加的附加的总是与外场方向相反总是与外场方向相反5. 磁场对磁介质分子的作用磁场对磁介质分子的作用2e

6、 rmISvmmm1.顺磁质的磁化机制 由具有固有磁矩的分子形成的物质； 在外场作用下,每个磁矩都受到一个力矩,使分子磁矩转向外磁场方向； 各分子磁矩在一定程度上沿外场排列； 热运动对磁矩排列起破坏干扰作用，温度越高顺磁效应越弱。0BBB3 磁介质的磁化磁介质的磁化2.抗磁质的磁化机制 每个分子无固有磁矩；(相互抵消) 在外场作用下,感生磁矩都与外场方向相反。顺磁质: 抗磁效应比顺磁效应小被掩盖。SISIB抗抗磁磁质质顺顺磁磁质质SISI0B0B抗抗磁磁质质0B束缚电流束缚电流束束缚缚电电流流L LB顺顺磁磁质质0B133.磁化强度磁化强度iimMV(1)定义定义:im体积元内第体积元内第i个

7、分子的磁矩个分子的磁矩M的单位：的单位：A/m (2)实验表明：实验表明：对于各向同性的顺磁质和抗磁质对于各向同性的顺磁质和抗磁质(以及铁磁质在磁场较弱时以及铁磁质在磁场较弱时)，BMrr01为介质中磁场为介质中磁场的磁感应强度的磁感应强度BEEPre100对比对比 电介质电介质14 推导：推导：Lld i S磁介质磁介质ldSM放大放大穿过穿过L所围曲面所围曲面 S 的磁化电流的磁化电流2 (cos)InialddcosM ldlMdLlMId 则套住则套住 dl 的分子电流：的分子电流：设分子浓度为设分子浓度为 n，4.磁化强度与磁化强度与束缚电流的关系束缚电流的关系15介质表面磁化电流密

8、度：介质表面磁化电流密度：tMld选选lMIsdd磁化面电流密度磁化面电流密度stIjMl ddnMjMtMtM ld若 平行于表面，则j=MM 考虑到方向163. 磁化规律磁化规律(实验规律实验规律)各向同性线性磁介质各向同性线性磁介质BBMrmrr001m介质的介质的磁磁化率化率对比对比 电介质电介质EEPre100e极极化率化率与磁介质内任意闭合路径L铰链的总束缚电流LLrdMdII17磁化强度磁化强度VpMimiVlim0磁化强度与磁化电流的关系磁化强度与磁化电流的关系LlMInMjd极化强度极化强度VpPieiVlim0SsPqdnP 对比电介质对比电介质18各向同性线性磁介质各向同

9、性线性磁介质MBH0HBr0HB BMrr01r 0 磁导率磁导率令令则有则有将将代入代入得得对比对比各向同性线性各向同性线性电介质电介质EPr10PED0EDr0r0ED19 4 H的环路定理的环路定理 1. 1. 磁介质内的磁介质内的总磁感强度总磁感强度自由电流自由电流00 IB 介质磁化的介质磁化的束缚电流束缚电流 IB ，0BBB总磁感强度总磁感强度202. 的环路定理的环路定理H由安培环路定律由安培环路定律00d()ininLBrII(1)如图所示如图所示又因为又因为ddinLLIIMr所以所以00() dinLBMrI磁磁介介质质L内内0I内内I0II21(2)磁场强度磁场强度H定

10、义磁场强度定义磁场强度0BHM/HB0r 对各向同性磁介质对各向同性磁介质0dinLHrI(3) 的环路定理的环路定理HBMrr01HHMmr) 1(23例例 一无限长直螺线管，单位长度上的匝数为一无限长直螺线管，单位长度上的匝数为n，螺线管内充满相，螺线管内充满相对磁导率为对磁导率为 的均匀磁介质。今在导线内通以电流的均匀磁介质。今在导线内通以电流I，求管内磁感，求管内磁感应强度和磁介质表面的面束缚电流密度。应强度和磁介质表面的面束缚电流密度。r解：解：如图如图充满介质后，管内磁场应均充满介质后，管内磁场应均匀，其方向平行于轴线，管匀，其方向平行于轴线，管外磁场为零外磁场为零24则有则有:根

11、据根据H的环路定理的环路定理HlnlIHnILabbccddaH drH drH drH drH drHl00rrBHnI (1)(1)rrMHnI又又(1)lrjMMnI 25顺磁质：顺磁质： ，束缚电流方向与自由电流方向相同，束缚电流方向与自由电流方向相同0 j抗磁质：，束缚电流方向与自由电流方向相反抗磁质：，束缚电流方向与自由电流方向相反0 j铁磁质：，管内磁场主要由束缚电流产生铁磁质：，管内磁场主要由束缚电流产生0 j由此可见由此可见(1)rjnI 26一根长直单芯电缆的芯是一半径为一根长直单芯电缆的芯是一半径为R的金属导的金属导体，它与导电外壁间充满相对磁导率为体，它与导电外壁间充满

12、相对磁导率为 的的均匀介质均匀介质.电流电流I均匀流过芯的横截面并沿电缆均匀流过芯的横截面并沿电缆外壁流回外壁流回.求磁介质中磁感应强度的分布和紧求磁介质中磁感应强度的分布和紧贴导体芯的磁介质表面上的束缚电流贴导体芯的磁介质表面上的束缚电流r作业作业求：求：iB ,例例 厚厚 2h 的无限大均匀各向同性介质平板，的无限大均匀各向同性介质平板， 相对磁导率相对磁导率 r ，传导电流密度为传导电流密度为 。 zjj00解：解：任一与任一与 yz 面平行的面平行的平面是系统的镜面：平面是系统的镜面：分析对称性：分析对称性：xzyxBB),( 沿沿 x、z 轴方向平移任意距离的平移对称性：轴方向平移任

13、意距离的平移对称性：xyBB)( x yj0 rhzhxz 面是系统的镜面：面是系统的镜面：)()( yByB 也具有相同性质：也具有相同性质：HxyHH)()()(yHyHxyj0 rhzhL y-y l板外：板外： 对矩形回路对矩形回路 L有：有：lyHlHL)(2d外外外外xyyhjH 0外外xyyhjHB000 外外外外)2(0hljhjyH0)(外外)0(y板内：板内：对矩形回路对矩形回路 L 有：有：yjyH0)(内内xyjH0内内xyj0 rhzhL l y-ylyHlHL)(2d内内内内)2(0ylj)0(yxyjHBrr000内内磁化面电流密度磁化面电流密度上表面：上表面：下

14、表面：下表面：, )1(0 xhjMr 上上zhjir)1(0 上上yen上上xyjHMrr)1( )1(0 内内内内neMi, )1(0 xhjMr 下下yen下下zhjir)1(0 下下上上ixyj0hzh上上ne下下ne上上M下下M下下i上上i为何上下表面磁化面电流总和不为为何上下表面磁化面电流总和不为0？思考：思考：31作业：作业：无传导电流处无传导电流处 也无磁化电流。也无磁化电流。证明在各向同性均匀磁介质内证明在各向同性均匀磁介质内32 5 铁磁质铁磁质1.磁化曲线磁化曲线(1)环状铁芯被磁化环状铁芯被磁化2NIHr改变改变I，可以得多组，可以得多组H和和B的值，由此可绘磁化曲线的

15、值，由此可绘磁化曲线1. r 1 可使原场大幅度增加。可使原场大幅度增加。2. r与磁化历史有关与磁化历史有关 B-H 非线性。非线性。Ha H i caB HB0Hm BSb磁化过程磁化过程可逆可逆H H 00HbHH cH不可逆不可逆不可逆不可逆(2)铁磁质中的铁磁质中的B和和 随随H变化的磁化曲线变化的磁化曲线 rOBHACDB.EF.HCBs.BrHs.初始磁初始磁化曲线化曲线Br剩剩 磁磁.HsBs. 饱和磁感应强度饱和磁感应强度矫顽力矫顽力HC磁滞回线磁滞回线352. 软磁材料软磁材料 硬磁材料硬磁材料cH很小很小,磁滞回线瘦磁滞回线瘦,如图如图(a),常用来常用来做电磁铁等的铁芯

16、做电磁铁等的铁芯软磁材料软磁材料:cH较大较大,磁滞回线较胖磁滞回线较胖,如图如图(b),常用来常用来做计算机的铁芯做计算机的铁芯硬磁材料硬磁材料:3. 居里点居里点TcTc:铁磁铁磁质质特性消失成为顺磁特性消失成为顺磁质的质的转变转变温度。温度。例如例如 铁的铁的Tc: 1040K 钴的钴的Tc: 1390K 1. 软磁材料软磁材料Hc 小（小（ 2 ，则则 1 2 磁感应线的磁感应线的“折射折射”48在在 很大的铁磁质中，很大的铁磁质中， 线几乎平行于表面。线几乎平行于表面。Br22一铁管在磁场中一铁管在磁场中 B线的分布图，线的分布图， 实现了实现了磁屏蔽磁屏蔽。精密探头、显象管等都需要磁屏蔽。精密探头、显象管等都需要磁屏蔽。铁管（铁管（ 板面）板面）磁感应线沿铁走，铁磁感应线沿铁走，铁磁质有聚集磁感应线磁质有聚集磁感应线于其内部的性质。于其内部的性质。 r铁铁 1