大學物理：13第十三講　磁介質

1、1,磁 介 質,2,在磁場中能被磁化的物質叫磁介質。 一切實物在磁場中都會產生一定程度的磁化。 被磁化的物質反過來又會影響原來磁場,介質中總磁場,7-4 磁介質及其磁化,定義介質的相對磁導率,真空,一、磁介質,3,二、磁介質分類,1.順磁質：弱磁性,與 同向 但,2.抗磁質：弱磁性,3.鐵磁質：介質磁化后呈強磁性,與 同向 且,4.完全抗磁體：磁介質內的磁場等于零,如超導體,與 反向 但,4,5,二、順磁質和抗磁質的磁化,1.分子磁矩（分子固有磁矩,其中軌道運動等效電流,自旋磁矩由量子力學的規(guī)律確定,分子磁矩 等于分子中所有電子磁矩 的矢量和,電子繞核運動的軌道磁矩,電子的自旋磁矩,6,兩類磁

2、介質的微觀機制,順磁質（有極磁介質）分子的固有磁矩不為零,抗磁質（無極磁介質）分子的固有磁矩為零,當無外磁場時，上述兩類磁介質對外都不顯示 磁性。（順磁質分子磁矩隨機取向,通常分子或原子中所含電子數目為奇數,分子或原子中所含電子數目為偶數,7,順磁質的磁化,2.兩類磁介質的磁化,順磁質分子固有磁矩不為零,無外場時,加外場時，分子磁矩受力矩,力矩的作用使 沿外場方向取向，從而使,因而出現(xiàn)一與外場同方向的附加磁場B,8,抗磁質的磁化,分子磁矩為零，磁化由電子磁矩繞外場進動所致,電子磁矩所受磁力矩,由角動量定理,的產生使電子磁矩繞外磁場進動,電子的拉莫進動,電子磁矩與角動量反向，所以當角動量繞外場進

3、動時，電子磁矩必沿反方向繞外磁場進動,9,電子磁矩繞磁場進動時產生的附加磁矩 總是與外場 反向，說明附加磁矩總是減弱外磁場,抗磁質的磁化續(xù),結論：抗磁質分子固有磁矩,但由于在外場中出現(xiàn)一與外場反向的附加磁矩,所以,附加磁場 由附加磁矩 產生，兩者同向.,抗磁性,注：順磁質在外場中也產生 ，但,10,在外場中進動產生,順磁質,抗磁質,磁介質（弱磁質）磁化過程總結,固有磁矩,固有磁矩,在外場中,所以在順磁質中主要是分子固有磁矩的取向磁化,取向與 相同,取向與 相反,11,三、磁化強度矢量,順磁質,定義：在磁介質某點單位體積內的分子磁矩矢量和稱為該點的磁化強度矢量,抗磁質,物理意義描述物質磁化的程度

4、和狀態(tài)。磁化程度越高，M 的值就越大,真空中,與 同向,與 反向,12,對于各向同性的均勻介質，其內部各分子電流相互抵消，而在介質表面，各分子電流相互疊加，在磁化圓柱表面出現(xiàn)一宏觀電流層，好象一個載流螺線管，稱為磁化面電流,磁化電流,對于各向異性磁介質,其內部還有磁化電流,介質磁化 磁化電流I 磁化磁場B,13,磁化強度矢量M與磁化電流I的關系,磁化強度矢量沿任意閉合回路L的線積分等于穿過該回路面積的總磁化電流，即,M與面磁化電流密度的關系,因,所以數值,但兩者方向不同,14,磁化電流與傳導電流比較,傳導電流 載流子的定向流動，是電荷宏觀遷移的結果。 磁化電流 分子電流規(guī)則排列的宏觀反映，與電

5、荷的定向運動無關。 磁化電流不能傳導，其中電子都被限制在分子范圍內運動而無宏觀遷移（故稱為束縛電流）。 傳導電流要產生焦耳熱，而磁化電流沒有熱效應 。 相同之處：都可以產生磁場，且遵從電流產生磁場的基本規(guī)律（如畢-薩定律,15,有介質時的總磁場,由安培環(huán)路定理有,傳導電流I產生； 磁化電流I產生,16,一、磁介質中的安培環(huán)路定理,7-5 磁介質中的高斯定理和安培環(huán)路定理,定義磁場強度矢量,則由,磁場強度 H沿任一閉合回路的環(huán)路積分，等于穿過回路所圍面積的傳導電流的代數和，而與磁介質中的磁化電流無關,磁介質中的安培環(huán)路定理,17,磁導率。真空中： 弱磁質中,實驗指出：在各向同性線性磁介質中,比例

6、系數m稱為“磁化率,令磁介質的相對磁導率,則,18,例：無限長載流直導線的磁場強度,長直載流螺線管內部,因B ，所以在各向同性線性磁介質中，H 與介質的磁性無關,所以，利用磁介質中的安培環(huán)路定理來計算磁場強度，便可以不考慮介質磁性的作用,19,曲線具有可逆性,非磁性材料（弱磁質）的磁化曲線,為一常數， 曲線為一直線,其斜率,20,二、磁介質中的高斯定理,說明,對任何磁性物質均成立,安培環(huán)路定理是磁場的基本方程，普遍適用,對各向異性介質，如鐵磁質中，B與H之間不再是線性關系，此時 不為常量,僅適用于各向同性磁介質,意義：無論由何產生，磁場均為渦旋場,例：求如圖所示的無限長載流圓柱體內外的磁感應強

7、度。設其半徑為R，磁導率為1，電流I沿截面均勻分布，周圍介質的磁導率為2,21,解：根據電流的軸對稱性知內外磁場分布具有軸對稱性。作半徑為r的安培環(huán)路,內部,方向：沿L的切向且與I成右旋關系,22,方向：沿L的切向且與I成右旋關系,柱外,23,鐵磁質,鐵磁質是指 的磁性物質，又稱為磁性材料,在外磁場的作用下能產生很強的磁化場,存在剩磁，撤去外場后，仍能保持磁化狀態(tài),存在臨界溫度Tc（稱為居里溫度或居里點）。溫度在Tc以上時，鐵磁性完全消失而成為順磁質。不同的鐵磁質有不同的居里溫度Tc,相對磁導率和磁化率不是常數，而是隨外磁場的變化而變化； 具有磁滯現(xiàn)象， 之間為非線性關系,鐵磁質的特性,24,

8、主要裝置：螺繞環(huán)；繞于鐵磁質如Fe、Co、Ni 及稀釷族元素的化合物等能被強烈磁化的物質上,實驗測量B，如用感應電動勢測量或用小線圈在縫口處測量，得出 關系,由 得出 曲線,原理：通勵磁電流 I；用安培定理得,一、鐵磁性材料的磁化規(guī)律,磁化曲線的測量方法,25,前面已指出：只有在各向同性線性磁介質中才有關系,進而得到,說明,鐵磁質屬于各向異性磁介質，M與H之間不成正比，甚至不是單值函數。 當M與H是非線性單值函數時，仍可以利用上面的關系，但此時兩者之比（或者B與H之比）不再是常量。 這里對鐵磁質的分析就是基于兩者是單值函數的情況,26,1.磁化曲線,鐵磁質的r（也即）不是常量，它隨H的值而變。

9、 因此，B與H之間也不是簡單的正比關系,oa：起始段，B隨H增大；ab：直線段，B隨H而激增；S：飽和點，之后B不再隨H增加,27,2.磁滯回線,磁滯的作用使得當磁場強度減小到零時，磁感強度仍不為零。對應于H=0時的磁感應強度值Br，稱為剩余磁感強度 （簡稱剩磁,到達飽和點 S 后，當外磁場由 HS 逐漸減小時，磁感強度 B并不沿起始曲線 oS返回 ，而是沿曲線 Sr減小。這種B的變化落后于H的變化的現(xiàn)象，叫做磁滯現(xiàn)象，簡稱磁滯,使B=0所需加的反向磁場值Hc稱為矯頑力,28,3.鐵磁性材料分類,軟磁材料,硬磁材料,矩磁材料,不同鐵磁性物質的磁滯回線形狀有很大差別,矯頑力小。適于制造電機、變壓

10、器等,矯頑力大。適用于制造永久磁鐵、磁電式儀表等,剩磁接近飽和值。適用于計算機等的記憶“存儲”元件,29,二、溫度對鐵磁質的影響,存在居里點使鐵磁質變?yōu)轫槾刨|的溫度,主要來源于電子的自旋磁矩,三、鐵磁質磁化的機制,磁疇結構：在鐵磁質內，由很強的原子間電子交換耦合作用，促使其自旋磁矩平行排列，形成自發(fā)的磁化區(qū)域 磁疇。 無外場時磁疇隨機取向，無磁性,30,在外磁場作用下，自發(fā)磁化磁矩與外磁場成小角度的磁疇體積逐漸擴大，而自發(fā)磁化磁矩與外磁場成較大角度的磁疇不斷被前者吞并。外磁場繼續(xù)增強時，與外磁場成較大角度的磁疇全部消失；留存的磁疇將向外磁場方向旋轉。再繼續(xù)增加磁場時，全部磁疇都沿外磁場方向整齊排列，磁化達到飽和,四、磁致伸縮 在交變磁場的作用下，某些鐵磁體的形狀