電磁學-第7章磁介質(zhì)

1、第七章第七章 磁介質(zhì)磁介質(zhì) 1 磁介質(zhì)磁介質(zhì)存在時存在時靜靜磁磁場場的基本規(guī)律的基本規(guī)律2 順磁性順磁性與抗磁性與抗磁性3 鐵磁性鐵磁性與鐵磁質(zhì)與鐵磁質(zhì)4 磁路磁路及其計算及其計算5 磁場的能量和能量密度磁場的能量和能量密度1 磁介質(zhì)存在時磁介質(zhì)存在時靜靜磁磁場場的基本規(guī)律的基本規(guī)律(2) (2) 解釋解釋現(xiàn)象現(xiàn)象(1) 分子電流觀點分子電流觀點2. 用用分子電流觀點解釋磁化現(xiàn)象分子電流觀點解釋磁化現(xiàn)象1. 磁化現(xiàn)象磁化現(xiàn)象一、磁介質(zhì)的磁化一、磁介質(zhì)的磁化 磁化強度磁化強度在磁場的作用在磁場的作用下能下能發(fā)生發(fā)生變化并變化并能夠能夠影響磁場的物質(zhì)叫影響磁場的物質(zhì)叫磁介質(zhì)磁介質(zhì)，磁介質(zhì)磁介質(zhì)在磁

2、場的作用下能在磁場的作用下能發(fā)生發(fā)生變化變化稱為稱為磁化磁化。 設(shè)螺設(shè)螺線管線管內(nèi)內(nèi)充滿均勻磁介質(zhì)，充滿均勻磁介質(zhì)，發(fā)生均勻磁化發(fā)生均勻磁化，磁介質(zhì)內(nèi)部分子磁介質(zhì)內(nèi)部分子電流的效應(yīng)相互抵消，磁介質(zhì)表電流的效應(yīng)相互抵消，磁介質(zhì)表面相當于有一層面電流通過，這面相當于有一層面電流通過，這是因為磁化而出現(xiàn)的宏觀電流，是因為磁化而出現(xiàn)的宏觀電流，叫做叫做磁化電流磁化電流。 除除磁化電流之外的電流叫做磁化電流之外的電流叫做傳傳導電流導電流。BBB03. 3. 磁化磁化的的描述描述mpMV其單位為：其單位為： 米安米米安1132常用：常用： mMn pn i s分其中其中n單位體積內(nèi)的磁分子數(shù)。單位體積內(nèi)的

3、磁分子數(shù)。 討論討論 常矢；對于均勻磁化，有；對于真空中，有；有當磁介質(zhì)未被磁化時，MMM00單位體積內(nèi)磁分子的分子磁矩之矢量和，單位體積內(nèi)磁分子的分子磁矩之矢量和，即即定義為：定義為：二、磁化電流二、磁化電流 磁介質(zhì)磁介質(zhì)體內(nèi)體內(nèi) cosmdInI AdlM dl 因此，穿過因此，穿過S S面的面的總磁化電流總磁化電流為為注注 根據(jù)斯托克斯公式根據(jù)斯托克斯公式: : SqP dS 對應(yīng) 兩磁介質(zhì)兩磁介質(zhì)分界面處磁化面電流分界面處磁化面電流分布分布磁介質(zhì)磁介質(zhì) 1 磁介質(zhì)磁介質(zhì) 2 nelit1MN2Mt ll圖圖7-27-2 212211sinsinttIMlMlMlMl 2211sinsi

4、nIMMl 磁化磁化面電流密度（單位長度上的電流）：面電流密度（單位長度上的電流）：12sinnMeMe 磁化面電流示例：磁化面電流示例： Z 圖圖7-37-3 ）均勻磁化長條形棒（如：圓柱形）均勻磁化長條形棒（如：圓柱形）X 圖圖7-47-4介質(zhì)介質(zhì)內(nèi)總磁場：內(nèi)總磁場：/0BBB1. 1. 高斯定理高斯定理2. 2. 安培環(huán)路定理安培環(huán)路定理0 0LB dlI由第五章知：由第五章知：00()LB dlII介質(zhì)內(nèi)總磁場介質(zhì)內(nèi)總磁場滿足滿足：00()LIM dl即即00LBMdlI得磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理得磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理( (1) 1) 介質(zhì)介質(zhì)內(nèi)的總場決定磁化狀態(tài)內(nèi)的總場決定磁化狀態(tài)。

5、說明說明：四、介質(zhì)的四、介質(zhì)的磁化率磁化率與與磁導率磁導率( , , )000 (0)mmmmmmmMHHx y zMHMHM為純數(shù)、同量綱），線性時與無關(guān)，但可正：，順磁質(zhì)，與同向可正負負：，抗磁質(zhì)，與反向真空下， 即；均勻時常數(shù)00, , ,11010 11rrrrrmrrmrrx y zBHBBBHBB一般地：（）。對于真空；對于均勻介質(zhì)常數(shù)。（即），順磁質(zhì)， 與同向，與同向。（即），抗磁質(zhì)， 與反向，與反向。（弱磁質(zhì)）。只有鐵磁質(zhì)（非線性）。解：環(huán)內(nèi)取一點，作與環(huán)同心的解：環(huán)內(nèi)取一點，作與環(huán)同心的圓周環(huán)路圓周環(huán)路，由由安培環(huán)路定理安培環(huán)路定理得得LNIHll dH0對環(huán)外取一點作類似環(huán)

6、路，可得到環(huán)外的點有對環(huán)外取一點作類似環(huán)路，可得到環(huán)外的點有0BHB2R1RLr每匝的自感每匝的自感磁通磁通：SnIBS0自整個螺繞環(huán)的自感整個螺繞環(huán)的自感磁鏈磁鏈：2200Nn lSIn VI 自自自感自感：空心螺繞環(huán)的空心螺繞環(huán)的自感自感：VnL200五五、靜磁場與靜電場方程的對比靜磁場與靜電場方程的對比靜磁場靜磁場靜電場靜電場作業(yè)作業(yè)P320：7.1.2、7.1.4、7.1.72 順磁性與抗磁性順磁性與抗磁性一、順磁性一、順磁性各種磁介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不完全相同各種磁介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不完全相同，按，按磁性可將介磁性可將介質(zhì)分為質(zhì)分為二二類類:第一類分子，各電子磁矩不完全抵消，整個分子存第一類分

7、子，各電子磁矩不完全抵消，整個分子存在固有磁矩。第二類分子中，各電子磁矩互相抵消，在固有磁矩。第二類分子中，各電子磁矩互相抵消，分子的固有磁矩為零。分子的固有磁矩為零。 圖圖7-57-5 r e i 0mp0二、抗磁性二、抗磁性 抗磁性抗磁性起因于電子軌道運動在外起因于電子軌道運動在外磁場作用下的變化磁場作用下的變化。經(jīng)典物理解釋經(jīng)典物理解釋：200eTeI02202errIpm 抗磁性抗磁性存在于一切磁介質(zhì)中，只是如果順磁性存在于一切磁介質(zhì)中，只是如果順磁性超過抗磁性就成為順磁質(zhì)。順磁性弱于抗磁性則是超過抗磁性就成為順磁質(zhì)。順磁性弱于抗磁性則是抗磁質(zhì)?？勾刨|(zhì)。3 鐵磁性與鐵鐵磁性與鐵磁磁質(zhì)質(zhì)

8、一、一、鐵鐵磁質(zhì)的磁化性能磁質(zhì)的磁化性能研究鐵磁質(zhì)磁化規(guī)律的實驗裝置如圖所研究鐵磁質(zhì)磁化規(guī)律的實驗裝置如圖所示示：其中其中I0由由電流表測出，電流表測出，n已知，則可知已知，則可知H ；而而R、決定決定I0，故故改變改變R、 即可改變即可改變H（包括改變電源的極性連接包括改變電源的極性連接）。）。 R K 原原 副副 G N1 N2 I0 圖圖7-87-8SNB2測得磁通，再由已知副線圈匝數(shù)、截面積，便可測得磁通，再由已知副線圈匝數(shù)、截面積，便可得得B B。測各對應(yīng)的測各對應(yīng)的B B，描點作圖即可研究樣品鐵磁質(zhì)的描點作圖即可研究樣品鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律。磁化規(guī)律。 開始應(yīng)使樣品處于未磁化狀態(tài)：因磁

9、化與歷史有開始應(yīng)使樣品處于未磁化狀態(tài)：因磁化與歷史有關(guān)，為方便研究，要求在研究前應(yīng)除去已有磁性，關(guān)，為方便研究，要求在研究前應(yīng)除去已有磁性，方法為方法為: : 2.2.起始磁化曲線起始磁化曲線 起始磁化曲線： B O A 非線性 線性區(qū) S C HS H 圖7-9 如圖7-10(a)所示。 關(guān)系基礎(chǔ)上研究關(guān)系可在至于HBHMMOA C B S H MS 圖7-10 (a) 注3.磁滯回線Q S C HC O B R BR B1 B1 H1 S HS 退磁段 反向磁化 正向磁化 圖7-11 此曲線為磁化一周的情況，閉合曲線被稱為此曲線為磁化一周的情況，閉合曲線被稱為磁滯回線磁滯回線。 (1)“磁

10、滯”的含義指： 1111BBBBHHHs成為，而是高于不減至，減至由說明S 這種這種“跟不上跟不上”并非時間上滯后，是非線性、非單值所致。并非時間上滯后，是非線性、非單值所致。 (2) (2) 上述回線為對應(yīng)上述回線為對應(yīng)頂點頂點S S和和S S之之最大磁滯回線，最大磁滯回線，當當H H達不到達不到HsHs而而即減小時，回線也即減小時，回線也小（如下圖）。小（如下圖）。BHS0圖圖7-127-12綜上可見：鐵磁綜上可見：鐵磁質(zhì)質(zhì)M、B與與H的的關(guān)系的的關(guān)系不但非線性，不但非線性，而且非單值而且非單值。 M、B的的數(shù)值除了與數(shù)值除了與數(shù)值數(shù)值H有有關(guān)外，還關(guān)外，還決定于該介質(zhì)的磁化歷史。決定于該

11、介質(zhì)的磁化歷史。 鐵芯在交變磁場中有能量損耗鐵芯在交變磁場中有能量損耗鐵損。鐵損包括鐵損。鐵損包括兩個兩個方面：方面：4. 4. 磁滯損耗磁滯損耗。被外場反復磁化所耗能磁滯損耗：起因于鐵芯渦流損耗：5 5. . 對鐵磁質(zhì)適應(yīng)和不適應(yīng)的結(jié)論對鐵磁質(zhì)適應(yīng)和不適應(yīng)的結(jié)論P300 表表7-1.磁性主要來源與電子自旋磁矩磁性主要來源與電子自旋磁矩。二二、鐵磁質(zhì)分類及微觀結(jié)構(gòu)簡介鐵磁質(zhì)分類及微觀結(jié)構(gòu)簡介1. 分類分類按按矯頑力矯頑力Hc 的大小劃分的大小劃分：2. 微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu) 作業(yè)：作業(yè)：P321：7.3.1跨過兩磁介質(zhì)的分界面，將磁場方程跨過兩磁介質(zhì)的分界面，將磁場方程lSIl dHSdB00用于

12、界面可得到兩側(cè)磁場量之間的關(guān)系，即磁場方程用于界面可得到兩側(cè)磁場量之間的關(guān)系，即磁場方程的邊界形式的邊界形式邊界條件。邊界條件。 21h (h0)S2=SS1= SnnBBBBn2112,0)(或4 邊界條件邊界條件 磁路及其計算磁路及其計算一、磁介質(zhì)的邊界條件一、磁介質(zhì)的邊界條件也可寫成也可寫成 0)(12HHn2 1 H H2t2t H1t h (0)1212()0, ttH H tHH 或2 1 2 2 1 1 1 2 ，或，或 2211tgtg2121tgtg2 1 鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì) 1B圖圖7-177-17 (2) (2) 沿磁路選取積分回路沿磁路選取積分回路-串聯(lián)回路為例串聯(lián)回路為例0

13、iBi iii iiBliiiiiiiiiBllNIH dlH llSS二、磁路定理二、磁路定理1. 磁路磁路2. 磁路磁路定理定理lSIldHSdB00（場論（場論路論）路論）(1) (1) 基礎(chǔ)基礎(chǔ)串聯(lián)磁通相等串聯(lián)磁通相等0mNI安匝-1HimiiilRSmiBiiRlH其中各段的磁通相同。定義：其中各段的磁通相同。定義： 磁動勢磁動勢 磁磁 阻阻 磁勢降磁勢降 所以所以 imiBmR并聯(lián)、串聯(lián)規(guī)律同于電學相應(yīng)規(guī)律，只需作如下對換：并聯(lián)、串聯(lián)規(guī)律同于電學相應(yīng)規(guī)律，只需作如下對換： 磁磁 電電 mIBmRR類似問題，如回路類似問題，如回路磁勢定律磁勢定律、節(jié)點磁通、節(jié)點磁通定律等定律等。 3

14、討論討論解：磁路的總磁阻為解：磁路的總磁阻為0517311102600 4103 10mrllRSSH 磁路的磁動勢磁路的磁動勢353 1010300mmmR 安匝線圈應(yīng)通的電流線圈應(yīng)通的電流3001300mIAN解解：以以Rm1和和Rm2分別代表鐵心及氣隙分別代表鐵心及氣隙的磁阻，開氣隙后鐵心長度變化很小的磁阻，開氣隙后鐵心長度變化很小， Rm1=Rm=105H-1,磁動勢磁動勢3512273022 104 104104 10mlRHS 總磁阻總磁阻1521105HRRRmmm353 105 101500mmR 安匝所以線圈電流應(yīng)增為所以線圈電流應(yīng)增為ANIm53001500(1) (1) 電能定域于電場中，電能定域于電場中， ； EDwe21出發(fā)點：自感線圈儲能出發(fā)點：自感線圈儲能 221LIWm12mmWwHBV(1