第11章磁場中的磁介質(zhì)

會計學(xué)1第11章磁場中的磁介質(zhì)③鐵磁介質(zhì)

鐵磁介質(zhì)中產(chǎn)生的附加磁場

與外場

方向相同，但磁介質(zhì)中的場

要遠(yuǎn)比外場

大，是外場的幾百倍到幾萬倍。如金屬鋼、鐵、鈷、鎳等。第1頁/共26頁二、磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理1.磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理在真空中的安培環(huán)路定理中：在介質(zhì)中：傳導(dǎo)電流有磁介質(zhì)的總磁場磁化電流RIBHrI’第2頁/共26頁在介質(zhì)中：傳導(dǎo)電流有磁介質(zhì)的總磁場定義：磁場強(qiáng)度

在各向同性均勻介質(zhì)中：磁化電流可象研究電介質(zhì)與電場的相互影響一樣，通過引入適當(dāng)?shù)奈锢砹考右院喕５?頁/共26頁定義：磁場強(qiáng)度磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理：磁場強(qiáng)度沿閉合路徑的線積分，等于環(huán)路所包圍的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和，而與磁化電流無關(guān)。

①是一輔助物理量，描述磁場的基本物理量仍然是。是為消除磁化電流的影響而引入的，2.明確幾點(diǎn)：

和的名字張冠李戴了。磁介質(zhì)中的環(huán)路定理②磁場強(qiáng)度的單位：安培/米，A/m③

是環(huán)路內(nèi)、外電流共同產(chǎn)生的。第4頁/共26頁電介質(zhì)中的高斯定理磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理第5頁/共26頁3.應(yīng)用介質(zhì)中安培環(huán)路定理解題方法(4)由由求B求H；(1)場對稱性分析；(2)選取環(huán)路；(3)求環(huán)路內(nèi)傳導(dǎo)電流的代數(shù)和

Ic；第6頁/共26頁例1：長直螺線管半徑為R，通有電流

I，線圈密度為n

,管內(nèi)插有半徑為

r,相對磁導(dǎo)率為r

磁介質(zhì)，求介質(zhì)內(nèi)和管內(nèi)真空部分的磁感應(yīng)強(qiáng)度

B

。解：

由螺線管磁場分布可知，管內(nèi)場各處均勻一致，管外場為零RIBHrabcd1.介質(zhì)內(nèi)部

作abcda

矩形回路。在環(huán)路上應(yīng)用介質(zhì)中的環(huán)路定理：∵在bc和da段路徑上回路內(nèi)的傳導(dǎo)電流代數(shù)和為：第7頁/共26頁因cd段在真空中，真空中B=0

則有IBHabcd2.管內(nèi)真空中作環(huán)路

abcda

;在環(huán)路上應(yīng)用介質(zhì)中的安培環(huán)路定理，同理有：真空中abcd第8頁/共26頁例2

如圖所示，一半徑為R1的無限長圓柱導(dǎo)體（導(dǎo)體≈

0

）中均勻地通有電流I，在它外面有半徑為R2的無限長同軸圓柱面，兩者之間充滿著磁導(dǎo)率為的均勻磁介質(zhì)，在圓柱面上通有相反方向的電流I。試求（1）圓柱體外圓柱面內(nèi)一點(diǎn)的磁場；（2）圓柱體內(nèi)一點(diǎn)磁場；（3）圓柱面外一點(diǎn)的磁場。解（1）當(dāng)兩個無限長的同軸圓柱體和圓柱面中有電流通過時，它們所激發(fā)的磁場是軸對稱分布的，而磁介質(zhì)亦呈軸對稱分布，因而不會改變場的這種對稱分布。設(shè)圓柱體外圓柱面內(nèi)一點(diǎn)到軸的垂直距離是r1，以r1為半徑作一圓，取此圓為積分回路，根據(jù)安培環(huán)路定理有IIIR1R2r2r1r3第9頁/共26頁（2）設(shè)在圓柱體內(nèi)一點(diǎn)到軸的垂直距離是r2，則以r2為半徑作一圓，根據(jù)安培環(huán)路定理有

式中是該環(huán)路所包圍的電流部分，由此得IIIR1R2r2r1r3由B＝

H，得

（3）在圓柱面外取一點(diǎn)，它到軸的垂直距離是r3，以r3為半徑作一圓，根據(jù)安培環(huán)路定理,考慮到環(huán)路中所包圍的電流的代數(shù)和為零，所以得即或第10頁/共26頁11-2鐵磁質(zhì)第11頁/共26頁磁介質(zhì)的磁化機(jī)制

類似電介質(zhì)的討論，從物質(zhì)電結(jié)構(gòu)來說明磁性的起源。NS相當(dāng)于一磁偶極子

整個分子磁矩是其中各個電子的軌道磁矩和自旋磁矩以及核的自旋磁矩的矢量和（核的自旋磁矩常可忽略）。

原子中電子參與兩種運(yùn)動：自旋及繞核的軌道運(yùn)動，對應(yīng)有軌道磁矩和自旋磁矩。順磁質(zhì)：由具有固有磁矩的分子組成。分子中各電子的磁矩不完全抵消，整個分子具有一定的固有磁矩?？勾刨|(zhì)：分子中各電子的磁矩完全抵消，整個分子無固有磁矩第12頁/共26頁（1）順磁質(zhì)的磁化機(jī)制

磁介質(zhì)是由大量分子或原子組成，無外場時，順磁質(zhì)分子的磁矩排列雜亂無章，介質(zhì)內(nèi)分子磁矩的矢量和有外磁場時，這些分子固有磁矩就要受到磁場的力矩作用，力矩的方向力圖使分子磁矩的方向沿外場轉(zhuǎn)向。分子磁矩的矢量和:從介質(zhì)橫截面看，介質(zhì)內(nèi)分子電流兩兩反向，相互抵消。導(dǎo)體邊緣分子電流同向,未被抵消的分子電流沿柱面流動

等效Is⊙分子電流可等效成磁介質(zhì)表面的磁化電流Is，Is產(chǎn)生附加磁場。磁化電流Is可產(chǎn)生附加磁場，但無熱效應(yīng)，因無宏觀電荷移動，磁化電流束縛在介質(zhì)表面，也稱為束縛電流。第13頁/共26頁（2）抗磁質(zhì)的磁化機(jī)制

對抗磁介質(zhì)來說，無外磁場時，各電子磁矩矢量和為0，分子磁矩,分子不顯磁性。

抗磁材料在外磁場的作用下，磁體內(nèi)任意體積元中大量分子或原子的附加磁矩的矢量和有一定的量值，結(jié)果在磁體內(nèi)激發(fā)一個和外磁場方向相反的附加磁場，這就是抗磁性的起源。它是一切磁介質(zhì)所共有的性質(zhì)。

同理，分子電流可等效成磁介質(zhì)表面的磁化電流Is，Is產(chǎn)生附加磁場。Is等效⊕第14頁/共26頁②對于順磁介質(zhì)分子磁矩>電子附加磁矩，順磁效應(yīng)>抗磁效應(yīng)；③抗磁介質(zhì)中電子附加磁矩起主要作用，顯抗磁性。①抗磁性是一切磁介質(zhì)固有的特性，它不僅存在于抗磁介質(zhì)中，而且存在于順磁介質(zhì)中；明確幾點(diǎn)：第15頁/共26頁裝置：環(huán)形螺繞環(huán);鐵磁Fe,Co,Ni及稀釷族元素的化合物，能被強(qiáng)烈地磁化。

實驗測量B,如用感應(yīng)電動勢測量或用小線圈在縫口處測量；由得出曲線。原理:勵磁電流I;

用安培定理得H。當(dāng)外磁場變化一個周期時，鐵磁質(zhì)內(nèi)部的磁場變化曲線如圖所示；一、鐵磁質(zhì)的磁化曲線第16頁/共26頁起始磁化曲線為oc,BHoc當(dāng)外磁場減小時，介質(zhì)中的磁場并不沿起始磁化曲線返回，而是滯后于外磁場變化，HcBrHc當(dāng)外磁場為0時，介質(zhì)中的磁場并不為0，有一剩磁Br

;矯頑力——加反向磁場Hc，使介質(zhì)內(nèi)部的磁場為0，繼續(xù)增加反向磁場，介質(zhì)達(dá)到反向磁飽和狀態(tài)；改變外磁場為正向磁場，不斷增加外場，介質(zhì)又達(dá)到正向磁飽和狀態(tài)。磁化曲線形成一條磁滯回線。結(jié)論鐵磁質(zhì)的不是一個常數(shù)，它是的函數(shù)。B的變化落后于H，從而具有剩磁，即磁滯效應(yīng)?！艤F(xiàn)象。第17頁/共26頁

在無外磁場時，各磁疇排列雜亂無章，鐵磁質(zhì)不顯磁性；Bo(1)磁疇：鐵磁質(zhì)中由于原子的強(qiáng)烈作用，在鐵磁質(zhì)中形成磁場很強(qiáng)的小區(qū)域——磁疇。磁疇的體積約為10-12m3

。

在外磁場中，各磁疇沿外場轉(zhuǎn)向，介質(zhì)內(nèi)部的磁場迅速增加，在鐵磁質(zhì)充磁過程中伴隨著發(fā)聲、發(fā)熱。二、鐵磁質(zhì)的磁化機(jī)制第18頁/共26頁隨著外磁場增加，能夠提供轉(zhuǎn)向的磁疇越來越少，鐵磁質(zhì)中的磁場增加的速度變慢，最后外磁場再增加，介質(zhì)內(nèi)的磁場也不會增加，鐵磁質(zhì)達(dá)到磁飽和狀態(tài)。磁飽和狀態(tài)HBoabcd起始磁化曲線飽和磁化強(qiáng)度MS等于每個磁疇中原來的磁化強(qiáng)度，該值很大，這就是鐵磁質(zhì)磁性r大的原因。磁滯(hysteresis)現(xiàn)象是由于摻雜和內(nèi)應(yīng)力等的作用，當(dāng)撤掉外磁場時磁疇的疇壁很難恢復(fù)到原來的形狀，而表現(xiàn)出來。第19頁/共26頁(1)加熱法

當(dāng)鐵磁質(zhì)的溫度升高到某一溫度時，磁性消失，由鐵磁質(zhì)變?yōu)轫槾刨|(zhì)，該溫度為居里溫度tc

。當(dāng)溫度低于tc時，又由順磁質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁質(zhì)。鐵的居里溫度

tc=770°C；30%的坡莫合金居里溫度tc=70°C；

利用鐵磁質(zhì)具有居里溫度的特點(diǎn)，可將其制作溫控元件，如電飯鍋自動控溫。原因：由于加熱使磁介質(zhì)中的分子、原子的振動加劇，提供了磁疇轉(zhuǎn)向的能量，使鐵磁質(zhì)失去磁性。(2)敲擊法：通過振動可提供磁疇轉(zhuǎn)向的能量，使介質(zhì)失去磁性。如敲擊永久磁鐵會使磁鐵磁性減小。三、退磁方法第20頁/共26頁(4)加交變衰減的磁場：使介質(zhì)中的磁場逐漸衰減為0，應(yīng)用在錄音機(jī)中的交流抹音磁頭中。(3)加反向磁場：提供一個矯頑力Hc,使鐵磁質(zhì)退磁。(1)軟磁材料磁滯回線細(xì)長，剩磁很小。象軟鐵、坡莫合金、硒鋼片、鐵鋁合金、鐵鎳合金等。

由于軟磁材料磁滯損耗小，適合用在交變磁場中，如變壓器鐵芯、繼電器、電動機(jī)轉(zhuǎn)子、定子都是用軟件磁性材料制成。(2)硬磁性材料

磁滯回線較粗，剩磁很大，這種材料充磁后不易退磁，適合做永久磁鐵。如碳鋼、鋁鎳鈷合金和鋁鋼等?？捎迷诖烹娛诫姳怼⒂来艙P(yáng)聲器、耳機(jī)以及雷達(dá)中的磁控管等。四、鐵磁材料分類第21頁/共26頁(3)非金屬氧化物----鐵氧體

磁滯回線呈矩形，又稱矩磁材料，剩磁接近于磁飽合磁感應(yīng)強(qiáng)度，具有高磁導(dǎo)率、高電阻率。

它是由Fe2O3和其他二價的金屬氧化物（如NiO，ZnO等粉末混合燒結(jié)而成。

可作磁性記憶元件。1911年，荷蘭物理學(xué)家H·K·昂納斯及其助手首先發(fā)現(xiàn)在溫度降至液氦的沸點(diǎn)（4.2K）以下時，水銀的電阻為0。五、超導(dǎo)體在低溫下某些物質(zhì)失去電阻的性質(zhì)，成為超導(dǎo)體。1913年昂納斯因他在低溫物理和超導(dǎo)領(lǐng)域所做的杰出貢獻(xiàn)，獲諾貝爾物理學(xué)獎。第22頁/共26頁1.超導(dǎo)體的基本性質(zhì)：（1）零電阻率

超導(dǎo)體在臨界溫度以下時，電阻為零，所以它可以通過很大的電流，而幾乎無熱損耗。（2）邁斯納效應(yīng)——完全抗磁性

1933年德國物理學(xué)家W.邁斯納發(fā)現(xiàn)：將超導(dǎo)體放入磁場中，表面產(chǎn)生超導(dǎo)電流，超導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場與外磁場抵消，使超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0。NmgF

超導(dǎo)體在磁場中由于超導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場與外磁場的斥力作用，使超導(dǎo)體可懸浮在空中。第23頁/共26頁

由于超導(dǎo)體內(nèi)電阻為0，超導(dǎo)電流不會產(chǎn)生熱量，超導(dǎo)電流也就不會消失，超導(dǎo)體一直會懸浮在磁場中。超導(dǎo)重力儀:用來預(yù)測地震，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生之前，地表面的重力場會發(fā)生變化，超導(dǎo)球的位置也會發(fā)生變化，由此預(yù)測地震。超導(dǎo)磁懸浮列車:磁懸浮列車時速超過500公里/小時。2.超導(dǎo)體的應(yīng)用

無損耗輸電:傳統(tǒng)輸電中要產(chǎn)生焦耳熱損耗，在10%~20%，采用超導(dǎo)體輸電，幾乎沒有電能損失，而且不需要升壓，可以不用變壓器設(shè)備，也不必架設(shè)高壓線，可以在地下管道中。甚至可以直接傳輸直流電。第24頁/共26頁