第11章磁場(chǎng)中的磁介質(zhì)

會(huì)計(jì)學(xué)1第11章磁場(chǎng)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(chǎng)

與外場(chǎng)

方向相同，但磁介質(zhì)中的場(chǎng)

要遠(yuǎn)比外場(chǎng)

大，是外場(chǎng)的幾百倍到幾萬(wàn)倍。如金屬鋼、鐵、鈷、鎳等。第1頁(yè)/共26頁(yè)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(chǎng)磁化電流RIBHrI’第2頁(yè)/共26頁(yè)在介質(zhì)中：傳導(dǎo)電流有磁介質(zhì)的總磁場(chǎng)定義：磁場(chǎng)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(chǎng)的相互影響一樣，通過(guò)引入適當(dāng)?shù)奈锢砹考右院?jiǎn)化。第3頁(yè)/共26頁(yè)定義：磁場(chǎng)強(qiáng)度磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理：磁場(chǎng)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(wú)關(guān)。

①是一輔助物理量，描述磁場(chǎng)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(chǎng)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(yè)/共26頁(yè)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(yè)/共26頁(yè)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(chǎng)對(duì)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(yè)/共26頁(yè)例1：長(zhǎng)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(duì)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(chǎng)分布可知，管內(nèi)場(chǎng)各處均勻一致，管外場(chǎng)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(yè)/共26頁(yè)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(yè)/共26頁(yè)例2

如圖所示，一半徑為R1的無(wú)限長(zhǎng)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(wú)限長(zhǎng)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(chǎng)；（2）圓柱體內(nèi)一點(diǎn)磁場(chǎng)；（3）圓柱面外一點(diǎn)的磁場(chǎng)。解（1）當(dāng)兩個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的同軸圓柱體和圓柱面中有電流通過(guò)時(shí)，它們所激發(fā)的磁場(chǎng)是軸對(duì)稱分布的，而磁介質(zhì)亦呈軸對(duì)稱分布，因而不會(huì)改變場(chǎng)的這種對(duì)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(yè)/共26頁(yè)（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(yè)/共26頁(yè)11-2鐵磁質(zhì)第11頁(yè)/共26頁(yè)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(lái)說(shuō)明磁性的起源。NS相當(dāng)于一磁偶極子

整個(gè)分子磁矩是其中各個(gè)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?？珊雎裕?。

原子中電子參與兩種運(yùn)動(dòng)：自旋及繞核的軌道運(yùn)動(dòng)，對(duì)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(gè)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(gè)分子無(wú)固有磁矩第12頁(yè)/共26頁(yè)（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(wú)外場(chǎng)時(shí)，順磁質(zhì)分子的磁矩排列雜亂無(wú)章，介質(zhì)內(nèi)分子磁矩的矢量和有外磁場(chǎng)時(shí)，這些分子固有磁矩就要受到磁場(chǎng)的力矩作用，力矩的方向力圖使分子磁矩的方向沿外場(chǎng)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(dòng)

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(chǎng)。磁化電流Is可產(chǎn)生附加磁場(chǎng)，但無(wú)熱效應(yīng)，因無(wú)宏觀電荷移動(dòng)，磁化電流束縛在介質(zhì)表面，也稱為束縛電流。第13頁(yè)/共26頁(yè)（2）抗磁質(zhì)的磁化機(jī)制

對(duì)抗磁介質(zhì)來(lái)說(shuō)，無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)，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(chǎng)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(gè)和外磁場(chǎng)方向相反的附加磁場(chǎng)，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(chǎng)。Is等效⊕第14頁(yè)/共26頁(yè)②對(duì)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(yè)/共26頁(yè)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(shí)驗(yàn)測(cè)量B,如用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)量或用小線圈在縫口處測(cè)量；由得出曲線。原理:勵(lì)磁電流I;

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

;矯頑力——加反向磁場(chǎng)Hc，使介質(zhì)內(nèi)部的磁場(chǎng)為0，繼續(xù)增加反向磁場(chǎng)，介質(zhì)達(dá)到反向磁飽和狀態(tài)；改變外磁場(chǎng)為正向磁場(chǎng)，不斷增加外場(chǎng)，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(gè)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(yè)/共26頁(yè)

在無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)，各磁疇排列雜亂無(wú)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(chǎng)很強(qiáng)的小區(qū)域——磁疇。磁疇的體積約為10-12m3

。

在外磁場(chǎng)中，各磁疇沿外場(chǎng)轉(zhuǎn)向，介質(zhì)內(nèi)部的磁場(chǎng)迅速增加，在鐵磁質(zhì)充磁過(guò)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(yè)/共26頁(yè)隨著外磁場(chǎng)增加，能夠提供轉(zhuǎn)向的磁疇越來(lái)越少，鐵磁質(zhì)中的磁場(chǎng)增加的速度變慢，最后外磁場(chǎng)再增加，介質(zhì)內(nèi)的磁場(chǎng)也不會(huì)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(gè)磁疇中原來(lái)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(chǎng)時(shí)磁疇的疇壁很難恢復(fù)到原來(lái)的形狀，而表現(xiàn)出來(lái)。第19頁(yè)/共26頁(yè)(1)加熱法

當(dāng)鐵磁質(zhì)的溫度升高到某一溫度時(shí)，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(shí)，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?zhàn)詣?dòng)控溫。原因：由于加熱使磁介質(zhì)中的分子、原子的振動(dòng)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(guò)振動(dòng)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(huì)使磁鐵磁性減小。三、退磁方法第20頁(yè)/共26頁(yè)(4)加交變衰減的磁場(chǎng)：使介質(zhì)中的磁場(chǎng)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(chǎng)：提供一個(gè)矯頑力Hc,使鐵磁質(zhì)退磁。(1)軟磁材料磁滯回線細(xì)長(zhǎng)，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(chǎng)中，如變壓器鐵芯、繼電器、電動(dòng)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?、永磁揚(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(yè)/共26頁(yè)(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(jià)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(shí)，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(jiǎng)。第22頁(yè)/共26頁(yè)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(shí)，電阻為零，所以它可以通過(guò)很大的電流，而幾乎無(wú)熱損耗。（2）邁斯納效應(yīng)——完全抗磁性

1933年德國(guó)物理學(xué)家W.邁斯納發(fā)現(xiàn)：將超導(dǎo)體放入磁場(chǎng)中，表面產(chǎn)生超導(dǎo)電流，超導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)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(chǎng)中由于超導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)的斥力作用，使超導(dǎo)體可懸浮在空中。第23頁(yè)/共26頁(yè)

由于超導(dǎo)體內(nèi)電阻為0，超導(dǎo)電流不會(huì)產(chǎn)生熱量，超導(dǎo)電流也就不會(huì)消失，超導(dǎo)體一直會(huì)懸浮在磁場(chǎng)中。超導(dǎo)重力儀:用來(lái)預(yù)測(cè)地震，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生之前，地表面的重力場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，超導(dǎo)球的位置也會(huì)發(fā)生變化，由此預(yù)測(cè)地震。超導(dǎo)磁懸浮列車:磁懸浮列車時(shí)速超過(guò)500公里/小時(shí)。2.超導(dǎo)體的應(yīng)用

無(wú)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(méi)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(yè)/共26頁(yè)