大學(xué)物理下第12章磁場(chǎng)中的磁介質(zhì)

磁場(chǎng)中的磁介質(zhì)第十二章12-1

磁介質(zhì)磁化強(qiáng)度磁介質(zhì)——能與磁場(chǎng)產(chǎn)生相互作用的物質(zhì)磁化——磁介質(zhì)在磁場(chǎng)作用下所發(fā)生的變化一、物質(zhì)磁性的概述RI無磁介質(zhì)時(shí)：RI磁介質(zhì)加入磁介質(zhì)后附加磁場(chǎng)根據(jù)的大小和方向可將磁介質(zhì)分為四大類RI錳、鉻、氮?dú)?---1）此種磁介質(zhì)稱為順磁質(zhì)RI銀、銅、氫….2）此種磁介質(zhì)稱為抗磁質(zhì)弱磁質(zhì)RI鐵、鈷、鎳及其合金3）此種磁介質(zhì)稱為鐵磁質(zhì)強(qiáng)磁質(zhì)4)超導(dǎo)體B=0二、分子電流與分子磁矩電子繞核的軌道運(yùn)動(dòng)電子本身自旋等效于圓電流——分子電流分子磁矩分子磁矩在外磁場(chǎng)中受到磁力矩作用，使它向磁場(chǎng)方向偏轉(zhuǎn)物質(zhì)的抗磁性：分子磁矩受到的力矩角動(dòng)量定理繞磁場(chǎng)進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生一附加磁矩與原磁場(chǎng)方向相反1、順磁質(zhì)分子的固有磁矩不為零無外磁場(chǎng)作用時(shí)，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，分子磁矩取向各不相同,整個(gè)介質(zhì)不顯磁性。三、磁介質(zhì)的順磁性與抗磁性有外磁場(chǎng)時(shí)，分子磁矩要受到一個(gè)力矩的作用，使分子磁矩轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)的方向。分子磁矩產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向和外磁場(chǎng)方向一致，順磁質(zhì)磁化結(jié)果，使介質(zhì)內(nèi)部磁場(chǎng)增強(qiáng)。（順磁質(zhì)）得多,忽略不計(jì)。因此磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)是加強(qiáng)了。指出一點(diǎn)：附加磁矩與相比要小2、抗磁質(zhì)分子的固有磁矩為零在外磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生附加磁矩電子的附加磁矩總是削弱外磁場(chǎng)的作用?？勾判允且磺写沤橘|(zhì)共同具有的特性?？偱c外磁場(chǎng)方向反向任一體積元中3、介質(zhì)磁化的過程如下：在外場(chǎng)中順磁質(zhì)抗磁質(zhì)在外場(chǎng)中四、磁化強(qiáng)度與磁化電流1、定義磁化強(qiáng)度：在被磁化的磁介質(zhì)中，單位體積內(nèi)分子磁矩的矢量和。分子的固有磁矩的矢量和附加磁矩的矢量和討論：在磁介質(zhì)被磁化后也可以不同，非均勻磁化（1）可以相同，均勻磁化（2）對(duì)于順磁質(zhì)：附加磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)同向?qū)τ诳勾刨|(zhì)：附加磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)反向磁化電流分子電流的宏觀表現(xiàn)Is——磁化面電流，安培表面電流αs——沿軸線單位長度上的磁化電流（磁化面電流密度）2、磁化強(qiáng)度與磁化電流的關(guān)系取如圖所示的積分環(huán)路abcda:磁化強(qiáng)度對(duì)閉合回路L的線積分，等于穿過以L為周界的任意曲面的磁化電流的代數(shù)和。磁化強(qiáng)度M在量值上等于磁化面電流密度。adcbS一、磁介質(zhì)中的高斯定理通過磁場(chǎng)中任一閉合曲面的總磁通量為零磁介質(zhì)中的高斯定理12-2介質(zhì)中的磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度真空中二、磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理定義磁場(chǎng)強(qiáng)度在穩(wěn)恒磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量沿任一閉合路徑的線積分（即環(huán)流）等于包圍在環(huán)路內(nèi)各傳導(dǎo)電流的代數(shù)和，而與磁化電流無關(guān)。單位：安培/米(A/m)幾點(diǎn)說明：1）是一輔助物理量，描述磁場(chǎng)的基本物理量仍然是（名稱張冠李戴了）3）是一普遍關(guān)系式，可以寫成：2）的單位是A/m（SI制）三、各向同性的磁介質(zhì)介質(zhì)的磁導(dǎo)率令：稱為相對(duì)磁導(dǎo)率電介質(zhì)中的高斯定理磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理

稱為相對(duì)電容率或相對(duì)介電常量之間的關(guān)系之間的關(guān)系稱為相對(duì)磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率介電常量例1一環(huán)形螺線管，管內(nèi)充滿磁導(dǎo)率為μ，相對(duì)磁導(dǎo)率為μr的順磁質(zhì)。環(huán)的橫截面半徑遠(yuǎn)小于環(huán)的半徑。單位長度上的導(dǎo)線匝數(shù)為n。

求：環(huán)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度解：例2一無限長載流圓柱體，通有電流I，設(shè)電流

I

均勻分布在整個(gè)橫截面上。柱體的磁導(dǎo)率為μ，柱外為真空。求：柱內(nèi)外各區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度。解：IR在分界面上H

連續(xù),B

不連續(xù)IR練習(xí)一磁導(dǎo)率為1的無限長圓柱形直導(dǎo)線，半徑為R1，其中均勻地通有電流I。在導(dǎo)線外包一層磁導(dǎo)率為2

的圓柱形不導(dǎo)電的磁介質(zhì)，其外半徑為

R2，如圖所示。求磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布。21IR2R1解：由安培環(huán)路定律21IR2R1練習(xí)一電纜由半徑為R1的長直導(dǎo)線和套在外面的內(nèi)、外半徑分別為R2和R3的同軸導(dǎo)體圓筒組成，其間充滿相對(duì)磁導(dǎo)率為μr的各向同性非鐵磁質(zhì)。電流I由中心導(dǎo)體流入，由外面圓筒流回。求磁場(chǎng)分布。解：由介質(zhì)中的安培環(huán)路定理無限長直電流的磁場(chǎng)圓電流中心的磁場(chǎng)長螺線管電流中部的磁場(chǎng)環(huán)形長螺線管中部的磁場(chǎng)無限大均勻磁介質(zhì)中磁場(chǎng)的畢-薩定律靜電場(chǎng)與靜磁場(chǎng)的比較靜電場(chǎng)靜磁場(chǎng)（穩(wěn)恒磁場(chǎng)）對(duì)應(yīng)量高斯定理環(huán)路定理性質(zhì)方程1、鐵磁質(zhì)的特性12-3

鐵磁質(zhì)一、鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律（1）能產(chǎn)生特別強(qiáng)的附加磁場(chǎng),使磁介質(zhì)中的遠(yuǎn)大于,其值可達(dá)幾百、甚至幾千以上（2）鐵磁質(zhì)的磁導(dǎo)率不是常量，與不是線性關(guān)系（3）磁化強(qiáng)度隨外磁場(chǎng)而變，其變化落后于外磁場(chǎng)的變化，而且在外磁場(chǎng)停止作用后，仍保留部分磁性里點(diǎn)，當(dāng)溫度超過居里點(diǎn)時(shí)，鐵磁質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾刨|(zhì)。（4）一定的鐵磁材料存在一特定的臨界溫度—居2、磁化曲線磁強(qiáng)計(jì)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；由得出曲線鐵磁質(zhì)的不一定是個(gè)常數(shù)，它是的函數(shù)原理:

勵(lì)磁電流I;

用安培定理得H05101520磁強(qiáng)計(jì)AB和H也不是線性關(guān)系初始磁化曲線.......矯頑力飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度磁滯回線剩磁3、磁滯回線

B的變化落后于H，從而具有剩磁，即磁滯效應(yīng)。磁滯回線--不可逆過程在交變電流的勵(lì)磁下反復(fù)磁化使其溫度升高的磁滯損耗與磁滯回線所包圍的面積成正比。①磁化過程不可逆④存在損耗②M、B、H不是線性關(guān)系，且非單值每個(gè)H對(duì)應(yīng)不同的B，與磁化的歷史有關(guān)。③去磁在沒有達(dá)到飽和值之前，減小外磁場(chǎng)，反復(fù)進(jìn)行二、鐵磁質(zhì)內(nèi)的磁疇結(jié)構(gòu)根據(jù)現(xiàn)代理論，鐵磁質(zhì)相鄰原子的電子之間存在很強(qiáng)的“交換耦合作用”，使得在無外磁場(chǎng)作用時(shí)，電子自旋磁矩能在小區(qū)域內(nèi)自發(fā)地平行排列，形成自發(fā)磁化達(dá)到飽和狀態(tài)的微小區(qū)域。這些區(qū)域稱為“磁疇”。相互間有一很薄的過渡層稱為疇壁。多晶磁疇結(jié)構(gòu)示意圖1、自發(fā)磁化和磁疇2、鐵磁質(zhì)的磁化機(jī)理（1）無外磁場(chǎng)時(shí)，各磁疇的磁化方向不同，對(duì)外不顯磁性。（2）在外磁場(chǎng)作用下，磁疇發(fā)生變化。A

外磁場(chǎng)較弱時(shí)，凡磁矩方向與外磁場(chǎng)相同或相近的磁疇都要擴(kuò)大（疇壁向外移動(dòng)）。B

隨著外磁場(chǎng)的不斷增強(qiáng)，取向與外磁場(chǎng)成較大角度的磁疇全部消失，留存的磁疇將向外磁場(chǎng)的方向轉(zhuǎn)向，再增大外磁場(chǎng)，所有磁疇沿外場(chǎng)方向整齊排列，這時(shí)磁化達(dá)到飽和。（3）

疇壁的外移及磁疇磁矩的取向是不可逆的，當(dāng)外磁場(chǎng)減弱或消失時(shí)磁疇不按原來變化規(guī)律逆著退回原狀。這解釋了磁滯的原因。（4）既然磁疇起因于電子自旋磁矩的自發(fā)有序排列，而熱運(yùn)動(dòng)是有序排列的破壞者，因而當(dāng)溫度高于某一臨界時(shí)，磁疇就不復(fù)存在，鐵磁質(zhì)就變?yōu)槠胀槾刨|(zhì)。這一臨界溫度叫居里點(diǎn)。把一塊有剩磁的鐵磁質(zhì)加熱至居里點(diǎn)以上再冷卻，其剩磁會(huì)完全消失。例如，鐵的居里點(diǎn)是1043K。順磁性

來自分子的固有磁矩?？勾判?/p>

起因于電子的軌道運(yùn)動(dòng)在外磁場(chǎng)作用的變化。鐵磁性

起因于電子自旋磁矩的自發(fā)有序排列。三種磁介質(zhì)起因的比較顯示磁疇結(jié)構(gòu)的鐵粉圖形純鐵硅鐵鈷三種鐵磁性物質(zhì)的磁疇Si-Fe單晶(001)面的磁疇結(jié)構(gòu)箭頭表示磁化方向三、鐵磁質(zhì)的應(yīng)用1、軟磁材料特點(diǎn)：①矯頑力小，（）磁滯特性不明顯，磁滯損耗低，磁滯回線成細(xì)長條。②大，易磁化，也易退磁用途：適用于交變磁場(chǎng)中電子設(shè)備中的各種電感元件、變壓器、鎮(zhèn)流器，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)中的鐵芯等。繼電器、電磁鐵的鐵芯也用軟磁材料。純鐵，硅鋼坡莫合金(Fe，Ni)，鐵氧體等。2、硬磁材料——作永久磁鐵鎢鋼，碳鋼，鋁鎳鈷合金3、矩磁材料——作存儲(chǔ)元件Br=BS

，Hc不大，磁滯回線是矩形。用于記憶元件，當(dāng)+脈沖產(chǎn)生H>HC使磁芯呈+B態(tài)，則–脈沖產(chǎn)生H<–

HC使磁芯呈–B態(tài)，可做為二進(jìn)制的兩個(gè)態(tài)。矯頑力(Hc)大（>102A/m)，剩磁Br大磁滯回線的面積大，損耗大。用于磁電式電表中的永磁鐵。耳機(jī)中的永久磁鐵，永磁揚(yáng)聲器。錳鎂鐵氧體，鋰錳鐵氧體例1、圖示為三種不同的磁介質(zhì)的B~H關(guān)系曲線，其中虛線表示的是B=oH的關(guān)系。a、b、c各代表哪一類磁介質(zhì)的B~H關(guān)系曲線：a代表的B~H關(guān)系曲線。鐵磁質(zhì)b代表的B~H關(guān)系曲線。c代表的B~H關(guān)系曲線。順磁質(zhì)抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)和順磁質(zhì)的B和H間是線性關(guān)系,相對(duì)磁導(dǎo)率r與1相差不大。在一般性(精度要求不高)的問題中，可以把抗磁質(zhì)和順磁質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率r看作是1。BHabc對(duì)鐵磁質(zhì)，B和H間是非線性的,相對(duì)磁導(dǎo)率r>>1。

例2、一矩磁材料具有矩形磁滯回線，如圖（1）所示，外加磁場(chǎng)一超過矯頑力，磁化方向就立即翻轉(zhuǎn)。矩磁材料可以用于制作電子計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)元件的環(huán)形磁芯。圖（2）為這樣的磁芯，其外直徑為0.8mm，內(nèi)直徑為0.5mm，高為0.3mm，若磁芯原來已被磁化，方向如圖。現(xiàn)需使磁芯中自內(nèi)到外的磁化方向全部翻轉(zhuǎn)，長直導(dǎo)線中脈沖電流im的峰值至少需多大？設(shè)磁芯矩磁材料的矯頑力為（1）（2）解：假定磁芯中的磁感應(yīng)線為與磁芯共軸的同心圓，則由安培環(huán)路定理則載流直導(dǎo)線在磁芯中產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)