chapter11磁場(chǎng)的磁介質(zhì)2014

第11章磁場(chǎng)中的磁介質(zhì)

11.1

磁介質(zhì)的磁化

11.2

有磁介質(zhì)時(shí)的高斯定理和安培環(huán)路定理

11.3

鐵磁質(zhì)

2/25

物質(zhì)放在電場(chǎng)中→電場(chǎng)作用→被極化；反過來，極化→影響物質(zhì)中電場(chǎng)的分布?！娊橘|(zhì)

研究了電介質(zhì)的極化機(jī)制、極化規(guī)律以及在電介質(zhì)中電場(chǎng)的分布。

物質(zhì)放在磁場(chǎng)中→磁場(chǎng)作用→被磁化；反過來，磁化→影響物質(zhì)中磁場(chǎng)的分布?！沤橘|(zhì)

采用研究電介質(zhì)相同的思路來研究磁介質(zhì)。束縛(極化)電荷；電極化強(qiáng)度→電位移矢量→有電介質(zhì)的高斯定理束縛(極化)電流；磁化強(qiáng)度→磁場(chǎng)強(qiáng)度→有磁介質(zhì)的安培環(huán)路定理3/2511.1磁介質(zhì)的磁化一、介紹磁介質(zhì)：討論磁場(chǎng)與物質(zhì)相互作用時(shí)，磁場(chǎng)中的物質(zhì)

磁化：磁介質(zhì)在磁場(chǎng)作用下內(nèi)部狀態(tài)的變化稱為磁化。物質(zhì)的磁性：分子、原子的電結(jié)構(gòu)不同，對(duì)磁場(chǎng)的影響不同，即不同磁性。

設(shè)磁化后空間任一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為原磁場(chǎng)與磁化后產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)的矢量和。

附加磁場(chǎng)真空中磁場(chǎng)磁介質(zhì)總磁場(chǎng)4/25

相對(duì)磁導(dǎo)率μr

：描述磁介質(zhì)由于本身性質(zhì)決定磁化程度的物理量。對(duì)均勻磁介質(zhì)，電介質(zhì)：極化束縛電荷極化強(qiáng)度電位移

磁介質(zhì)：磁化束縛電流磁化強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度5/252

順磁質(zhì):1

抗磁質(zhì):3

鐵磁質(zhì):如鋅,銅,水銀,鉛如錳,鉻,氧,氮如鐵,鈷,鎳等說明：2）對(duì)鐵磁質(zhì)，μr

為變量3）對(duì)鐵磁質(zhì)中的永磁體，μr∞，不再采用該量1）對(duì)弱磁性物質(zhì)（順磁質(zhì)或抗磁質(zhì)），μr

為常量二、磁介質(zhì)的分類6/25三、磁介質(zhì)的磁化機(jī)理1、電子磁矩和分子磁矩分子由原子組成；電子的自旋環(huán)繞原子核的高速旋轉(zhuǎn)原子核電子→原子一個(gè)電子電流環(huán)磁矩定義：電子軌道磁矩+自旋磁矩為電子磁矩分子中所有電子(～不是自由電子)電流環(huán)的對(duì)外產(chǎn)生磁效應(yīng)的總效果等效為一個(gè)電流環(huán)～分子電流分子(固有)磁矩：7/25順磁質(zhì):分子固有磁矩不為零。(類似電介質(zhì)中有極分子)當(dāng)時(shí)當(dāng)分子磁矩受外磁場(chǎng)磁力距作用分子磁矩傾向于沿外磁場(chǎng)方向排列，磁矩的矢量和沿外磁場(chǎng)方向有一定量值，即2、順磁質(zhì)的磁化（無序有序）8/25有序排列的分子磁矩，在宏觀上形成束縛電流，它產(chǎn)生附加磁場(chǎng)，

固有磁矩外磁場(chǎng)附加磁場(chǎng)9/25產(chǎn)生附加磁矩與反向。ee⊙抗磁質(zhì)：分子固有磁矩為零。3、抗磁質(zhì)的磁化10/25外磁場(chǎng)附加磁場(chǎng)分子感應(yīng)磁矩在宏觀上形成束縛電流，它產(chǎn)生附加磁場(chǎng)。說明：抗磁效應(yīng)普遍存在。順磁質(zhì)中也有，只是順磁質(zhì)的磁化效應(yīng)大于抗磁效應(yīng)，宏觀就表現(xiàn)為順磁性。鐵磁質(zhì)的磁化機(jī)制類似于順磁質(zhì)。鐵磁質(zhì)中存在一種天然磁化單元——磁疇（在一個(gè)微觀較大的區(qū)域里分子固有磁矩同向排列）。在外磁場(chǎng)的作用使磁疇的排列趨向于磁場(chǎng)方向，由于有序性很強(qiáng)，宏觀上表現(xiàn)強(qiáng)磁化。11/25

介質(zhì)表面出現(xiàn)磁化電流順磁質(zhì)抗磁質(zhì)12/25四、磁化強(qiáng)度和磁化電流1、引入單位體積內(nèi)的分子磁矩的矢量和,描述磁介質(zhì)磁化程度2、定義

磁介質(zhì)中單位體積內(nèi)所有分子磁矩的矢量和3、單位安培/米(A/m)4、說明磁化強(qiáng)度是描述磁介質(zhì)的宏觀量與介質(zhì)特性、溫度與統(tǒng)計(jì)規(guī)律有關(guān)順磁質(zhì)M與B0同向，所以B'與B0同方向抗磁質(zhì)反向，所以反方向13/25理論上可以證明：

束縛面電流密度與磁化強(qiáng)度的關(guān)系為：實(shí)驗(yàn)證明：

均勻、各向同性的弱磁介質(zhì)被磁化時(shí)，有磁化場(chǎng)強(qiáng)度的環(huán)流等于與回路相套的

束縛電流的電流強(qiáng)度：磁導(dǎo)率：14/2511.2有磁介質(zhì)時(shí)的高斯定理和安培環(huán)路定理一、磁介質(zhì)中的高斯定理

磁介質(zhì)中的高斯定理磁感線無頭無尾。穿過任何一個(gè)閉合曲面的磁通量為零。S磁感應(yīng)強(qiáng)度是外加磁場(chǎng)與介質(zhì)內(nèi)束縛電流產(chǎn)生的的合場(chǎng)強(qiáng).15/25二、磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理引入磁場(chǎng)強(qiáng)度得的環(huán)路定理于是有定理：沿任一閉合路徑磁場(chǎng)強(qiáng)度的環(huán)路積分等于與該閉合路徑相套的自由電流的代數(shù)和。自由電流束縛電流16/25對(duì)均勻、各向同性的磁介質(zhì)：絕對(duì)磁導(dǎo)率：í磁場(chǎng)強(qiáng)度是一個(gè)輔助量，它本身無物理意義。與類似í利用的環(huán)路定理可以在有對(duì)稱性的情況下，求出；進(jìn)而求出的分布（均勻、各向同性介質(zhì)）。17/25引進(jìn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的物理意義在磁介質(zhì)中，磁場(chǎng)強(qiáng)度的環(huán)流為在均勻、各向同性磁介質(zhì)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的環(huán)流為畢一薩定律18/25計(jì)算有磁介質(zhì)存在時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B求出磁場(chǎng)強(qiáng)度H后由B=μH求磁感應(yīng)強(qiáng)度B

。例1、長(zhǎng)直螺旋管內(nèi)充滿均勻磁介質(zhì)(μr)，設(shè)勵(lì)磁電流I0，單位長(zhǎng)度上的匝數(shù)為n。求管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。解：因管外磁場(chǎng)為零，取如圖所示安培回路19/25例2、長(zhǎng)直單芯電纜的芯是一根半徑為R

的金屬導(dǎo)體，它與外壁之間充滿均勻磁介質(zhì)，電流從芯流過再沿外壁流回。求介質(zhì)中磁場(chǎng)分布。方向沿圓的切線方向解：取如圖所示安培回路20/2511.3鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)的特性1．在外磁場(chǎng)作用下能產(chǎn)生很強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；2．當(dāng)外磁場(chǎng)停止作用時(shí)，仍能保持其磁化狀態(tài)；3．B與H之間不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系；4．鐵磁質(zhì)都有一臨界溫度。在此溫度之上，鐵磁性完全消失而成為順磁質(zhì)——居里溫度或居里點(diǎn)。鐵——10430C鎳——6300C鈷——13900C鐵磁質(zhì)的起因可以用“磁疇”理論來解釋。21/25一、磁化曲線裝置環(huán)形螺繞環(huán)實(shí)驗(yàn)測(cè)量B。原理勵(lì)磁電流I；用安培定理得H磁化曲線鐵磁質(zhì)m

很大，且隨外磁場(chǎng)而變化，B與H之間為非線性關(guān)系。oHBABCS22/25初始磁化曲線O→M，H

增加，B

增加M→N，H

變大，B

急劇增大，N→P，H增加，B增加，增加十分緩慢P，H增加，B到飽和狀態(tài)當(dāng)全部磁疇都沿外磁場(chǎng)方向時(shí)，鐵磁質(zhì)的磁化就達(dá)到飽和狀態(tài)。飽和磁化強(qiáng)度MS等于每個(gè)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。磁化曲線的重要性根據(jù)B~H之間的關(guān)系，若已知一個(gè)量可求出另一個(gè)量。在設(shè)計(jì)電磁鐵，變壓器以及一些電氣設(shè)備時(shí)，磁化曲線是很重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。HBOMNB~HP23/25B的變化落后于H的變化的現(xiàn)象，叫做磁滯現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱磁滯剩磁Br：當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度減小到零時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度并不等于零，而是仍有一定的數(shù)值Br

，Br叫做剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱剩磁。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BS：所有磁疇都與外場(chǎng)方向一致。相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。矯頑力HC：當(dāng)H=-Hc時(shí)，鐵磁質(zhì)的剩磁就消失了，鐵磁質(zhì)不顯磁性。通常把Hc叫做矯頑力。鐵磁質(zhì)在交變電流的勵(lì)磁下反復(fù)磁化使其溫度升高的，要損失能量，稱為磁滯損耗，磁滯損耗與磁滯回線所包圍的面積成正比。磁滯現(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)到原來的形狀，而表現(xiàn)出來。二、磁滯回線24/25軟磁材料：

特點(diǎn)：相對(duì)磁導(dǎo)率和飽和B一般都較大，但矯頑力小，磁滯回線的面積窄而長(zhǎng)，損耗小。易磁化、易退磁。例子：如純鐵，硅鋼坡莫合金，鐵氧體等。應(yīng)用：適宜制造電磁鐵、變壓器、交流發(fā)電機(jī)、繼電器、電機(jī)、以及各種高頻電磁元件的磁芯、磁棒等。1、金屬磁性材料BHo三、鐵磁性材料25/25硬磁材料：特點(diǎn)：剩磁和矯頑力比較大，磁滯回線所圍的面積大，磁滯損耗大，磁滯特性非常顯著例子：鎢鋼，碳鋼，鋁鎳鈷合金等。應(yīng)用：適合作永久磁鐵，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。鐵氧體，又叫鐵淦氧，是由三氧化二鐵和其它二價(jià)的金屬氧化物的粉末混合燒結(jié)而成，常稱為磁性瓷。如錳鎂鐵氧體、鋰錳鐵氧體等2、非金屬磁性材料——矩磁材料：BHoBHo特點(diǎn)：Br=BS

，Hc不大，磁滯回線是矩形。用途：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)。26/25磁學(xué)基本規(guī)律2）畢-薩-拉定律（穩(wěn)恒電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)）1）運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到洛侖磁力。3）運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的磁場(chǎng)4）磁場(chǎng)的疊加原理27/21載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的受力、力矩和功安培環(huán)路定理安培力磁力距磁力距的功磁場(chǎng)高斯定理28/211.如圖彎成半圓形的細(xì)導(dǎo)線緊密排列，可以認(rèn)為電流連續(xù)分布，在半徑方向單位長(zhǎng)度內(nèi)導(dǎo)線的根數(shù)為n，每根導(dǎo)線內(nèi)通過的電流為I，求O點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。解:由半圓形導(dǎo)線在圓心處的磁場(chǎng)公式通過磁場(chǎng)疊加原理計(jì)算圓心處總的磁場(chǎng)IR2R29/492.均勻帶電剛性細(xì)桿AB，電荷線密度為λ，繞垂直于圖面的軸O(O

點(diǎn)在細(xì)桿BA的延長(zhǎng)線上）以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，求:（1）Ｏ點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bo;

（2）磁矩pm；bABOaωdq解：（1）（2）dq旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁矩30/213.一圓線圈的半徑為R

，載有電流

I

，置于均勻外磁場(chǎng)B

中（如圖所示）。在不考慮載流線圈本身所激發(fā)的磁場(chǎng)的情況下，求線圈導(dǎo)線上的張力（已知載流圓線圈的法線方向與B

的方向相同）。

解:半圓弧bca上任一電流元Idl

受到的磁場(chǎng)力為

OIxyRabc故張力31/21變化：半徑為R的半圓線圈ACD通有電流I2，置于電流為I1的無限長(zhǎng)直流電流的磁場(chǎng)中，直線電流I1恰過