第11章磁場中的磁介質(zhì)

上章我們學(xué)習(xí)了真空中穩(wěn)恒電流激發(fā)的磁場及其規(guī)律。當(dāng)空間有介質(zhì)(導(dǎo)體、絕緣體)存在時，磁場將與介質(zhì)發(fā)生相互作用，我們把磁場中的介質(zhì)稱為磁介質(zhì)。磁介質(zhì)在外加磁場作用下自身產(chǎn)生附加磁場的過程稱為磁化。本章簡要介紹磁介質(zhì)的性質(zhì)、磁化的機(jī)制、以及磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理。第十一章磁場中的磁介質(zhì)與電介質(zhì)的狀況類似，穩(wěn)恒磁場中的磁介質(zhì)因磁化而產(chǎn)生磁化電流和附加磁場；磁介質(zhì)內(nèi)的總場為原磁場B0與附加磁場B’的矢量和。一、磁介質(zhì)對磁場的影響§11.1磁介質(zhì)對磁場的影響實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，與之間的關(guān)系為:稱為磁介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率。順磁質(zhì)：μr≥1如金屬鋁、錳、鉻等。抗磁質(zhì)：μr

≤1如金屬金、銀、銅等。鐵磁質(zhì)：μr

>>1如金屬鐵、鈷、鎳等。弱磁性物質(zhì)強(qiáng)磁性物質(zhì)任何物質(zhì)皆由原子或分子構(gòu)成。原子（分子）中的電子同時參與兩種運(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。二、磁介質(zhì)的磁化這就是安培提出的分子電流假設(shè)。分子電流——分子磁矩產(chǎn)生的磁效應(yīng)可以用一等效的圓電流的磁矩來表示。分子磁矩——分子全部電子的軌道磁矩與自旋磁矩的矢量和，稱為分子固有磁矩，簡稱為分子磁矩m。分子磁矩的方向與電子運(yùn)動的角速度方向相反。順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的磁化可用安培分子電流假說說明，而鐵磁質(zhì)的磁化很困難。1.順磁質(zhì)的磁化機(jī)理——順磁性無外場Bo時，分子的磁矩排列雜亂無章，介質(zhì)內(nèi)分子磁矩的矢量和m=m=0有外場Bo時，分子磁矩轉(zhuǎn)到與外磁場方向一致，分子磁矩的矢量和m=m≠0等效對各向同性（勻整）磁介質(zhì)，磁化電流I′只出現(xiàn)在介質(zhì)表面，介質(zhì)內(nèi)部無磁化電流，且磁化電流I′不行引出，因此，磁化電流也稱為束縛電流。對各向同性（均勻）磁介質(zhì)，從導(dǎo)體橫截面看，導(dǎo)體內(nèi)部分子電流兩兩反向，相互抵消。導(dǎo)體邊緣分子電流同向。⊙對各向同性（均勻）磁介質(zhì)，分子電流可等效成磁介質(zhì)表面的磁化電流I′，I′產(chǎn)生附加磁場B'。I′

在無外磁場時，抗磁質(zhì)中分子固有磁矩為零:m=0，物質(zhì)不顯磁性。2.抗磁質(zhì)的磁化機(jī)理——抗磁性有外場時，電子的軌道角動量會圍著磁場方向旋進(jìn),形成一個電的環(huán)流,但電子帶負(fù)電,這就相當(dāng)于一個與原磁場方向反向的正的環(huán)流,產(chǎn)生的磁矩指向磁場的相反方向.有磁介質(zhì)時，安培環(huán)路定理是：磁介質(zhì)的總磁場傳導(dǎo)電流磁化電流總和三、磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理根據(jù)實(shí)驗(yàn)規(guī)律無磁介質(zhì)時：由于磁化電流的計(jì)算很繁，所以我們從無磁介質(zhì)時動身。定義磁場強(qiáng)度：磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理：即：磁場強(qiáng)度沿隨意閉合路徑的線積分（環(huán)流），等于穿過以該回路為邊界的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和。H是為消退磁化電流的影響而引入的協(xié)助物理量。H的環(huán)流僅與傳導(dǎo)電流I0有關(guān),與介質(zhì)無關(guān)(當(dāng)I相同時，盡管介質(zhì)不同，H在同一點(diǎn)上卻相同)。因此可以先求磁場強(qiáng)度H，再求磁感應(yīng)強(qiáng)度B。H的單位：安培/米(A/m)說明：例1、長直單芯電纜的芯是一根半徑為R1的金屬導(dǎo)體，它與外壁之間充溢勻整磁介質(zhì),其相對磁導(dǎo)率為，外筒半徑為R2,電流從芯流過再沿外壁流回。求(1)導(dǎo)線內(nèi)的磁場分布;(2)磁介質(zhì)中磁場分布;(3)磁介質(zhì)外的磁場分布。解:(1)導(dǎo)線內(nèi)的磁場分布(2)磁介質(zhì)內(nèi)的磁場分布(3)磁介質(zhì)外的磁場分布電介質(zhì)中的高斯定理磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理§11.2鐵磁質(zhì)在工程技術(shù)上常用的磁介質(zhì)是鐵磁質(zhì)，如電機(jī)、變壓器和電表等。鐵磁質(zhì)有如下特點(diǎn)：1．在外磁場作用下能產(chǎn)生很強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；μ>>12．當(dāng)外磁場停止作用時，仍能保持其磁化狀態(tài)；3．B與H之間不是簡潔的線性關(guān)系；4．鐵磁質(zhì)都有一臨界溫度。在此溫度（居里溫度）之上，鐵磁性完全消逝而成為順磁質(zhì)。Fe(1040K)Co(630K)Ni(1390K)磁化曲線——磁介質(zhì)內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨磁場強(qiáng)度H的變更關(guān)系曲線。OHBABCS一、鐵磁介質(zhì)的磁化機(jī)理——磁疇1.磁疇磁疇——鐵磁質(zhì)中因電子自旋而引起的猛烈相互作用，在鐵磁質(zhì)內(nèi)形成磁性很強(qiáng)的小區(qū)域。磁疇的體積約為10-12m3。在無外磁場時，各磁疇排列雜亂無章，鐵磁質(zhì)不顯磁性；在外磁場中，各磁疇沿外場轉(zhuǎn)向，介質(zhì)內(nèi)部的磁場快速增加，在鐵磁質(zhì)充磁過程中伴隨著發(fā)聲、發(fā)熱。2.磁疇的形成依據(jù)量子理論,鐵磁質(zhì)內(nèi)電子間存在著很強(qiáng)的由電子自旋引起的相互作用——電子交換作用,使各電子的自旋磁矩排列整齊，從而形成磁疇。每個磁疇內(nèi)的電子自旋磁矩整齊排列，磁性很強(qiáng)——自發(fā)磁化。3.磁疇與外磁場的關(guān)系無外磁場時,各個磁疇由于熱運(yùn)動其方向排列無序,因而整體對外不顯磁性。有外磁場時,各個磁疇的磁矩在外磁場的磁力矩作用下以整體的形式趨向外磁場方向排列,從而對外顯示很強(qiáng)的磁性。出現(xiàn)高m值。具體過程:與外磁場方向一樣和相同的磁疇范圍擴(kuò)大,磁疇磁矩方向同時盡力轉(zhuǎn)向外磁場的方向。4.磁疇與溫度的關(guān)系:當(dāng)溫度持續(xù)上升到某值時,由于猛烈的熱運(yùn)動,磁疇瓦解,鐵磁質(zhì)的鐵磁性消逝,過渡到順磁質(zhì)。此溫度叫做居里溫度或居里點(diǎn)。5.磁飽和狀態(tài)磁飽和狀態(tài)HBoabcd隨著外磁場增加，能夠供應(yīng)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，最終外磁場再增加，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)。二、鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律——磁滯回線1.試驗(yàn)?zāi)康?確定鐵磁質(zhì)內(nèi)的B隨外場H的變更關(guān)系,確定其磁導(dǎo)率m的特點(diǎn)和鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律。a2.試驗(yàn)結(jié)果o~a

:

起始磁化曲線，未經(jīng)磁化的鐵磁質(zhì),起始時,B

隨H

而增大,到a點(diǎn)達(dá)到飽和。bBrBHoa~b: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更——磁滯現(xiàn)象,當(dāng)H=0時,B=Br≠0，Br——剩磁。b~c:加上反向外磁場，則B接著減小,當(dāng)H=-Hc時，B=0，Hc稱為矯頑力,即為了消退剩磁所需加的反向外磁場Hc。BrHcBHoac~d：接著增加反向磁場，介質(zhì)達(dá)到反向磁飽和狀態(tài)。d~e~f：變更外磁場為正向磁場，不斷增加外場，介質(zhì)又達(dá)到正向磁飽和狀態(tài)。bcdef磁滯回線——閉合曲線abcdefa。試驗(yàn)結(jié)論鐵磁質(zhì)具有非線性，其m值具有非單值性，與磁化的歷史有關(guān)。鐵磁質(zhì)會出現(xiàn)磁滯和剩磁現(xiàn)象。4.說明:起始磁導(dǎo)率磁化飽和:當(dāng)全部磁疇的磁矩都轉(zhuǎn)向外磁場方向時,磁化即達(dá)到飽和。剩磁:鐵磁質(zhì)中的雜質(zhì)和內(nèi)應(yīng)力,在外磁場撤消后阻礙磁疇復(fù)原原來的狀態(tài),因而產(chǎn)生了剩磁。三、鐵磁質(zhì)的特點(diǎn)磁疇；高m值；非線性；磁滯；居里點(diǎn)；

m的非單值性。四、退磁方法1.加熱法當(dāng)鐵磁質(zhì)的溫度上升到某一溫度時，磁性消逝，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?zhàn)詣涌販?。緣由：由于加熱使磁介質(zhì)中的分子、原子的振動加劇，供應(yīng)了磁疇轉(zhuǎn)向的能量，使鐵磁質(zhì)失去磁性。2.敲擊法通過振動可供應(yīng)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。3.加反向磁場加反向磁場，供應(yīng)矯頑力Hc,使鐵磁質(zhì)退磁。4.加交變衰減的磁場使介質(zhì)中的磁場漸漸衰減為0，應(yīng)用在錄音機(jī)中的溝通抹音磁頭中。tHoBHoc五、鐵磁材料分類1.金屬磁性材料特點(diǎn)：適用于高穩(wěn)定、低頻、大功率,但高頻應(yīng)用受限。軟磁材料:Br大,但Hc小,磁滯回線面積小,因而易磁化,易消磁;適用于制造電磁鐵、變壓器、溝通電機(jī)的鐵心。如：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。由金屬合金或化合物制成(大部分以鐵、鈷、鎳為基礎(chǔ))。硬磁性材料：Br大，Hc大，磁滯回線面積大,，因而磁滯特性明顯，一旦被磁化,，剩磁即難于消退。用于制作永磁體，以產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場。

如碳鋼、鋁鎳鈷合金和鋁鋼等。

可用在磁電式電表、永磁揚(yáng)聲器、耳機(jī)以及雷達(dá)中的磁控管等。2.壓磁材料具有較強(qiáng)的磁致伸縮性能,用于制作機(jī)電換能器和聲電換能器。3.非金屬氧化物----鐵氧體由三氧化二鐵Fe2O3和其它二價(jià)金屬氧化物（如NiO，ZnO等）的粉末混合燒結(jié)而成特點(diǎn):具有高磁導(dǎo)率,高電阻率,渦流損耗少,適用于高頻技術(shù)。作記憶元件,或作天線和電感中的磁心。例如:矩磁鐵氧體,其磁滯回線近似矩形而得名。六、超導(dǎo)體1911年，荷蘭物理學(xué)家H·K·昂納斯及其助手首先發(fā)覺在溫度降至液氦的沸點(diǎn)（4.2K）以下時，水銀的電阻為0。超導(dǎo)體——在低溫下電阻為零的物質(zhì)。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。1.超導(dǎo)體的基本性質(zhì)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。有人曾用超導(dǎo)體做成一個圓環(huán)，當(dāng)把它冷卻到臨界溫度以下后，突然去掉磁場，由于電磁感應(yīng)，在超導(dǎo)體環(huán)內(nèi)產(chǎn)生一個相當(dāng)強(qiáng)的電流，這個電流在持續(xù)兩年半的時間內(nèi)仍沒發(fā)覺可觀的變更。2.邁斯納效應(yīng)—完全抗磁性Bo1933年德國物理學(xué)家W.邁斯納發(fā)覺完全抗磁性。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。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。NFmg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)電流也就不會消逝，超導(dǎo)體始終會懸浮在磁場中。利用這種現(xiàn)象可制成超導(dǎo)重力儀，用來預(yù)料地震，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生之前，地表面的重力場會發(fā)生變更，超導(dǎo)球的位置也會發(fā)生變更，由此來預(yù)料地震。還可制造超導(dǎo)磁懸浮列車，世界上最快的磁懸浮列車時速超過500公里/小時。3.超導(dǎo)體的應(yīng)用無損耗輸電。傳統(tǒng)輸電過程中總要產(chǎn)生一部分焦耳熱損耗，一般在10%~20%，假如接受超導(dǎo)體輸電，幾乎沒有電能損失，而且不須