磁場中的磁介質(zhì)課件

第9章磁場中的磁介質(zhì)上一章研究了真空中穩(wěn)恒電流或運(yùn)動電荷所產(chǎn)生磁場的性質(zhì)和規(guī)律,其結(jié)論只適用于空間無磁介質(zhì)的真空或空氣情形.如果存在磁介質(zhì),

磁場的分布規(guī)律以及處于磁場中的介質(zhì)會發(fā)生什么樣的變化？本章介紹存在磁介質(zhì)時穩(wěn)恒磁場的性質(zhì)與規(guī)律,以及磁場變化的微觀機(jī)制,并討論磁場中磁介質(zhì)的變化—磁化規(guī)律.介質(zhì)的磁化介質(zhì)的磁化特性—抗磁質(zhì)、順磁質(zhì)和鐵磁質(zhì)§9.1磁介質(zhì)的磁化當(dāng)介質(zhì)處于磁場中時,磁場會對介質(zhì)中的電荷產(chǎn)生作用,使其電結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而對外顯示磁性—磁化現(xiàn)象;同時介質(zhì)的磁化反過來又會影響磁場的分布.磁介質(zhì)的磁化與磁化強(qiáng)度矢量磁介質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度有磁介質(zhì)時的安培環(huán)路定律和高斯定律1.磁介質(zhì)的磁化(1)磁化現(xiàn)象:磁介質(zhì)在磁場中呈現(xiàn)磁性的現(xiàn)象.分子環(huán)流模型:

磁介質(zhì)由大量磁性分子所組成,

每一磁性分子構(gòu)成一環(huán)形電流—分子磁偶極子.加載磁場后,分子環(huán)流趨向外磁場方向.(2)磁化的微觀機(jī)制未加載磁場時,各個分子磁矩取向雜亂無章,因此磁介質(zhì)宏觀上不顯磁性.(3)磁化的宏觀效果介質(zhì)磁化后,在其表面出現(xiàn)的環(huán)形電流(束縛電流)會影響原來磁場的分布.①介質(zhì)表面的束縛電流

與傳導(dǎo)電流不同,它不是由載流子的宏觀移動形成的,而是分子磁矩定向排列的結(jié)果.×××××××××××××××××××××××××③束縛電流產(chǎn)生的磁場會改變原來磁場的空間分布.②束縛電流

的出現(xiàn)使介質(zhì)對外呈現(xiàn)磁性,其磁性的強(qiáng)弱與介質(zhì)的磁化程度有關(guān).2.

磁化強(qiáng)度矢量

為定量描述介質(zhì)的磁化狀態(tài)和磁化程度,需引入磁化強(qiáng)度矢量:磁化強(qiáng)度矢量:

指單位體積內(nèi)所有分子磁偶極矩的矢量和,且僅與束縛電流有關(guān).

在磁介質(zhì)內(nèi)部,磁化強(qiáng)度矢量沿任一閉合回路

l

的曲線積分,數(shù)值上等于穿過該回路包圍面積的束縛電流代數(shù)和.在外加磁場作用下,分子磁矩定向排列的程度越高,其磁化強(qiáng)度矢量越大.

磁化強(qiáng)度矢量反映了介質(zhì)磁化的程度.

磁化強(qiáng)度矢量與束縛電流有關(guān)磁化強(qiáng)度矢量與束縛電流面密度的關(guān)系

在磁介質(zhì)表面,

束縛電流面密度

等于磁化強(qiáng)度矢量在表面切線方向的分量.3.

磁介質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度由于介質(zhì)磁化,在外加磁場基礎(chǔ)上迭加上束縛電流產(chǎn)生的附加磁場.

:介質(zhì)中的總磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量:外加磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量:磁介質(zhì)表面束縛電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量

的大小取決于磁化強(qiáng)度矢量

.與可以是同向的―順磁質(zhì),也可以是反向的―抗磁質(zhì).4.

有磁介質(zhì)存在時的安培環(huán)路定理和高斯定理有磁介質(zhì)存在時,安培環(huán)路定理為利用磁化強(qiáng)度矢量與束縛電流的關(guān)系(1)安培環(huán)路定理其中,為傳導(dǎo)電流,為束縛電流.在具體應(yīng)用時,束縛電流很難直接求出.如何避開束縛電流求磁感應(yīng)強(qiáng)度？稱為磁場強(qiáng)度若令則存在磁介質(zhì)時的安培環(huán)路定理:

磁場強(qiáng)度矢量的環(huán)量等于閉合回路所包圍傳導(dǎo)電流的代數(shù)和.對于均勻磁化有均勻磁介質(zhì)的磁化規(guī)律

為磁化率,它反映了介質(zhì)的磁化特性.多數(shù)磁介質(zhì)的很小,這與物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān).Fe、Co、Ni等金屬的很大,且與成復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系.由可得若令

稱為介質(zhì)的磁導(dǎo)率

稱為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率則有注意:

磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理給出了有介質(zhì)存在時,傳導(dǎo)電流和磁場強(qiáng)度矢量之間的普遍規(guī)律.

其中可測量獲得

(2)

高斯定理

磁場中的高斯定理對導(dǎo)線中傳導(dǎo)的穩(wěn)恒電流以及磁介質(zhì)中的束縛電流都是適用的.

:表示有介質(zhì)存在時的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量,它由傳導(dǎo)電流與束縛電流共同產(chǎn)生.

:表示介質(zhì)的磁化強(qiáng)度矢量,僅與束縛電流有關(guān).

:

磁場強(qiáng)度,屬一輔助物理量而沒有直接的物理意義,僅為了計算方便而引入的.§9.2介質(zhì)的磁化特性—抗磁質(zhì)、順磁質(zhì)和鐵磁質(zhì)外加磁場引起介質(zhì)磁化,從而使周圍磁場發(fā)生變化.不同介質(zhì)的磁化特性不同,因而磁場的變化不同.

磁介質(zhì)的分類—抗磁質(zhì)、順磁質(zhì)和鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)的磁化特性—磁滯回線1.磁介質(zhì)的分類上式表明:介質(zhì)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度與外磁場之比等于介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率.根據(jù)相對磁導(dǎo)率大小不同,將其分為如下三類:由可得介質(zhì)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度與外加磁場的關(guān)系如何?抗磁質(zhì):

在外磁場作用下,束縛電流產(chǎn)生的磁場與外加磁場反向,因此介質(zhì)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度減小.(1)抗磁質(zhì)

若磁介質(zhì)稱為抗磁質(zhì)此時由可得

與

反向抗磁質(zhì)把磁感應(yīng)線排斥出磁介質(zhì)超導(dǎo)表面電流引起的邁納斯效應(yīng)超導(dǎo)體把磁感應(yīng)線完全排斥出磁介質(zhì)抗磁性的起源:

當(dāng)存在外加磁場時,原子中不同運(yùn)動狀態(tài)的電子所受洛倫力方向不同,導(dǎo)致軌道磁矩大小不同.如圖所以結(jié)果物質(zhì)中的原子有其電子軌道運(yùn)動,所以物質(zhì)具有抗磁性.通常,洛倫茲力使軌道磁矩變化非常微弱,其抗磁性很小.在許多物質(zhì)中抗磁性又被順磁性和鐵磁性所掩蓋.(2)順磁質(zhì)

由可得若磁介質(zhì)稱為順磁質(zhì)與同向順磁質(zhì):

在外磁場作用下,

磁介質(zhì)束縛電流磁場與外加磁場方向相同,結(jié)果介質(zhì)中總磁感應(yīng)強(qiáng)度增大.順磁質(zhì)把磁感應(yīng)線聚集到其內(nèi)部一般情況下,介質(zhì)的順磁性非常微弱:順磁性的起源:

在外加磁場作用下,原子中自旋運(yùn)動的電子受洛倫茲力作用,其磁矩方向與外加磁場方向趨于一致,結(jié)果介質(zhì)中的總磁場增強(qiáng).在外磁場作用下,電子自旋磁矩沿外磁場方向排列—介質(zhì)磁化電子自旋磁矩(本征磁矩)磁化程度也取決于電子的熱運(yùn)動.電子對的量子效應(yīng):

大部分物質(zhì)中的電子常形成電子對,其磁矩相互抵消.僅當(dāng)電子數(shù)為奇數(shù)或因其它原因使自旋磁矩不能完全抵消時,物質(zhì)才呈現(xiàn)順磁性.既然順磁性起源于電子的自旋,為何并非所有的物質(zhì)都具有順磁性呢?

電子自旋磁矩?zé)o序電子自旋磁矩有序典型的順磁介質(zhì):Al(鋁)、W(鎢)、O2(液態(tài)氧)、CuCl2(氯化銅)等.(3)鐵磁質(zhì)

若且≠常數(shù)的磁介質(zhì)稱為鐵磁質(zhì).鐵磁質(zhì):

在外磁場作用下,

介質(zhì)內(nèi)束縛電流的磁場與外磁場同向,結(jié)果磁化效果非常顯著.

注:

有些鐵磁質(zhì)本身就具有磁性.

由可得

與同向鐵磁性的起源:

鐵磁質(zhì)不同于一般的順磁質(zhì),其主要區(qū)別在于它們的磁疇結(jié)構(gòu)不同.典型的鐵磁質(zhì):Fe(鐵)、Co(鈷)、Ni(鎳)

等元素及其合金.鐵氧體??由氧化鐵(Fe2O3)與其它金屬氧化物(NiO、CuO、MnO、BaO)混合成的材料.鐵氧體是典型的順磁質(zhì),

因而受到廣泛應(yīng)用.磁疇的起源:

由于鐵磁質(zhì)中原子之間存在量子性的交換力,無外加磁場時磁疇內(nèi)的原子磁矩會因自發(fā)磁化而方向趨于一致.磁疇:

鐵磁質(zhì)內(nèi)自發(fā)磁化的小區(qū)域,其線度與晶粒大小有關(guān),通常約10-2

~10-4

mm,包含約1015個原子.磁疇之間存在疇壁.鐵磁質(zhì)的磁化:磁疇的觀察:

在電解拋光的鐵磁質(zhì)表面涂上含有鐵粉的膠狀懸浮液,其鐵粉有選擇地聚集在磁疇壁處,利用顯微鏡可觀察其分布.居里點(diǎn):

溫度高于某一臨界值后,鐵磁質(zhì)的原子交換作用消失,

鐵磁質(zhì)變?yōu)轫槾刨|(zhì)(Fe:770℃).

無外磁場:

磁疇排列方向無序,磁介質(zhì)不顯磁性.加載磁化場:

磁疇排列方向趨于一致,與外磁場同向的磁疇體積增大,反向磁疇體積減小—疇壁運(yùn)動.磁飽和:

隨外磁場增強(qiáng),介質(zhì)磁化程度增加,最終所有磁疇都與外場方向相同.§9.3鐵磁質(zhì)的磁化特性1.磁化曲線磁化曲線:

在外磁場作用下,鐵磁質(zhì)中磁感應(yīng)強(qiáng)度

B

與磁場強(qiáng)度

H

的關(guān)系曲線—B-H曲線.磁化曲線反映鐵磁質(zhì)的磁化特性.由于曲線的對稱性,故其起磁化曲線最為典型.

反映磁化場的大小

反映感應(yīng)場的大小(1)B隨H增大而增加;(2)磁導(dǎo)率不為常數(shù),最大磁導(dǎo)率為M;(3)存在磁飽和現(xiàn)象,飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為BM.鐵磁質(zhì)的起磁化特性:鑄鐵的起磁化曲線2004006008001000120005000600040002000300010000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.磁滯回線實驗表明:當(dāng)H減小時,B-H曲線并不按起始磁化曲線返回??磁滯回線.鐵磁質(zhì)的磁滯回線(1)起磁化曲線與反向磁化曲線不重合;(2)B的變化總是滯后于H的變化—磁滯現(xiàn)象;(3)外磁場撤去后,B并不等于0—剩磁現(xiàn)象Br;鐵磁質(zhì)磁化的磁滯特性:(4)消除剩磁Br的反向磁場強(qiáng)度(矯頑力Hc)反映了鐵磁質(zhì)的剩磁能力,對應(yīng)的這段曲線稱為退磁曲線;(5)可以證明:磁滯回線包圍的面積等于反復(fù)磁化過程中單位體積鐵磁質(zhì)損耗的能量.(1)軟磁材料特性:

磁滯效應(yīng)不明顯,撤去外場后磁性很快消失,可用作電磁鐵的鐵芯.3.磁性材料矯頑力Hc<102A/m典型的軟磁材料:鐵硅合金、鐵鎳合金、鐵鋁合金、鐵鈷合金等,其電阻率較低(),容易產(chǎn)生較大的渦流.軟磁鐵氧體:錳鋅鐵氧體、鎳鋅鐵氧體,

其電阻率較高(),已廣泛用于電子技術(shù).(2)硬磁材料特性:

磁滯效應(yīng)顯著,Br與Hc較大.撤去外磁場后仍能保持磁性,可用于制造永久磁鐵.矯頑力Hc>104A/m典型的硬磁材料:高碳鋼(含碳量1~1.5%),鎢鋼,鉻鋼,其磁性較差;

稀土永磁硬磁材料:磁性極強(qiáng),

是目前著力開發(fā)的永磁材料,鋁鎳鈷合金(Br=9500G,Hc=8800Oe