磁介質(zhì)中的恒定磁場

關(guān)于磁介質(zhì)中的恒定磁場121.磁介質(zhì)磁介質(zhì):實體物質(zhì)在磁場作用下呈現(xiàn)磁性,該物體稱磁介質(zhì)?！?磁介質(zhì)的磁化與磁化強(qiáng)度矢量電介質(zhì)極化：磁介質(zhì)磁化：總磁感強(qiáng)度外加磁感強(qiáng)度附加磁感強(qiáng)度磁化:磁介質(zhì)在磁場中呈現(xiàn)磁性(在磁場的作用下產(chǎn)生附加磁場)的現(xiàn)象稱為磁化。磁介質(zhì)有三種類型：順磁質(zhì)、抗磁質(zhì)、鐵磁質(zhì)。電學(xué)與磁學(xué)類比：第2頁,共32頁，2024年2月25日，星期天3磁介質(zhì)的性質(zhì)：實驗發(fā)現(xiàn)，有、無磁介質(zhì)的螺旋管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的比值，可表征它們在磁場中的性質(zhì)。相對磁導(dǎo)率:順磁質(zhì)：如氧、鋁、鎢、鉑、鉻等。磁介質(zhì)抗磁質(zhì)：鐵磁質(zhì)：如氮、水、銅、銀、金、鉍等，超導(dǎo)體是理想的抗磁質(zhì)。如鐵、鈷、鎳等，B

與B0

同方向，B

與B0

反方向，B

與B0

同方向，第3頁,共32頁，2024年2月25日，星期天42.分子電流模型和分子磁矩

原子中電子參與兩種運(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。

用等效的分子電流的磁效應(yīng)來表示各個電子對外界磁效應(yīng)的總和，稱為分子固有磁矩。抗磁質(zhì)：順磁質(zhì)：未加外磁場時:

在抗磁質(zhì)中，原子或分子中所有電子的軌道磁矩和自旋磁矩矢量和為零。磁偶極子模型：在磁介質(zhì)中，原子或分子的等效磁矩分布和取向原子或分子的等效磁矩第4頁,共32頁，2024年2月25日，星期天5加外磁場時:順磁質(zhì)分子有固有磁矩，固有磁轉(zhuǎn)動后：當(dāng)外磁場存在時，各分子固有磁矩受磁場力矩的作用，或多或少地轉(zhuǎn)向磁場方向。分子磁矩的轉(zhuǎn)動：抗磁質(zhì)分子無固有磁矩，也就無轉(zhuǎn)動：第5頁,共32頁，2024年2月25日，星期天6在外磁場作用下，每個電子除了保持環(huán)繞原子核的運(yùn)動和電子本身的自旋以外，還要附加電子自旋磁矩以外磁場方向為軸線的進(jìn)動。

可以證明：不論電子原來的自旋磁矩與磁場方向之間的夾角是何值，這種進(jìn)動等效圓電流附加磁矩

Pm的方向永遠(yuǎn)與B0

的方向相反。無論順磁質(zhì)還是抗磁質(zhì)，都存在附加磁矩

Pm。進(jìn)動方向一致!進(jìn)動電子的進(jìn)動：第6頁,共32頁，2024年2月25日，星期天7

抗磁材料在外磁場的作用下，磁體內(nèi)任意體積元中大量分子或原子的附加進(jìn)動磁矩的矢量和有一定的量值，結(jié)果在磁體內(nèi)激發(fā)一個和外磁場方向相反的附加磁場，這就是抗磁性的起源。

在順磁體內(nèi)任意取一體積元

V，其中各分子固有磁矩的矢量和將有一定的量值，因而在宏觀上呈現(xiàn)出一個與外磁場同向的附加磁場，這就是順磁性的起源。3.抗磁質(zhì)和順磁質(zhì)的磁化抗磁質(zhì)：順磁質(zhì)：可以忽略第7頁,共32頁，2024年2月25日，星期天82010年首個諾貝爾獎+搞笑諾貝爾獎雙料得主誕生——荷蘭科學(xué)家AndreGeim。

十年前他因磁懸浮青蛙獲得搞笑諾貝爾獎。

十年后他因石墨烯（graphene）的結(jié)構(gòu)獲諾貝爾獎。青蛙屬于抗磁質(zhì)。當(dāng)青蛙被放到磁場中，青蛙的每個原子都像一個小磁針，外界磁場對這些小磁針作用的結(jié)果產(chǎn)生了向上的力，如果磁場的強(qiáng)度適當(dāng)，這力與青蛙受的重力達(dá)到平衡，它們就能懸在空中。實際上動物都屬于抗磁質(zhì)，只要用足夠強(qiáng)的磁場，就有可能使人懸浮起來。第8頁,共32頁，2024年2月25日，星期天9磁化強(qiáng)度反是映磁介質(zhì)磁化程度(大小與方向)的物理量。它是單位體積內(nèi)所有分子固有磁矩的矢量和加上附加磁矩的矢量和，稱為磁化強(qiáng)度。磁化強(qiáng)度的單位：4.磁化強(qiáng)度對順磁質(zhì)，可以忽略；對抗磁質(zhì)，對于真空，。外磁場為零，磁化強(qiáng)度為零。外磁場不為零:順磁質(zhì)抗磁質(zhì)第9頁,共32頁，2024年2月25日，星期天105.磁化電流

對于各向同性的均勻介質(zhì)，介質(zhì)內(nèi)部各分子電流相互抵消，而在介質(zhì)表面，各分子電流相互疊加，在磁化圓柱的表面出現(xiàn)一層電流，好象一個載流螺線管，稱為磁化面電流。第10頁,共32頁，2024年2月25日，星期天11

取一長方形閉合回路ABCD，AB邊在磁介質(zhì)內(nèi)部，平行與柱體軸線，長度為l，而BC、AD兩邊則垂直于柱面。

磁化強(qiáng)度對閉合回路的線積分等于通過回路所包圍的面積內(nèi)的總磁化電流。lABCD設(shè)介質(zhì)表面沿軸線方向單位長度上的磁化電流為

（磁化面電流密度），則長為l的一段介質(zhì)上的磁化電流強(qiáng)度為第11頁,共32頁，2024年2月25日，星期天12安培環(huán)路定理有磁介質(zhì)時§2磁場強(qiáng)度與有磁介質(zhì)時的安培環(huán)路定理定義磁場強(qiáng)度

磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理：磁場強(qiáng)度沿任意閉合路徑的線積分等于穿過該路徑的所有傳導(dǎo)電流的代數(shù)和，而與磁化電流無關(guān)。磁化電流的效應(yīng)由磁場強(qiáng)度所包含。第12頁,共32頁，2024年2月25日，星期天13

實驗證明：對于各向同性的介質(zhì)，在磁介質(zhì)中任意一點(diǎn)磁化強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度成正比。

式中

m只與磁介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，稱為磁介質(zhì)的磁化率，是一個純數(shù)。如果磁介質(zhì)是均勻的，它是一個常量；如果磁介質(zhì)是不均勻的，它是空間位置的函數(shù)。第13頁,共32頁，2024年2月25日，星期天14

值得注意：H的引入為研究介質(zhì)中的磁場提供了方便，但它不是反映磁場性質(zhì)的基本物理量，B才是反映磁場性質(zhì)的基本物理量。磁導(dǎo)率

=

0

r第14頁,共32頁，2024年2月25日，星期天15例：長直螺旋管內(nèi)充滿均勻磁介質(zhì)

r，設(shè)電流

I0，單位長度上的匝數(shù)為

n。求管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。解：因管外磁場為零，取如圖所示安培回路第15頁,共32頁，2024年2月25日，星期天16例:在均勻密繞的螺繞環(huán)內(nèi)充滿均勻的順磁介質(zhì)，已知螺繞環(huán)中的傳導(dǎo)電流為I0

，單位長度內(nèi)匝數(shù)n，環(huán)的橫截面半徑比環(huán)的平均半徑小得多，磁介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率和磁導(dǎo)率分別為

r和

，求環(huán)內(nèi)的磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度。解：在環(huán)內(nèi)任取一點(diǎn)，過該點(diǎn)作一和環(huán)同心、半徑為

r的圓形回路。式中N為螺繞環(huán)上線圈的總匝數(shù)。由對稱性可知，在所取圓形回路上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小相等，方向都沿切線。當(dāng)環(huán)內(nèi)充滿均勻介質(zhì)時第16頁,共32頁，2024年2月25日，星期天17例：如圖所示，一半徑為R1的無限長圓柱體（導(dǎo)體

≈

0）中均勻地通有電流I0，在它外面有半徑為R2的無限長同軸圓柱面，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I0。試求(1)圓柱體外圓柱面內(nèi)一點(diǎn)的磁場；(2)圓柱體內(nèi)一點(diǎn)磁場；(3)圓柱面外一點(diǎn)的磁場。解:

(1)當(dāng)兩個無限長的同軸圓柱體和圓柱面中有電流通過時，它們所激發(fā)的磁場是軸對稱分布的，而磁介質(zhì)亦呈軸對稱分布，因而不會改變場的這種對稱分布。設(shè)圓柱體外圓柱面內(nèi)一點(diǎn)到軸的垂直距離是r，以r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I0I0I0R1R2r第17頁,共32頁，2024年2月25日，星期天18I0I0I0R1R2rr(2)設(shè)在圓柱體內(nèi)一點(diǎn)到軸的垂直距離是r，則以r為半徑作一圓，根據(jù)安培環(huán)路定理有(3)在圓柱面外取一點(diǎn)，它到軸的垂直距離是r，以r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r第18頁,共32頁，2024年2月25日，星期天19裝置：環(huán)形螺繞環(huán);鐵磁質(zhì)Fe,Co,Ni及稀釷族元素的化合物，能被強(qiáng)烈地磁化實驗測量B,由得出

r~H曲線鐵磁質(zhì)的

r

不一定是個常數(shù)，它是

H

的函數(shù)，

r

非線性；原理:勵磁電流

I0;

用安培定理得H磁飽和現(xiàn)象，到一定程度，I0

，H

，而B的增加極為緩慢?！?鐵磁質(zhì)1.磁化曲線第19頁,共32頁，2024年2月25日，星期天20

當(dāng)鐵磁質(zhì)達(dá)到飽和狀態(tài)后，

要完全消除剩磁Br，必須加反向磁場H，當(dāng)B=0時磁場的值Hc為鐵磁質(zhì)的矯頑力。當(dāng)反向磁場H

繼續(xù)增加，鐵磁質(zhì)的磁化達(dá)到反向飽和。2.磁滯回線BHaOdfBrcbHc-BreHc-BreBrcb-Hc反向磁場H

減小到零，同樣出現(xiàn)剩磁現(xiàn)象。不斷地正向或反向緩慢改變磁場，磁化曲線為一閉合曲線—磁滯回線。緩慢地減小H，鐵磁質(zhì)中的B并不按原來的曲線減小，并且H=

0時，B不等于0，具有一定值，這種現(xiàn)象稱為剩磁。第20頁,共32頁，2024年2月25日，星期天21單晶磁疇結(jié)構(gòu)示意圖多晶磁疇結(jié)構(gòu)示意圖

在鐵磁質(zhì)中，相鄰鐵原子中的電子間存在著非常強(qiáng)的交換耦合作用，這個相互作用促使相鄰原子中電子的自旋磁矩平行排列起來，形成一個自發(fā)磁化達(dá)到飽和狀態(tài)的微小區(qū)域，這些自發(fā)磁化的微小區(qū)域稱為磁疇。3.磁疇

在沒有外磁場作用時，磁體體內(nèi)磁矩排列雜亂，任意物理無限小體積內(nèi)的平均磁矩為零。第21頁,共32頁，2024年2月25日，星期天22

在外磁場作用下，磁矩與外磁場同方向排列時的磁能將低于磁矩與外磁反向排列時的磁能，結(jié)果是自發(fā)磁化磁矩和外磁場成小角度的磁疇處于有利地位，這些磁疇體積逐漸擴(kuò)大，而自發(fā)磁化磁矩與外磁場成較大角度的磁疇體積逐漸縮小。隨著外磁場的不斷增強(qiáng)，取向與外磁場成較大角度的磁疇全部消失，留存的磁疇將向外磁場的方向旋轉(zhuǎn)，以后再繼續(xù)增加磁場，所有磁疇都沿外磁場方向整齊排列，這時磁化達(dá)到飽和。第22頁,共32頁，2024年2月25日，星期天23臨界溫度Tc。在Tc以上，鐵磁性完全消失而成為順磁質(zhì)，Tc稱為居里溫度或居里點(diǎn)。不同的鐵磁質(zhì)有不同的居里溫度Tc。純鐵：770oC，純鎳：358oC。居里裝置如圖所示：將懸掛著的鎳片移近永久磁鐵，即被吸住，說明鎳片在室溫下具有鐵磁性。用酒精燈加熱鎳片，當(dāng)鎳片的溫度升高到超過一定溫度時，鎳片不再被吸引，在重力作用下擺回平衡位置，說明鎳片的鐵磁性消失，變?yōu)轫槾判?。移去酒精燈，稍待片刻，鎳片溫度下降到居里點(diǎn)以下恢復(fù)鐵磁性，又被磁鐵吸住。第23頁,共32頁，2024年2月25日，星期天244.鐵磁質(zhì)的應(yīng)用作變壓器的軟磁材料。純鐵，硅鋼坡莫合金(Fe，Ni)，鐵氧體等。

r大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大，矯頑力(Hc)小，磁滯回線的面積窄而長，損耗小。用于繼電器、電機(jī)、以及各種高頻電磁元件的磁芯、磁棒。BH作永久磁鐵的硬磁材料鎢鋼，碳鋼，鋁鎳鈷合金B(yǎng)HHc-Hc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。第24頁,共32頁，2024年2月25日，星期天25作存儲元件的矩磁材料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)制的兩個態(tài)。錳鎂鐵氧體，鋰錳鐵氧體BHHc-Hc

壓磁材料具有較強(qiáng)的磁致伸縮效應(yīng)，常用于制造超聲波發(fā)生器。

鐵磁體在交變磁化磁場的作用下，它的形狀隨之改變，叫做磁致伸縮效應(yīng)。BHO第25頁,共32頁，2024年2月25日，星期天26§4磁路定理1.磁路的一般概念磁感應(yīng)通量（磁通）通過的區(qū)域稱為磁路。常用電工設(shè)備中的磁路圖第26頁,共32頁，2024年2月25日，星期天272.磁路定理

設(shè)截面積為S、長為l，磁導(dǎo)率為

的鐵環(huán)上，繞以緊密的線圈N匝，線圈中通過的電流為I。磁路的歐姆定理

m=NI為磁路的磁動勢，單位為A。

為閉合磁路的磁阻，單位為A/WB。

第27頁,共32頁，2024年2月25日，星期天28討論題討論

高壓容器在工業(yè)和民用領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用，如鍋爐、儲氣罐、家用煤氣壇等。由于高壓容器長期的使用、運(yùn)行,局部區(qū)域受到腐蝕、磨損或機(jī)械損害,從而會形成潛在的威脅.因此世界各國對于高壓容器的運(yùn)行都制定了嚴(yán)格的在役無損檢測標(biāo)準(zhǔn),以確保高壓容器的安全運(yùn)行。

目前無損檢測一般采用的方法有磁粉探傷、超聲波探傷和X射線探傷等方法。磁粉探傷依據(jù)的是介質(zhì)表面磁場分布的不連續(xù)性,可采用磁粉顯示;超聲波和X射線探傷利用了波動在介質(zhì)分界面反射的現(xiàn)象.這些方法有的儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣,有的數(shù)據(jù)處理麻煩、價格較高,對于家用容器的檢測就更為不方便.請根據(jù)所學(xué)的知識,探索一種利用鐵磁材料實現(xiàn)無損探傷的方法。第28頁,共32頁，2024年2月25日，星期天29根據(jù)LC振蕩電路的磁回路特性,一旦介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)裂紋,將會引起磁導(dǎo)率的突變,從而使回路的電磁參數(shù)發(fā)生變化。將這一結(jié)果用于鐵磁材料表面和內(nèi)部傷痕、裂紋的檢測中,其檢測方法原理簡單,操作方便,檢測靈敏度高。LC磁回路測量原理：磁回路的基本模型如圖所示。A是帶