電磁學(xué)課件第5章磁介質(zhì)

第5章磁場(chǎng)中的磁介質(zhì)5.1磁介質(zhì)一物質(zhì)的磁性

磁性：物質(zhì)的基本屬性之一，即物質(zhì)的磁學(xué)特性吸鐵石——天然磁體——具有強(qiáng)磁性多數(shù)物質(zhì)一般情況下沒(méi)有明顯的磁性磁介質(zhì)（magneticmedium）：對(duì)磁場(chǎng)有一定響應(yīng),并能反過(guò)來(lái)影響磁場(chǎng)的物質(zhì)一般物質(zhì)在較強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下都顯示出一定程度的磁性，即都能對(duì)磁場(chǎng)的作用有所響應(yīng)，所以都是磁介質(zhì)

磁化（magnetization）在外磁場(chǎng)的作用下，原來(lái)沒(méi)有磁性的物質(zhì)，變得具有磁性，簡(jiǎn)稱(chēng)磁化。磁介質(zhì)被磁化后，會(huì)產(chǎn)生附加磁場(chǎng)，從而改變?cè)瓉?lái)空間磁場(chǎng)的分布。物質(zhì)的磁性起源于原子的磁性簡(jiǎn)單模型：分子電流嚴(yán)格的磁學(xué)理論必須建立在量子力學(xué)基礎(chǔ)上磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響真空中有介質(zhì)時(shí)類(lèi)比電介質(zhì)中的電場(chǎng)傳導(dǎo)電流產(chǎn)生磁化電流產(chǎn)生在介質(zhì)均勻充滿(mǎn)磁場(chǎng)的情況下定義

r介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率磁介質(zhì)分類(lèi)：（1）順磁性介質(zhì)：附加磁場(chǎng)B

與外場(chǎng)B0同向。B>B0,

r>1（2）抗磁性介質(zhì)：附加磁場(chǎng)B

與外場(chǎng)B0反向。B<B0,

r<1（3）鐵磁性介質(zhì)：附加磁場(chǎng)B

與外場(chǎng)B0同向。B>>B0,

r>>1（4）完全抗磁體：（

r

＝0）：B

＝0，磁介質(zhì)內(nèi)的磁場(chǎng)等于零（如超導(dǎo)體）。弱磁質(zhì)強(qiáng)磁質(zhì)分子電流：分子磁矩(軌道磁矩+自旋磁矩)等效為一個(gè)圓電流的磁矩.5.2磁介質(zhì)的磁化機(jī)理磁化電流軌道磁矩自旋磁矩順磁性介質(zhì)抗磁性介質(zhì)分子圓電流和磁矩1.順磁質(zhì)特點(diǎn)：存在分子固有磁矩。無(wú)外磁場(chǎng)：外磁場(chǎng)中：2.抗磁質(zhì)特點(diǎn)：分子固有磁矩等于零，因此不存在順磁效應(yīng)。若任何磁介質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下電子軌道半徑不變，角速度發(fā)生改變。軌道電流:軌道磁矩：圓周運(yùn)動(dòng)的向心力：討論加外磁場(chǎng)（1）、（2）、稱(chēng)為分子的抗磁效應(yīng)結(jié)論：附加電子磁矩

的方向總是和外磁場(chǎng)方向相反。磁介質(zhì)中大量分子的附加磁矩在宏觀上的磁效應(yīng)削弱外磁場(chǎng)，我們把它稱(chēng)為“抗磁效應(yīng)”。

任何磁介質(zhì)都有抗磁性,在順磁物質(zhì)中Pm

產(chǎn)生的B

遠(yuǎn)大于

Pm產(chǎn)生的B

,故物質(zhì)呈順磁性.(忽略

Pm的影響)而在抗磁質(zhì)中,由于分子的電結(jié)構(gòu)不同,固有分子磁矩Pm

=0,則物質(zhì)的抗磁性就突現(xiàn)出來(lái)了.說(shuō)明：1.磁化強(qiáng)度為了反映磁化程度的強(qiáng)弱磁化強(qiáng)度：磁介質(zhì)中某一點(diǎn)處單位體積內(nèi)分子磁矩的矢量和。單位：2.磁化強(qiáng)度是空間坐標(biāo)的矢量函數(shù)。當(dāng)磁化強(qiáng)度矢量為恒矢量時(shí)，磁介質(zhì)被均勻磁化。注意:（宏觀小微觀大）5.3磁介質(zhì)的磁化磁化強(qiáng)度

V內(nèi)2.磁化電流以長(zhǎng)直螺線管為例（在均勻磁化的磁介質(zhì)中沿外磁場(chǎng)截取一個(gè)圓柱體）：抗磁質(zhì)，磁化電流與傳導(dǎo)電流反向。磁化面電流順磁質(zhì)3.磁化電流與磁化強(qiáng)度關(guān)系：---磁化面電流密度：介質(zhì)表面單位長(zhǎng)度上的磁化電流磁化強(qiáng)度矢量：Isl磁化強(qiáng)度和磁化電流滿(mǎn)足右手螺旋關(guān)系，注意該結(jié)論只適用于均勻磁介質(zhì)被均勻磁化。磁化電流與傳導(dǎo)電流傳導(dǎo)電流載流子的定向流動(dòng)，是電荷遷移的結(jié)果，產(chǎn)生焦耳熱，產(chǎn)生磁場(chǎng)，遵從電流產(chǎn)生磁場(chǎng)規(guī)律

磁化電流

磁介質(zhì)受到磁場(chǎng)作用后被磁化的后果，是大量分子電流疊加形成的在宏觀范圍內(nèi)流動(dòng)的電流，是大量分子電流統(tǒng)計(jì)平均的宏觀效果

相同之處：同樣可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，遵從電流產(chǎn)生磁場(chǎng)規(guī)律

不同之處：電子都被限制在分子范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，與因電荷的宏觀遷移引起的傳導(dǎo)電流不同；分子電流運(yùn)行無(wú)阻力，即無(wú)熱效應(yīng)

磁化的后果三者從不同角度定量地描繪同一物理現(xiàn)象

——磁化，之間必有聯(lián)系，這些關(guān)系——磁介質(zhì)磁化遵循的規(guī)律Isadcb磁化強(qiáng)度對(duì)閉合路徑的環(huán)流：結(jié)論：磁化強(qiáng)度沿閉合回路的環(huán)流，等于穿過(guò)回路所包圍面積的磁化電流。5.4磁場(chǎng)強(qiáng)度HH的環(huán)路定理1.有介質(zhì)存在時(shí)的安培環(huán)路定理定義“磁場(chǎng)強(qiáng)度”單位：存在磁介質(zhì)時(shí)的安培環(huán)路定理：說(shuō)明:(1)

I是環(huán)路包圍的傳導(dǎo)電流之和,不包括磁化電流.(2)I的正負(fù)規(guī)定與真空中該定理的規(guī)定相同.(3)由環(huán)路定理,H的環(huán)流僅由

I決定,但環(huán)路上任一點(diǎn)的H值仍由空間所有電流決定.(4)當(dāng)磁場(chǎng)中充滿(mǎn)均勻的各向同性磁介質(zhì)時(shí),可由H的環(huán)路定理先求H,后求B.實(shí)驗(yàn)表明:對(duì)各向同性非鐵磁質(zhì)或:--磁導(dǎo)率均勻介質(zhì)

r為常數(shù),非均勻介質(zhì)

r為點(diǎn)函數(shù).是無(wú)量綱的量.叫磁化率,它隨磁介質(zhì)的性質(zhì)而異.相對(duì)磁導(dǎo)率（1）真空中：（2）順磁質(zhì)：（3）抗磁質(zhì)：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)）物理量高斯定理環(huán)路定理性質(zhì)方程Io

r

r例.一半徑為R1的無(wú)限長(zhǎng)圓柱形直導(dǎo)線，外面包一層半徑為R2，相對(duì)磁導(dǎo)率為

r的圓筒形磁介質(zhì)。通過(guò)導(dǎo)線的電流為I0

。求磁介質(zhì)內(nèi)外磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布。解：R2R1介質(zhì)中用環(huán)路定理求解的一般步驟：

鐵磁質(zhì)的磁化機(jī)制1.磁疇:鐵磁質(zhì)內(nèi)部存在著分區(qū)自發(fā)磁化的小區(qū)域.2.磁化機(jī)制:無(wú)外場(chǎng)時(shí),各磁疇排列無(wú)序,對(duì)外不顯磁性有外場(chǎng)時(shí),各磁疇的磁矩趨于沿外磁場(chǎng)排列—磁化.5.5

鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)的一般特性.1.在外磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)B

>>B0.2.磁導(dǎo)率不是恒量,一般有

=

(H)3.外場(chǎng)撤除后,仍有剩磁存在.4.居里溫度:當(dāng)溫度超過(guò)某溫度時(shí),鐵磁質(zhì)變?yōu)轫槾刨|(zhì).

不是常量.因此B與H的關(guān)系非線性.HBO順磁質(zhì)抗磁質(zhì)H

O從圖可見(jiàn):H,B

到M點(diǎn);最后到飽和P點(diǎn).

i

max對(duì)鐵磁質(zhì)，

隨外磁場(chǎng)H變化而變化.即對(duì)B=H

關(guān)系BmH,B

到N點(diǎn);鐵磁質(zhì)?M?N?P磁化曲線P+HmHBBm?QBrP

Hc?－Hm?Q

當(dāng)外場(chǎng)H由0增加時(shí)，磁介質(zhì)內(nèi)B非線性增加到P當(dāng)H變小時(shí),B并不原路返回而是沿PQP

變化.當(dāng)H=0時(shí),B=Br

叫剩磁當(dāng)H反向

=Hc時(shí),B=0Hc叫矯頑力,表示鐵磁質(zhì)抵抗去磁的能力.當(dāng)H再?gòu)模璈m增加到+Hm時(shí),曲線為P

Q

P這樣B—H曲線就形成了一個(gè)閉合曲線,稱(chēng)為磁滯回線.注意:磁滯效應(yīng)是要損耗能量的.磁滯回線05101520磁強(qiáng)計(jì)A測(cè)量H測(cè)量B

的探頭（霍爾元件）電阻換向開(kāi)關(guān)電流表螺繞環(huán)鐵環(huán)狹縫測(cè)量磁滯回線的實(shí)驗(yàn)裝置從磁強(qiáng)計(jì)中可以測(cè)得B

根據(jù)電流的測(cè)量再由式:得到H

磁性材料特點(diǎn)：磁導(dǎo)率大，矯頑力小，磁滯回線窄。特點(diǎn)：剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度大，接近