磁场中的磁介质.ppt

第第1919章章 磁场中的磁介质磁场中的磁介质顺顺磁质磁质 抗抗磁质磁质铁铁磁质磁质（铁、钴、镍等）（铁、钴、镍等）19.1 19.1 磁介质对磁介质对磁场的影响磁场的影响相对磁导率相对磁导率相对磁导率相对磁导率磁介磁介质种种类相相对磁磁导率率抗磁质抗磁质 r ＜＜1 铋(293K)(293K) 汞汞(293K)(293K) 铜(293K)(293K) 氢( (气体气体) ) 1-16.6×10 1-16.6×10-5-5 1-2.9×10 1-2.9×10-5-5 1-1.0×10 1-1.0×10-5-5 1-3.89×10 1-3.89×10-5-5顺磁质顺磁质 r ＞＞1 氧氧( (液液,90K),90K) 氧氧( (气气,293K),293K) 铝(293K)(293K) 铂(293K)(293K) 1+769.9×10 1+769.9×10-5-5 1+334.9×10 1+334.9×10-5-5 1+1.65×10 1+1.65×10-5-5 1+26.0×10 1+26.0×10-5-5铁磁质铁磁质 r ＞＞＞＞1 纯铁 硅硅钢 坡莫合金坡莫合金 5×10 5×103 3( (最大最大值) ) 7×10 7×102 2( (最大最大值) ) 1×10 1×105 5( (最大最大值) )19.2 19.2 19.2 19.2 原子的磁矩原子的磁矩原子的磁矩原子的磁矩+--+各电子磁矩各电子磁矩 近代科学证明，在原近代科学证明，在原子中，核外电子不仅存在子中，核外电子不仅存在绕原子核的轨道运动，还绕原子核的轨道运动，还存在自旋运动。

这些运动存在自旋运动这些运动都能形成微小的圆电流，都能形成微小的圆电流，产生磁效应产生磁效应 电子轨道运动的磁矩大小估计电子轨道运动的磁矩大小估计：：电子轨道运动的角动量为电子轨道运动的角动量为L=mevr，所以，所以量子力学：量子力学：例如：例如：氧原子轨道角动量的一个可能的值是：氧原子轨道角动量的一个可能的值是：相应的轨道磁矩为：相应的轨道磁矩为： 把分子或原子看作一个整体，分子或原子中各电把分子或原子看作一个整体，分子或原子中各电子对外产生磁效应的总和，可等效于一个圆电流，称子对外产生磁效应的总和，可等效于一个圆电流，称为为分子电流分子电流分子电流的磁矩称为分子电流的磁矩称为分子磁矩分子磁矩 一般情况下，有些物质分子的分子磁矩为零，这一般情况下，有些物质分子的分子磁矩为零，这就是就是抗磁质抗磁质有些物质的分子磁矩不为零，有一有些物质的分子磁矩不为零，有一固有固有磁矩磁矩，这就是，这就是顺磁质顺磁质无外磁场无外磁场顺顺 磁磁 质质 的的 磁磁 化化有外磁场有外磁场无外磁场：无外磁场：无外磁场：无外磁场：外磁场中：外磁场中： 物质分子的分子磁矩为零物质分子的分子磁矩为零抗磁质抗磁质。

物质的分子磁物质的分子磁矩不为零，有一矩不为零，有一固有磁矩固有磁矩就是就是顺磁质顺磁质 抗磁质抗磁质没有没有固有磁矩固有磁矩，在外磁场的作用下产生了，在外磁场的作用下产生了与外磁场方向相反的与外磁场方向相反的感生磁矩感生磁矩 在抗磁质和在抗磁质和顺磁质顺磁质中都中都会存在抗磁效应会存在抗磁效应，只是抗，只是抗磁效应与顺磁效应相比较而言要小得多，因此在顺磁磁效应与顺磁效应相比较而言要小得多，因此在顺磁质中，抗磁效应被顺磁效应所掩盖质中，抗磁效应被顺磁效应所掩盖 19.3 19.3 磁介磁介质的磁化的磁化顺磁质顺磁质在外磁场中在外磁场中 抗磁质抗磁质在外磁场中在外磁场中 介质磁化以后，由于分子磁矩的有序排列，其宏介质磁化以后，由于分子磁矩的有序排列，其宏观效果是在介质横截面边缘出现环形电流，这种电流观效果是在介质横截面边缘出现环形电流，这种电流称为称为“束缚束缚电流电流”即即“磁化电流磁化电流” 磁化电流与传导电流的区别：磁化电流与传导电流的区别：磁化电流与传导电流的区别：磁化电流与传导电流的区别：磁化电流是分子电磁化电流是分子电流规则排列的宏观反映，并不伴随电荷的定向运动，流规则排列的宏观反映，并不伴随电荷的定向运动，不产生热效应。

而传导电流是由大量电荷做定向运动不产生热效应而传导电流是由大量电荷做定向运动而形成的而形成的19.3 19.3 磁介磁介质的磁化的磁化 磁化强度：磁化强度：磁介质中某一点处单位体积内分子磁磁介质中某一点处单位体积内分子磁矩的矢量和矩的矢量和单位：单位： 磁介质磁化后，在一个小体积内个分子的磁矩的磁介质磁化后，在一个小体积内个分子的磁矩的矢量和不再为零矢量和不再为零 在一般的实验条件下，各向同性的顺磁质和抗磁在一般的实验条件下，各向同性的顺磁质和抗磁质（以及铁磁质在较弱的磁场中）的磁化强度与外磁质（以及铁磁质在较弱的磁场中）的磁化强度与外磁场成正比：场成正比： 下面讨论束缚电流与磁化下面讨论束缚电流与磁化强度之间的关系强度之间的关系与与dr铰链的总分子电流：铰链的总分子电流：一个分子磁矩：一个分子磁矩：单位体积内的分子磁矩：单位体积内的分子磁矩：nm面束缚电流密度面束缚电流密度 即面束缚电流密度等于该表面处的磁化强度沿表即面束缚电流密度等于该表面处的磁化强度沿表面的分量面的分量当当 θ = 0，即磁化强度矢量与表面平行使，即磁化强度矢量与表面平行使：： 介质内部与任意闭合回路介质内部与任意闭合回路L铰链的总束缚电流，等于与铰链的总束缚电流，等于与L上各个长度元铰链的束缚电上各个长度元铰链的束缚电流的积分：流的积分：19.4 19.4 H的的环路定理路定理 磁介质放在场中，磁介质受磁场的作用产生束缚磁介质放在场中，磁介质受磁场的作用产生束缚电流，这一束缚电流反过来又影响磁场分布，这时：电流，这一束缚电流反过来又影响磁场分布，这时： 载流导体和磁化了的磁介质载流导体和磁化了的磁介质组成的系统可以视为自由电流组成的系统可以视为自由电流I0和束缚电流和束缚电流I’(j’) 分布组成的电流分布组成的电流系统，所用这些电流产生磁场：系统，所用这些电流产生磁场：磁场强度磁场强度 磁介质磁介质中的中的安培环路安培环路定理定理 异曲同工之妙！异曲同工之妙！I 例例 有两个半径分别为有两个半径分别为 和和 的的“无限长无限长”同同轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁导率为轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁导率为 的的磁介质磁介质.当两圆筒通有相反方向的电流当两圆筒通有相反方向的电流 时，时，试求试求（（1）磁介质中任意点）磁介质中任意点 P 的磁感应强度的大小的磁感应强度的大小;（（2））圆柱体外面一点圆柱体外面一点 Q 的磁感强度。

的磁感强度解解 对称性分析对称性分析I同理可求同理可求II例例 长直螺线管内充满均匀磁介质长直螺线管内充满均匀磁介质 r单位长度上的匝数为单位长度上的匝数为n，通有电，通有电流流I求管内的磁感应强度和磁介求管内的磁感应强度和磁介质表面的面磁化电流密度质表面的面磁化电流密度顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质××解：解：管外磁场为零，取图示回路管外磁场为零，取图示回路根据：根据：××. ..10当环内是真空时当环内是真空时环内充满均匀介质时环内充满均匀介质时例：例：在均匀密绕螺绕环内充满均匀顺磁介质，已知螺绕在均匀密绕螺绕环内充满均匀顺磁介质，已知螺绕环中的传导电流为环中的传导电流为I，单位长度内匝数，单位长度内匝数n，环的横截面半，环的横截面半径比环的平均半径小得多，磁介质的相对磁导率和磁导径比环的平均半径小得多，磁介质的相对磁导率和磁导率分别为率分别为 r和和 求环内的磁场强度和磁感应强度求环内的磁场强度和磁感应强度解：解：在环内任取一点，过该点作一在环内任取一点，过该点作一和环同心、半径为和环同心、半径为 r 的圆形回路的圆形回路例例: :如如图图所所示示，，一一半半径径为为R1的的无无限限长长圆圆柱柱体体（（ ≈≈ 0 0 ））中中均均匀匀地地通通有有电电流流I，，在在它它外外面面有有半半径径为为R2的的无无限限长长同同轴轴圆圆柱柱面面，，两两者者之之间间充充满满着着磁磁导导率率为为 的的均均匀匀磁磁介介质质，，在在圆圆柱柱面面上上通通有有相相反反方方向向的的电电流流I。

试试求求（（1 1））圆圆柱柱体体外外圆圆柱柱面面内内一一点点的的磁磁场场；；（（2 2））圆圆柱柱体体内内一一点点磁磁场场；；（（3 3））圆圆柱柱面面外外一点的磁场一点的磁场解解: :（（1 1））当当两两个个无无限限长长的的同同轴轴圆圆柱柱体体和和圆圆柱柱面面中中有有电电流流通通过过时时，，它它们们所所激激发发的的磁磁场场是是轴轴对对称称分分布布的的，，而而磁磁介介质质亦亦呈呈轴轴对对称称分分布布，，因因而而不不会会改改变变场场的的这这种种对对称称分分布布设设圆圆柱柱体体外外圆圆柱柱面面内内一一点点到到轴轴的的垂垂直直距距离离是是r r1 1，，以以r r1 1为为半半径径作作一一圆圆，，取取此此圆圆为为积积分回路，根据安培环路定理有分回路，根据安培环路定理有IIIR1R2r2r1r3（（2 2））设设在在圆圆柱柱体体内内一一点点到到轴轴的的垂垂直直距距离离是是r2，，则则以以r2为为半半径径作作一一圆圆，，根根据据安安培环路定理有培环路定理有 式中式中 是该环路所包围的电流部分，由此得是该环路所包围的电流部分，由此得IIIR1R2r2r1r3由由B＝＝  H，，得得（（3 3））在在圆圆柱柱面面外外取取一一点点，，它它到到轴轴的的垂垂直直距距离离是是r3，，以以r3为为半半径径作作一一圆圆，，根根据据安安培培环环路路定定理理, ,考考虑虑到到环环路路中中所所包包围围的的电流的代数和为零，所以得电流的代数和为零，所以得: :IIIR1R2r2r1r319.5 19.5 铁磁磁质 当励当励磁电流为磁电流为 I 时：时：测出电流测出电流 I 就知道就知道 H。

再再用；另一方法测出用；另一方法测出 B就可以研究可以研究 B-H 以及以及  r-H 之间的关系之间的关系MNPOO磁滞回线磁滞回线矫顽力矫顽力 由于磁滞，由于磁滞，当磁场强当磁场强度减小到零（即度减小到零（即 ））时，时，磁感强度磁感强度 ，而，而是仍有一定的数值是仍有一定的数值 ，， 叫做叫做剩磁剩磁 当外磁场由当外磁场由 逐渐逐渐减小时，磁感强度减小时，磁感强度 B并不并不沿起始曲线沿起始曲线 0P 减小减小 ，而，而是沿是沿 PQ比较缓慢的减小，比较缓慢的减小，这种这种 B的变化落后于的变化落后于H的的变化的现象，叫做变化的现象，叫做磁滞现磁滞现象象 ，简称，简称磁滞磁滞O磁滞回线磁滞回线 磁畴磁畴：：铁磁质内的电子之间因自旋引起的相铁磁质内的电子之间因自旋引起的相互作用非常强烈，在铁磁质内部形成了一些微小互作用非常强烈，在铁磁质内部形成了一些微小区域，叫做磁畴区域，叫做磁畴 每一个磁畴中，各个电子的自旋磁矩排列每一个磁畴中，各个电子的自旋磁矩排列得很整齐。

磁畴大小约为得很整齐磁畴大小约为10101717-10-102121个原子个原子/10/10-18-18米米3 3无无外外磁磁场场有有外外磁磁场场 剩磁剩磁BrBr：：当磁场强度减小到零时，磁感应强度并当磁场强度减小到零时，磁感应强度并不等于零，而是仍有一定的数值不等于零，而是仍有一定的数值Br，，Br叫做剩余磁感叫做剩余磁感应强度，简称剩磁应强度，简称剩磁 饱和磁感应强度饱和磁感应强度B BS S ：：所有磁所有磁畴都与外场方向一致相应的磁畴都与外场方向一致相应的磁场强度称为饱和磁场强度，磁感场强度称为饱和磁场强度，磁感应强度称为饱和磁感应强度应强度称为饱和磁感应强度 矫顽力矫顽力H HC C：：当当H=- -Hc时，铁磁质的剩磁就消失了，时，铁磁质的剩磁就消失了，铁磁质不显磁性通常把铁磁质不显磁性通常把Hc叫做矫顽力叫做矫顽力 铁磁质在交变电流的励磁下反复磁化使其温度铁磁质在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高的，要损失能量，称为磁滞损耗，磁滞损耗与升高的，要损失能量，称为磁滞损耗，磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比磁滞回线所包围的面积成正比。

磁滞现象是由于掺杂和内磁滞现象是由于掺杂和内应力等的作用，当撤掉外磁场应力等的作用，当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状，而表现出来的形状，而表现出来 软磁材料：软磁材料：纯铁，坡莫合金，硅钢，铁氧体等纯铁，坡莫合金，硅钢，铁氧体等特点：特点： r大，饱和磁感应强度大，大，饱和磁感应强度大，矫顽力小，磁滞回矫顽力小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小线的面积窄而长，损耗小易磁化、易退磁易磁化、易退磁适用于适用于变压器、继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁变压器、继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒芯、磁棒 硬磁材料：硬磁材料：钨钢，碳钢，铝镍钴合金适用于做钨钢，碳钢，铝镍钴合金适用于做永磁铁：耳机中的永久磁铁，永磁扬声器永磁铁：耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。