大學(xué)物理學(xué)電子教案ch10

1、第第10章章 磁介質(zhì)磁介質(zhì)電磁吊是工廠車間用的一種起重吊車電磁吊是工廠車間用的一種起重吊車, ,它的優(yōu)點(diǎn)是不需專門它的優(yōu)點(diǎn)是不需專門“抓物抓物”機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu), ,操作簡便操作簡便, ,特別適用于起吊鐵屑等一類細(xì)物特別適用于起吊鐵屑等一類細(xì)物. .本章內(nèi)容本章內(nèi)容10.1 磁介質(zhì)的分類磁介質(zhì)的分類10.2 磁介質(zhì)磁性的微觀解釋磁介質(zhì)磁性的微觀解釋10.3 有磁介質(zhì)時的磁高斯定理有磁介質(zhì)時的磁高斯定理 安培環(huán)路定理安培環(huán)路定理10.4 鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)10.1 磁介質(zhì)的分類磁介質(zhì)的分類主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：1. 什么是順磁質(zhì)？什么是順磁質(zhì)？2. 什么是抗磁質(zhì)？什么是抗磁質(zhì)？3. 什么是鐵磁質(zhì)什么是鐵磁質(zhì)?u

2、 磁介質(zhì)磁介質(zhì)u實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置（如圖所示）（如圖所示）u實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果（線圈（線圈L1通有電流通有電流I ）：環(huán)中無磁介質(zhì)時磁場為環(huán)中無磁介質(zhì)時磁場為 。0B環(huán)中有磁介質(zhì)時磁場為環(huán)中有磁介質(zhì)時磁場為 。B相對磁導(dǎo)率相對磁導(dǎo)率:0BBr( (反映磁介質(zhì)對磁場的影響程度反映磁介質(zhì)對磁場的影響程度) ) 磁化率磁化率: 1rm 在磁場作用下能被磁化并反過來影響磁場的物質(zhì)。在磁場作用下能被磁化并反過來影響磁場的物質(zhì)。u 磁介質(zhì)的分類磁介質(zhì)的分類順磁質(zhì)：順磁質(zhì)：抗磁質(zhì)：抗磁質(zhì)：1r減弱原場減弱原場0BB 1r增強(qiáng)原場增強(qiáng)原場0BB 弱磁性物質(zhì)弱磁性物質(zhì)(惰性氣體、惰性氣體、Li+ 、F- 、食鹽、水

3、等、食鹽、水等)(過渡族元素、稀土元素、錒族元素等過渡族元素、稀土元素、錒族元素等)1r順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的相對磁導(dǎo)率都非常接近于順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的相對磁導(dǎo)率都非常接近于1, 即即1r鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì))1010(421r（通常不是常數(shù)）（通常不是常數(shù)）具有顯著的增強(qiáng)原磁場的性質(zhì)具有顯著的增強(qiáng)原磁場的性質(zhì)強(qiáng)磁性物質(zhì)強(qiáng)磁性物質(zhì)(鐵、鈷、鎳及其合金等鐵、鈷、鎳及其合金等)10.2 磁介質(zhì)磁性的微觀解釋磁介質(zhì)磁性的微觀解釋主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：1. 原子或分子的固有磁矩原子或分子的固有磁矩2. 磁介質(zhì)在外磁場中產(chǎn)生的附加磁矩磁介質(zhì)在外磁場中產(chǎn)生的附加磁矩3. 束縛電流束縛電流(磁化電流磁化電流)m10.2.1 原

4、子或分子的固有磁矩原子或分子的固有磁矩原子中電子的軌道磁矩原子中電子的軌道磁矩rmIe原子中電子的自旋磁矩原子中電子的自旋磁矩分子固有磁矩分子固有磁矩 所有電子磁矩的總和。所有電子磁矩的總和。抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)無外場作用時，對外不顯磁性。無外場作用時，對外不顯磁性。順磁質(zhì)順磁質(zhì)無外場作用時，由于熱運(yùn)動，對外也不顯磁性。無外場作用時，由于熱運(yùn)動，對外也不顯磁性。分子固有磁矩為零分子固有磁矩為零分子固有磁矩不為零分子固有磁矩不為零10.2.2 磁介質(zhì)在外磁場中產(chǎn)生的附加磁矩磁介質(zhì)在外磁場中產(chǎn)生的附加磁矩m以電子的軌道運(yùn)動為例：以電子的軌道運(yùn)動為例：0BemLm0B0BemLm0B無論電子軌道運(yùn)動如何，外

5、磁場對它的力矩總使它產(chǎn)無論電子軌道運(yùn)動如何，外磁場對它的力矩總使它產(chǎn)生一個與外磁場方向相反的附加磁矩。生一個與外磁場方向相反的附加磁矩。m0B與與方向相反方向相反抗磁質(zhì)抗磁質(zhì) 分子的固有磁矩為零，附加磁矩產(chǎn)生附加磁場分子的固有磁矩為零，附加磁矩產(chǎn)生附加磁場, ,附附加磁場與外場方向相反加磁場與外場方向相反 抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)順磁質(zhì)順磁質(zhì) 分子的固有磁矩不為零，未加外磁場時，由于分子熱分子的固有磁矩不為零，未加外磁場時，由于分子熱運(yùn)動，各分子磁矩的取向是雜亂無章的，在宏觀上并運(yùn)動，各分子磁矩的取向是雜亂無章的，在宏觀上并不表現(xiàn)磁性不表現(xiàn)磁性; ;有外加磁場時，在磁力矩作用下，順磁質(zhì)有外加磁場時，在磁力

6、矩作用下，順磁質(zhì)內(nèi)部分子磁矩將要轉(zhuǎn)向外磁場方向有序的排列起來，內(nèi)部分子磁矩將要轉(zhuǎn)向外磁場方向有序的排列起來，這一加強(qiáng)外磁場的效應(yīng)和與外磁場反方向的附加磁場這一加強(qiáng)外磁場的效應(yīng)和與外磁場反方向的附加磁場相比，附加磁場完全被掩蓋了，因此，在順磁質(zhì)內(nèi)部相比，附加磁場完全被掩蓋了，因此，在順磁質(zhì)內(nèi)部外磁場被加強(qiáng)了外磁場被加強(qiáng)了順磁質(zhì)順磁質(zhì)。0BB10.2.3 束縛電流束縛電流( (磁化電流磁化電流) )分子固有磁矩等效為分子電流分子固有磁矩等效為分子電流m分子電流分子電流以充滿各向同性均勻順磁質(zhì)的以充滿各向同性均勻順磁質(zhì)的無限長螺線管為例無限長螺線管為例在磁介質(zhì)內(nèi)部的任一處，在磁介質(zhì)內(nèi)部的任一處，相鄰

7、的分子電流的方向相鄰的分子電流的方向相反，互相抵消。相反，互相抵消。0B順順磁磁質(zhì)質(zhì)BI在磁介質(zhì)表面處各點(diǎn)，分在磁介質(zhì)表面處各點(diǎn)，分子電流未被抵消，形成子電流未被抵消，形成束束縛電流縛電流 。介質(zhì)中磁場由傳導(dǎo)和束縛電流共同產(chǎn)生介質(zhì)中磁場由傳導(dǎo)和束縛電流共同產(chǎn)生BBB010.3 有磁介質(zhì)時的磁高斯有磁介質(zhì)時的磁高斯 定理和安培環(huán)路定理定理和安培環(huán)路定理主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：1. 有磁介質(zhì)時的磁高斯定理有磁介質(zhì)時的磁高斯定理2. 有磁介質(zhì)時的安培環(huán)路定理有磁介質(zhì)時的安培環(huán)路定理3. 磁場強(qiáng)度矢量磁場強(qiáng)度矢量H10.3.1 有磁介質(zhì)時的磁高斯定理有磁介質(zhì)時的磁高斯定理0BBB有磁介質(zhì)時的磁場由傳導(dǎo)電流

8、和束縛電流共同產(chǎn)生有磁介質(zhì)時的磁場由傳導(dǎo)電流和束縛電流共同產(chǎn)生磁介質(zhì)存在時，磁感應(yīng)線仍是一系列無頭無尾的閉合曲線磁介質(zhì)存在時，磁感應(yīng)線仍是一系列無頭無尾的閉合曲線0d0SSB0d SSB0d)(d0SSSBBSB無論是否有磁介質(zhì)存在無論是否有磁介質(zhì)存在, ,磁高斯定理都是普遍成立的。磁高斯定理都是普遍成立的。10.3.2 有磁介質(zhì)時的安培環(huán)路定理有磁介質(zhì)時的安培環(huán)路定理以充滿各向同性均勻順磁質(zhì)的長直螺線管為例。以充滿各向同性均勻順磁質(zhì)的長直螺線管為例。rnsabcd螺線管內(nèi)為真空時螺線管內(nèi)為真空時nIB00螺線管內(nèi)充滿各向同性螺線管內(nèi)充滿各向同性均勻順磁質(zhì)時均勻順磁質(zhì)時)(d0abnabIBa

9、blBsLLisIabnI00)()(0snIB相對磁導(dǎo)率相對磁導(dǎo)率 nInIBBSr000)(nInIrS00)(因而因而nIablBr0d令令r0磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率nIablBr0dLIlB傳d令令BHHB 磁場強(qiáng)度矢量磁場強(qiáng)度矢量LLIlH傳dH磁場強(qiáng)度矢量磁場強(qiáng)度矢量 沿所選閉合路徑的線積分等于閉合路徑所沿所選閉合路徑的線積分等于閉合路徑所包圍的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和包圍的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和 的安培環(huán)路定理的安培環(huán)路定理H一無限長載流直導(dǎo)線，其外部包圍一層磁介質(zhì)，相對磁一無限長載流直導(dǎo)線，其外部包圍一層磁介質(zhì)，相對磁導(dǎo)率導(dǎo)率 。 1r(1) 磁介質(zhì)中的磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度；磁介質(zhì)中的

10、磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度；(2) 介質(zhì)內(nèi)表面上的束縛電流。介質(zhì)內(nèi)表面上的束縛電流。r例例求求2R1RI解解 (1)根據(jù)磁介質(zhì)的安培環(huán)路定理根據(jù)磁介質(zhì)的安培環(huán)路定理rIrHlHL2drIH2HrIHB2r0r0(2)計算介質(zhì)內(nèi)表面上的束縛電流計算介質(zhì)內(nèi)表面上的束縛電流)(2d0IrBlBLrIB2/ )(rIHB2r0r0rIrI2/ )(2r0)(r III ) 1(rr2R1RIrH10.4 鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：1. 鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律3. 鐵磁質(zhì)的種類鐵磁質(zhì)的種類4. 磁疇磁疇2. 磁滯回線磁滯回線u 鐵磁質(zhì)的主要特征：鐵磁質(zhì)的主要特征： (1)高磁導(dǎo)率；高磁導(dǎo)率；

11、(2)非線性；非線性； (3)具有磁滯現(xiàn)象。具有磁滯現(xiàn)象。10.4.1 鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律 磁滯回線磁滯回線BHOHOsBim1. 鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律SSR 剩磁剩磁RB矯頑力矯頑力CHHBo2. 磁滯回線磁滯回線RCC(1) 鐵磁質(zhì)的磁化過程是不可逆的鐵磁質(zhì)的磁化過程是不可逆的 磁滯現(xiàn)象磁滯現(xiàn)象。 討論討論(4) 鐵磁質(zhì)的磁化狀態(tài)與鐵磁質(zhì)此前的磁化歷史有關(guān)鐵磁質(zhì)的磁化狀態(tài)與鐵磁質(zhì)此前的磁化歷史有關(guān)。(3) 鐵磁質(zhì)中鐵磁質(zhì)中HB 不是線性關(guān)系不是線性關(guān)系。(2) 在磁化過程中有能量損失在磁化過程中有能量損失磁滯損耗磁滯損耗 。10.4.2 鐵磁質(zhì)的種類鐵磁質(zhì)的種類B

12、HOBHOHC 較小較小HC 較大較大易磁化，易退磁易磁化，易退磁剩磁較強(qiáng)，不易退磁剩磁較強(qiáng)，不易退磁變壓器、電機(jī)、電磁鐵的鐵芯變壓器、電機(jī)、電磁鐵的鐵芯永久磁鐵永久磁鐵軟磁材料軟磁材料,硬磁材料硬磁材料, 說明說明鐵磁質(zhì)溫度高于某一溫度鐵磁質(zhì)溫度高于某一溫度TC 時時, 鐵磁質(zhì)轉(zhuǎn)化為順磁質(zhì)鐵磁質(zhì)轉(zhuǎn)化為順磁質(zhì), 此臨此臨界溫度稱為界溫度稱為居里溫度居里溫度或或居里點(diǎn)。居里點(diǎn)。10.4.3 磁疇磁疇在鐵磁質(zhì)中，相鄰電子之間存在著一種很強(qiáng)的在鐵磁質(zhì)中，相鄰電子之間存在著一種很強(qiáng)的“交換耦合交換耦合”作用，使得在沒有外磁場的情況下，它們的自旋磁矩能在作用，使得在沒有外磁場的情況下，它們的自旋磁矩能在

13、一個個微小區(qū)域內(nèi)一個個微小區(qū)域內(nèi)“自發(fā)地自發(fā)地”整齊排列起來整齊排列起來磁疇磁疇無無0B磁化方向與磁化方向與有有0B 整個鐵磁質(zhì)的總磁矩為零整個鐵磁質(zhì)的總磁矩為零同向的磁疇擴(kuò)大同向的磁疇擴(kuò)大0B磁化方向轉(zhuǎn)向磁化方向轉(zhuǎn)向0B的方向的方向使磁場大大增強(qiáng)使磁場大大增強(qiáng)外場撤去，被磁化的鐵磁質(zhì)受體內(nèi)雜質(zhì)和外場撤去，被磁化的鐵磁質(zhì)受體內(nèi)雜質(zhì)和內(nèi)應(yīng)力的阻礙，不能恢復(fù)磁化前的狀態(tài)。內(nèi)應(yīng)力的阻礙，不能恢復(fù)磁化前的狀態(tài)。0B磁疇的磁磁疇的磁化方向化方向本章小結(jié)本章小結(jié)1. 磁介質(zhì)的分類磁介質(zhì)的分類l順磁質(zhì)順磁質(zhì)l抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)1r1rl鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)1r2. 磁介質(zhì)的磁化磁介質(zhì)的磁化順磁質(zhì)：順磁質(zhì)： 分子的固有磁矩

14、受力矩的作用分子的固有磁矩受力矩的作用, ,使分子的固有磁矩使分子的固有磁矩趨于外磁場方向排列。這種取向排列使得原磁場得趨于外磁場方向排列。這種取向排列使得原磁場得到加強(qiáng)。到加強(qiáng)?？勾刨|(zhì)：抗磁質(zhì)： 它的分子沒有固有磁矩，附加磁矩產(chǎn)生附加磁場它的分子沒有固有磁矩，附加磁矩產(chǎn)生附加磁場, ,附加磁場與外場方向相反附加磁場與外場方向相反, ,使得原磁場得到減弱。使得原磁場得到減弱。束縛電流：束縛電流： 磁介質(zhì)被磁化后磁介質(zhì)被磁化后,在磁介質(zhì)表面出現(xiàn)磁化電流。在磁介質(zhì)表面出現(xiàn)磁化電流。3. 有磁介質(zhì)時的磁高斯定理和安培環(huán)路定理有磁介質(zhì)時的磁高斯定理和安培環(huán)路定理(1) 有磁介質(zhì)時的磁高斯定理有磁介質(zhì)時的磁高斯定理0d)(d0SSSBBSB無論