第13章 磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)

1、第13章 磁介質(zhì)中的磁場(chǎng) 本章學(xué)習(xí)目標(biāo)1了解磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響。2理解磁介質(zhì)中安培環(huán)路定理的意義。3了解鐵磁質(zhì)的一些特性。 本章教學(xué)內(nèi)容1磁介質(zhì) 順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的磁化2磁場(chǎng)強(qiáng)度 磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理3鐵磁質(zhì) 本章教學(xué)重點(diǎn)了解磁介質(zhì)磁化的微觀機(jī)制的基礎(chǔ)上理解磁場(chǎng)強(qiáng)度的定義及其環(huán)路定理的意義。 本章教學(xué)難點(diǎn)在磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理的實(shí)際應(yīng)用。 本章學(xué)習(xí)方法建議及參考資料本章的重點(diǎn)在于了解磁介質(zhì)磁化的微觀機(jī)制的基礎(chǔ)上理解磁場(chǎng)強(qiáng)度的定義及其環(huán)路定理的意義。要強(qiáng)調(diào)注意H是一個(gè)輔助物理量沒(méi)有直接的物理意義，H的環(huán)流只與傳導(dǎo)電流有關(guān)，但H本身一般不是僅由傳導(dǎo)電流決定；有介質(zhì)存在時(shí)安培環(huán)路定理是描述磁場(chǎng)性質(zhì)

2、的基本定理之一，也是普遍的電磁場(chǎng)方程之一，要著重講解；對(duì)于鐵磁性介質(zhì)的討論以介紹磁化曲線(xiàn)的磁滯回線(xiàn)為主，適當(dāng)介紹磁疇。要求學(xué)生明確鐵磁質(zhì)的磁化率和磁導(dǎo)率不是常數(shù)。參考資料：程守洙普通物理學(xué)（第五版）、張三慧大學(xué)物理基礎(chǔ)學(xué)及馬文蔚物理學(xué)教程等教材。§13.1 磁介質(zhì)、順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的磁化一、磁介質(zhì)的磁化順磁質(zhì)（）、抗磁質(zhì)（）、鐵磁質(zhì)（）二、順磁質(zhì)的磁化分子磁矩，在分子中運(yùn)動(dòng)電子對(duì)外磁效應(yīng)的總和可以用一個(gè)等效的圓電流表示，稱(chēng)為分子電流，其磁矩稱(chēng)為分子磁矩。B0B¢在外場(chǎng)作用下順磁質(zhì)的磁化對(duì)于順磁性物質(zhì)，因?yàn)槠涿總€(gè)分子具有一不定期的固有磁矩，當(dāng)在外磁場(chǎng)作用時(shí)，各分子磁矩受到磁力矩

3、的作用，固有磁矩將力圖轉(zhuǎn)動(dòng)外場(chǎng)方向來(lái)，這樣，其產(chǎn)生的與外場(chǎng)方向相同，這即是順磁性的機(jī)制。當(dāng)分子的固有磁矩為零時(shí)，物質(zhì)顯示為抗磁性，當(dāng)分子的固有磁矩不為零時(shí)，因?yàn)?gt;>（固有磁矩遠(yuǎn)大于附加磁矩），雖然有抗磁性存在，但其作用太小，因而顯示為順磁性，所以說(shuō)，抗磁性存在于一切磁介質(zhì)中。三、抗磁質(zhì)的磁化抗磁性是由于分子或原子內(nèi)部的電子軌道運(yùn)動(dòng)在外場(chǎng)的作用下進(jìn)動(dòng)的結(jié)果，抗磁性存在于一切磁介質(zhì)當(dāng)中。在外磁場(chǎng)作用下，電子除繞原子核運(yùn)動(dòng)和自旋外，還要以外場(chǎng)方向?yàn)檩S轉(zhuǎn)動(dòng)，稱(chēng)為電子的進(jìn)動(dòng)，不論電子的原來(lái)運(yùn)動(dòng)情況如何，如果面對(duì)著的方向來(lái)看，進(jìn)動(dòng)的轉(zhuǎn)向（電子動(dòng)量繞轉(zhuǎn)動(dòng)的方向）總是反時(shí)針的，電子的進(jìn)動(dòng)相當(dāng)于一個(gè)

4、圓電流，因電子帶負(fù)電，其產(chǎn)生的附加磁矩的方向永遠(yuǎn)與反向，這即是抗磁性的機(jī)制。如下圖。iDpmpPmB0eDpmpPmB0圖1 在外磁場(chǎng)中電子的進(jìn)動(dòng)和附加磁場(chǎng)四、磁化強(qiáng)度矢量定義：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)分子磁矩的總和，即：；為分子磁矩單位：安培·米-1，代號(hào)安·米-1（A·m-1）§13.2 磁場(chǎng)強(qiáng)度 介質(zhì)中的安培環(huán)路定理一、磁場(chǎng)強(qiáng)度磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理ILCDAB下面應(yīng)用安培環(huán)路定律研究繞有長(zhǎng)螺線(xiàn)管的介質(zhì)中的，取回路ABCD有： （1）；Is為分子電流元引起的穿過(guò)閉合回路的分布電流。CDABa321設(shè)分子園電流的半徑為a，則對(duì)閉合回路有貢獻(xiàn)的分子電流，只有在體積中

5、的，如1無(wú)貢獻(xiàn)，3即穿入又穿出，則：；其中n為介質(zhì)中單位體積的磁矩?cái)?shù)。；則；（1）式可寫(xiě)為：改寫(xiě)為： （2）記為磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位與相同。有： （3）（3）式即為磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定律，它說(shuō)明：磁場(chǎng)強(qiáng)度沿任何回路的線(xiàn)積分，等于通過(guò)該回路的電流之和。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知： （4）xm為介質(zhì)的磁化率，xm>0為順磁質(zhì)，xm<0為抗磁質(zhì)。為相對(duì)磁導(dǎo)率，為磁導(dǎo)率。在介質(zhì)中，畢-薩定律形式為：和 （4）說(shuō)明：與一樣，是引進(jìn)的一個(gè)物理量。例如圖，求無(wú)限長(zhǎng)同軸圓柱體問(wèn)P和外面Q點(diǎn)的磁感強(qiáng)度。解：對(duì)介質(zhì)中的P點(diǎn)，作如圖所示回路有：RmrIIQPr（先分析及的方向）即：對(duì)介質(zhì)外的Q點(diǎn)，作回路2：有§1

6、3.3 鐵磁質(zhì)一、鐵磁質(zhì)的磁化性能1磁疇在鐵磁質(zhì)內(nèi)部，原子問(wèn)相互作用是非常強(qiáng)烈的，內(nèi)部形成一些小區(qū)域，叫做磁疇，在磁疇中，原子的磁矩排列的很整齊，因此它具有很強(qiáng)的磁性，稱(chēng)為自發(fā)磁化，當(dāng)加上外場(chǎng)時(shí)，各磁疇中的磁矩沿外場(chǎng)取向，顯示出很強(qiáng)的磁性，其形狀如下圖。無(wú)外磁場(chǎng)對(duì)外不顯磁性有外磁場(chǎng)對(duì)外顯強(qiáng)磁性根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，磁疇的體積約為10-12m3，其中含有10121015個(gè)原子。2磁化曲線(xiàn)：HBB=f(H)qO對(duì)順磁質(zhì)（抗磁質(zhì)），m為常數(shù)，B與H是線(xiàn)性關(guān)系，其磁化曲線(xiàn)為直線(xiàn)： 但對(duì)鐵磁質(zhì)，其線(xiàn)性關(guān)系即不存在了，下圖為鐵磁質(zhì)的磁化曲線(xiàn)，也叫初始磁化曲線(xiàn)。BHO1234Bmax0-1：B隨H逐漸增大，到達(dá)1后

7、，B迅速增大，這是因?yàn)榇女犙匚覉?chǎng)方向迅速排列的緣故，到達(dá)2以后，B增加的緩慢了，而到達(dá)4點(diǎn)后，增加H時(shí)，B幾乎不變了。bmax叫飽和磁感強(qiáng)度，這說(shuō)明，此時(shí)幾乎所有磁疇都已趨于外場(chǎng)方向了。由實(shí)驗(yàn)知，鐵磁質(zhì)的磁化和溫度有關(guān)，磁化能力與溫度升高而減小，當(dāng)達(dá)到某一溫度時(shí)，鐵磁質(zhì)就近化為順磁質(zhì)，這個(gè)溫度叫居里溫度或居里點(diǎn)，這是因?yàn)?，劇烈的分子熱運(yùn)動(dòng)破壞了磁疇。3磁滯回線(xiàn)Br為剩余磁感強(qiáng)度，稱(chēng)為剩磁（即H=0時(shí)，B=Br），Hc為矯頑力（B=0時(shí)，H=Hc）代表鐵樣質(zhì)抵抗去磁的能力。HBBmBrHmHcOaba¢b¢磁滯現(xiàn)象是鐵磁質(zhì)的一個(gè)重要特性。如右圖所示，當(dāng)磁場(chǎng)從Hm開(kāi)始減小時(shí)，B

8、并不沿起始曲線(xiàn)0a減小，而是沿另一條曲線(xiàn)ab緩慢地減小，這種B的變化落后于H的變化現(xiàn)象叫做磁滯現(xiàn)象。由于磁滯的原因，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H減小到0時(shí)，B仍有一定的數(shù)值Br，Br稱(chēng)為剩余磁感強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱(chēng)剩磁。當(dāng)反向磁場(chǎng)增加到H=-Hc時(shí)，B等于0，這時(shí)鐵磁質(zhì)的剩磁消失了，Hc稱(chēng)為矯頑力。表示鐵磁質(zhì)抵抗去磁的能力。當(dāng)反向磁場(chǎng)繼續(xù)增加到-Hm時(shí)，材料反向磁化同樣達(dá)到飽和點(diǎn)a¢，此后，反向磁場(chǎng)逐漸減弱到零，B-H曲線(xiàn)便沿a¢b¢變化；正向磁場(chǎng)增加時(shí)，B-H曲線(xiàn)沿b¢a變化，形成一個(gè)閉合曲線(xiàn)，從而完成一個(gè)循環(huán)，這個(gè)閉合曲線(xiàn)稱(chēng)為磁滯回線(xiàn)。鐵磁質(zhì)在交變電場(chǎng)中被反復(fù)磁化時(shí)，磁滯效應(yīng)是損耗能量的，所損耗的能量與磁滯回線(xiàn)所包圍的面積成正比。二、鐵磁質(zhì)的性質(zhì)和分類(lèi)根據(jù)上面的實(shí)驗(yàn)可以看出鐵磁質(zhì)具有三條重要的性質(zhì)：性質(zhì)1：高值，即鐵磁質(zhì)的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于真空中的磁導(dǎo)率。性質(zhì)2：非線(xiàn)性，即鐵磁質(zhì)B與H之間不存在線(xiàn)性關(guān)系。性質(zhì)3：磁滯。三、鐵磁質(zhì)的應(yīng)用磁屏蔽在兩種介質(zhì)的交界面上，磁感應(yīng)強(qiáng)度經(jīng)折射發(fā)生變化，即發(fā)生磁感線(xiàn)（B線(xiàn)）折射，從而可能發(fā)生磁屏蔽，如圖