Chp12磁介質(zhì)中的恒定磁場

1、磁介質(zhì)中的恒定磁場 第2頁 共22頁磁介質(zhì)磁介質(zhì)(magnetic medium): 能與磁場發(fā)生相互作用的物質(zhì)能與磁場發(fā)生相互作用的物質(zhì)磁介質(zhì)磁介質(zhì)被磁化被磁化附加磁場附加磁場電介質(zhì)電介質(zhì)被極化被極化附加電場附加電場極化電荷極化電荷0E外場外場磁化電流磁化電流0B外場外場削弱外場削弱外場?12.1 磁介質(zhì)及其磁化磁介質(zhì)及其磁化設(shè)外場磁感應(yīng)強(qiáng)度設(shè)外場磁感應(yīng)強(qiáng)度介質(zhì)磁化后附加磁場介質(zhì)磁化后附加磁場磁介質(zhì)中磁場磁介質(zhì)中磁場:BBB0相對磁導(dǎo)率相對磁導(dǎo)率(relative permeability):0rBB12.1.1 磁介質(zhì)及其分類磁介質(zhì)及其分類磁介質(zhì)中的恒定磁場 第3頁 共22頁0rBB真空螺

2、線管的磁場真空螺線管的磁場:nIB00介質(zhì)螺線管的磁場介質(zhì)螺線管的磁場:nIBBr00r磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率(permeability):r0磁介質(zhì)分類：磁介質(zhì)分類：順磁質(zhì)順磁質(zhì)(paramagnet): r 1, BB0, B 與與B0同向同向抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)(diamagnetic material): r 1,B1, BB0, B 與與B0同向同向 弱磁性介質(zhì)弱磁性介質(zhì)強(qiáng)磁性介質(zhì)強(qiáng)磁性介質(zhì)超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料 r = 0 B=0 完全抗磁性完全抗磁性磁介質(zhì)中的恒定磁場 第4頁 共22頁 磁介質(zhì)是由分子或原子組成的磁介質(zhì)是由分子或原子組成的,把分子和原子看成一個(gè)把分子和原子看成一個(gè)整體整體,分子或原子中的

3、各電子對外界產(chǎn)生磁效應(yīng)的總和分子或原子中的各電子對外界產(chǎn)生磁效應(yīng)的總和,可可以等效于一個(gè)圓電流以等效于一個(gè)圓電流,稱為稱為分子電流分子電流.12.1.2 分子磁矩分子磁矩 分子附加磁矩分子附加磁矩分子磁矩分子磁矩(molecular magnetic moment) 這種分子電流的磁矩是所有電子的軌道磁矩和自旋磁這種分子電流的磁矩是所有電子的軌道磁矩和自旋磁矩之矢量和矩之矢量和(忽略原子核中質(zhì)子和中子的自旋磁矩忽略原子核中質(zhì)子和中子的自旋磁矩),稱之稱之為分子的固有磁矩，簡稱為分子的固有磁矩，簡稱分子磁矩分子磁矩.用用 表示表示.mP磁介質(zhì)中的恒定磁場 第5頁 共22頁分子附加磁矩分子附加磁矩

4、忽略電子自旋忽略電子自旋, ,考察磁場對電子軌道磁矩的作用考察磁場對電子軌道磁矩的作用 附加磁矩總是與外磁場反向附加磁矩總是與外磁場反向?qū)τ谡麄€(gè)分子對于整個(gè)分子, ,附加磁矩附加磁矩mPmmmm+vfm電子反向運(yùn)動電子反向運(yùn)動v+fBB磁介質(zhì)中的恒定磁場 第6頁 共22頁12.1.3 順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的磁化順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的磁化電介質(zhì)電介質(zhì)磁介質(zhì)磁介質(zhì)分子分子模型模型分類分類電偶極電偶極子子分分子子電電流流分子中所有電子、原子核分子中所有電子、原子核固有磁矩的等效電流固有磁矩的等效電流有極分子有極分子電電 介介 質(zhì)質(zhì)無極分子無極分子電電 介介 質(zhì)質(zhì)0, 0eepp0,eepp順磁質(zhì)順磁質(zhì)抗磁質(zhì)抗磁

5、質(zhì)0mP0,mP0mP0,mP無外磁場無外磁場：順順磁磁質(zhì)質(zhì)抗抗磁磁質(zhì)質(zhì)磁介質(zhì)中的恒定磁場 第7頁 共22頁在外磁場中在外磁場中:0mP順磁質(zhì)順磁質(zhì)BPMm磁矩轉(zhuǎn)向外場方向磁矩轉(zhuǎn)向外場方向抗磁質(zhì)抗磁質(zhì) 在外磁場中在外磁場中, ,每個(gè)運(yùn)動電子都要產(chǎn)生與外磁場方向相反的每個(gè)運(yùn)動電子都要產(chǎn)生與外磁場方向相反的附加磁矩附加磁矩 , ,分子附加磁矩為分子附加磁矩為mmPm+-+mPmPmP-B+mmmmvvffBB磁介質(zhì)中的恒定磁場 第8頁 共22頁12.1.4 磁化強(qiáng)度矢量與磁化電流磁化強(qiáng)度矢量與磁化電流1. 磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度(magnetization): 反映磁化程度強(qiáng)弱反映磁化程度強(qiáng)弱VPPMm

6、m單位單位: 安培安培米米定義定義: 磁化強(qiáng)度為單位體積內(nèi)分子磁矩的矢量和磁化強(qiáng)度為單位體積內(nèi)分子磁矩的矢量和順磁質(zhì)順磁質(zhì):VPMPPmmm,方向與外磁場方向與外磁場 同向同向0B抗磁質(zhì)抗磁質(zhì): VPMPmm, 0方向與外磁場方向與外磁場 反向反向0B即即: 分子固有磁矩取向極化是順磁質(zhì)磁化的分子固有磁矩取向極化是順磁質(zhì)磁化的主要原因主要原因即即: 分子附加磁矩是抗磁質(zhì)的磁化的分子附加磁矩是抗磁質(zhì)的磁化的唯一原因唯一原因磁介質(zhì)中的恒定磁場 第9頁 共22頁2. 磁化電流磁化電流(magnetization current) 介質(zhì)磁化的宏觀效果介質(zhì)磁化的宏觀效果是在介質(zhì)橫截面邊緣出是在介質(zhì)橫截面

7、邊緣出現(xiàn)環(huán)形電流現(xiàn)環(huán)形電流, 這種電流這種電流稱為稱為“磁化電流磁化電流Is”. 磁化電流與傳導(dǎo)電流的區(qū)別磁化電流與傳導(dǎo)電流的區(qū)別: 磁化電流是分子內(nèi)電荷運(yùn)動磁化電流是分子內(nèi)電荷運(yùn)動一段段接合而成一段段接合而成, 不同于傳導(dǎo)電流的電荷定向運(yùn)動不同于傳導(dǎo)電流的電荷定向運(yùn)動, 又稱又稱束縛束縛電流電流, 其磁效應(yīng)與傳導(dǎo)電流相當(dāng)其磁效應(yīng)與傳導(dǎo)電流相當(dāng), 但不產(chǎn)生熱效應(yīng)但不產(chǎn)生熱效應(yīng).M0B磁介質(zhì)中的恒定磁場 第10頁 共22頁sjM 磁化面電流密度磁化面電流密度: 介質(zhì)表面單位長度上的磁化電流介質(zhì)表面單位長度上的磁化電流LIjss分子磁矩的矢量和分子磁矩的矢量和:ssSjLSLSjVSIM磁化強(qiáng)度在

8、數(shù)值上等于磁化電流面密度磁化強(qiáng)度在數(shù)值上等于磁化電流面密度, ,兩者關(guān)系由右螺兩者關(guān)系由右螺旋法則確定旋法則確定. .SIPPsmmM0BL可以推知可以推知: 磁化強(qiáng)度的環(huán)流為磁化強(qiáng)度的環(huán)流為sLIlMd磁介質(zhì)中的恒定磁場 第11頁 共22頁12.2 磁介質(zhì)中的高斯定理和安培環(huán)路定理磁介質(zhì)中的高斯定理和安培環(huán)路定理12.2.1 磁介質(zhì)中的高斯定理磁介質(zhì)中的高斯定理磁介質(zhì)中磁場磁介質(zhì)中磁場:BBB0M0B 由磁化電流產(chǎn)生的微觀機(jī)理由磁化電流產(chǎn)生的微觀機(jī)理可知可知: 磁化電流與傳導(dǎo)電流在磁化電流與傳導(dǎo)電流在產(chǎn)生磁場方面等效產(chǎn)生磁場方面等效磁化電流線是一系列閉合曲線磁化電流線是一系列閉合曲線BS0d

9、SSB磁介質(zhì)中的恒定磁場 第12頁 共22頁)(ds00IIlBL)d(00LlMI00dIlMBL定義磁場強(qiáng)度定義磁場強(qiáng)度(magnetic field intensity):MBH0單位單位: Am-112.2.2 磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理LM0BB0dIlHL磁介質(zhì)中安培環(huán)路定理磁介質(zhì)中安培環(huán)路定理: 磁場強(qiáng)度沿任一閉合回路的環(huán)流磁場強(qiáng)度沿任一閉合回路的環(huán)流, 等于閉合回路所包圍的等于閉合回路所包圍的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和傳導(dǎo)電流的代數(shù)和, 而在形式上與磁介質(zhì)中的磁化電流無關(guān)而在形式上與磁介質(zhì)中的磁化電流無關(guān).如圖取如圖取 L 回路回路磁介質(zhì)中的恒定磁場 第13頁 共22頁

10、對各向同性磁介質(zhì)對各向同性磁介質(zhì):HMm磁化率磁化率只與穿過只與穿過L的傳導(dǎo)電流代數(shù)和有關(guān)的傳導(dǎo)電流代數(shù)和有關(guān)內(nèi)內(nèi)）（LLIlH0d介質(zhì)中的安培環(huán)路定理介質(zhì)中的安培環(huán)路定理HHHMHBrm )1 ( )(000由由MBH0mr1介質(zhì)相對磁導(dǎo)率介質(zhì)相對磁導(dǎo)率r0 介質(zhì)磁導(dǎo)率介質(zhì)磁導(dǎo)率磁介質(zhì)中的恒定磁場 第14頁 共22頁0dIlHLHB在真空中在真空中:10rMHB0利用介質(zhì)中高斯定理求磁場的一般步驟利用介質(zhì)中高斯定理求磁場的一般步驟:1) 在對稱性分析基礎(chǔ)上選取適當(dāng)環(huán)路在對稱性分析基礎(chǔ)上選取適當(dāng)環(huán)路L2) 由由 求磁場強(qiáng)度求磁場強(qiáng)度H分布分布3) 由由 求磁感應(yīng)強(qiáng)度求磁感應(yīng)強(qiáng)度B分布分布4)

11、由由 、求磁化電流求磁化電流sjM 0dIlHLHB磁介質(zhì)中的恒定磁場 第15頁 共22頁例例12-1 為了測試某種材料的相對磁導(dǎo)率為了測試某種材料的相對磁導(dǎo)率,常將材料做成橫截常將材料做成橫截面為圓形的螺繞環(huán)芯子面為圓形的螺繞環(huán)芯子, 設(shè)環(huán)上繞有線圈設(shè)環(huán)上繞有線圈200匝匝, 平均圍長平均圍長0.1m, 橫截面積為橫截面積為5 10-5m2, 當(dāng)線圈內(nèi)通有電流當(dāng)線圈內(nèi)通有電流0.1A時(shí)用磁通時(shí)用磁通計(jì)測得穿過橫截面積的磁通量為計(jì)測得穿過橫截面積的磁通量為6 10-5 Wb, 試計(jì)算該材料試計(jì)算該材料的相對磁導(dǎo)率的相對磁導(dǎo)率.IlHLdNILHLNIHBr0r0截面磁場近似均勻截面磁場近似均勻

12、BSm30mr104.78NISL解：解： 選如圖所示的安培環(huán)路選如圖所示的安培環(huán)路rNOL磁介質(zhì)中的恒定磁場 第16頁 共22頁12.3 鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)12.3.1 鐵磁質(zhì)的特點(diǎn)鐵磁質(zhì)的特點(diǎn)高高 :隨隨 迅速增長迅速增長,平均斜率比非鐵平均斜率比非鐵 磁質(zhì)大得多磁質(zhì)大得多.非線性非線性:和和線性關(guān)系線性關(guān)系, 是一復(fù)是一復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系雜的函數(shù)關(guān)系非恒量非恒量.(hysteresis)的變化落后于的變化落后于 的的 變化變化.存在居里點(diǎn)存在居里點(diǎn) 臨界溫度時(shí)臨界溫度時(shí),失去鐵磁性失去鐵磁性 成為順磁質(zhì)成為順磁質(zhì).鐵鐵: T=1040K 鎳鎳: T=631K磁介質(zhì)中的恒定磁場 第17頁 共22頁O

13、Hmax磁導(dǎo)率曲線磁導(dǎo)率曲線:12.3.2 鐵磁質(zhì)的起始磁化曲線鐵磁質(zhì)的起始磁化曲線 磁滯回線磁滯回線nIH 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn): 鐵磁質(zhì)芯的螺線管鐵磁質(zhì)芯的螺線管, ,通以電流通以電流 IHB畫出畫出 曲線曲線H由由改變改變 I , 測量測量 H 值和值和 B 值值畫出畫出HB 曲線曲線HBO磁介質(zhì)中的恒定磁場 第18頁 共22頁Br-HsHsOabcdefHBHcOa: 起始磁化曲線起始磁化曲線Hs: 飽和磁場強(qiáng)度飽和磁場強(qiáng)度Br: 剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Hc: 矯頑力矯頑力(coercive force)起始磁化曲線起始磁化曲線 磁滯回線磁滯回線磁滯損耗磁滯損耗: 材料熱效應(yīng)大小與磁滯回線材

14、料熱效應(yīng)大小與磁滯回線(hysteresis loop)面積面積 成正比成正比磁滯效應(yīng)磁滯效應(yīng): 磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B變化變化磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度H的變化的變化磁介質(zhì)中的恒定磁場 第19頁 共22頁 磁滯損耗小磁滯損耗小, 容易磁化容易磁化, 容易容易退磁退磁, 適用于交適用于交變磁場變磁場. 如制造如制造電機(jī)電機(jī), 變壓器等變壓器等的鐵芯的鐵芯.鐵磁材料按磁滯回線分類鐵磁材料按磁滯回線分類適合于制適合于制造永磁體造永磁體適合于制作適合于制作記錄磁帶及計(jì)記錄磁帶及計(jì)算機(jī)的記憶元算機(jī)的記憶元件件BHOBHOBHO軟磁材料軟磁材料硬磁材料硬磁材料矩磁材料矩磁材料磁介質(zhì)中的恒定磁場 第20頁 共22頁

15、12.3.3 磁疇磁疇磁疇體積磁疇體積: 10-12 10-8m3包含原子包含原子: 1017 1021個(gè)個(gè) 鐵磁質(zhì)相鄰原子間鐵磁質(zhì)相鄰原子間存在很強(qiáng)的交換耦合存在很強(qiáng)的交換耦合作用作用, 使得無外場時(shí)使得無外場時(shí)電子自旋磁矩在微小電子自旋磁矩在微小區(qū)域內(nèi)自發(fā)地平行排區(qū)域內(nèi)自發(fā)地平行排列列, 形成一個(gè)個(gè)小的形成一個(gè)個(gè)小的自發(fā)磁化區(qū)自發(fā)磁化區(qū), 稱為稱為“磁疇磁疇”.磁介質(zhì)中的恒定磁場 第21頁 共22頁鐵磁質(zhì)在外磁場中的磁鐵磁質(zhì)在外磁場中的磁化過程主要為疇壁的移化過程主要為疇壁的移動和磁疇內(nèi)磁矩的轉(zhuǎn)向動和磁疇內(nèi)磁矩的轉(zhuǎn)向. 自發(fā)磁化方向逐漸自發(fā)磁化方向逐漸轉(zhuǎn)向外磁場方向轉(zhuǎn)向外磁場方向(磁磁疇轉(zhuǎn)向疇轉(zhuǎn)向), 直到所有磁直到所有磁疇都沿外磁場方向整疇都沿外磁場方向整齊排列時(shí)齊排列時(shí), 鐵磁質(zhì)就鐵磁質(zhì)就達(dá)到磁飽和狀態(tài)達(dá)到磁飽和狀態(tài). 磁