大學物理教程 ch10-5

1、?第三篇第三篇 相互作用和場相互作用和場第十章第十章 運動電荷間的相互作用和穩(wěn)恒磁場運動電荷間的相互作用和穩(wěn)恒磁場二二 . . 載流導線所受磁場力載流導線所受磁場力一一 . . 運動電荷所受磁場力運動電荷所受磁場力三三 . . 載流線圈所受磁力矩載流線圈所受磁力矩 10.4 10.4 磁場對運動電荷及電流的作用磁場對運動電荷及電流的作用( (續(xù)續(xù)) )四四 . . 磁力的功磁力的功mISBIaaBIlaaFA IS FBlaa mIBSIBISMA d)cosd( dsindd mIAA d（ 為恒量）為恒量）IBI mFmFmP sinsinBISBPMm 使使 磁力的功磁力的功 = =電流

2、強度電流強度 穿過回路磁通量增量穿過回路磁通量增量 = =電流強度電流強度 載流導線切割磁力線條數(shù)載流導線切割磁力線條數(shù) 推廣：推廣：練習：練習： p 312 10.23 BAICDa4501 A)242135cos)2IBaIBSA 物質(zhì)物質(zhì) 分子，原子中均存在運動電荷分子，原子中均存在運動電荷磁場磁場相互作用相互作用物質(zhì)物質(zhì) 磁介質(zhì)磁介質(zhì)順磁質(zhì)順磁質(zhì)抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)與電介質(zhì)類比與電介質(zhì)類比 10.5 10.5 順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)電介質(zhì)電介質(zhì)磁介質(zhì)磁介質(zhì)分子分子模型模型電偶極子電偶極子分子電流：分子電流：分子中所有原子（電子，原子核）分子中所有原子（電子，原子核）固固 有有

3、 磁磁 矩矩 的的 等等 效效 電電 流流比較（比較（電介質(zhì)與磁介質(zhì)電介質(zhì)與磁介質(zhì)）順磁質(zhì)順磁質(zhì)順磁質(zhì)順磁質(zhì)0 mp0 mp,抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)0 mp0 mp,抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)極化極化磁化磁化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 ep0 ep,0 ep0 ep, 有極分子有極分子無極分子無極分子電介質(zhì)電介質(zhì)磁介質(zhì)磁介質(zhì)外場中外場中無外場無外場比較比較抗磁質(zhì)：抗磁質(zhì)：相當于圖中兩相當于圖中兩種情況疊加，種情況疊加，仍產(chǎn)生與仍產(chǎn)生與 反反向的附加磁矩向的附加磁矩0B外場外場 中：磁介質(zhì)的磁化中：磁介質(zhì)的磁化0B以以順磁質(zhì)順磁質(zhì)為例：在為例：在 作用下作用下0BpMm （2 2

4、）產(chǎn)生與產(chǎn)生與 反向的附加磁矩反向的附加磁矩mp 0B（1 1） 轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向 方向方向mp0BLmp LmpmF0B旋進旋進0Bmpmp LmFL旋進旋進宏觀效果宏觀效果1 .1 .介質(zhì)中總磁矩不為零介質(zhì)中總磁矩不為零與與 反向反向抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)0 mp0B0BmP 與與 同向同向順磁質(zhì)順磁質(zhì) mp mp0 mp0B0BmP mP mPmPmP mP mPmP2 .2 .介質(zhì)表面出現(xiàn)磁化電流介質(zhì)表面出現(xiàn)磁化電流抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)0BsILS0BsI順磁質(zhì)順磁質(zhì)0BLS0BsIsI電介質(zhì)電介質(zhì)磁介質(zhì)磁介質(zhì)與場相互與場相互作用機制作用機制描描 述述比較比較轉(zhuǎn)向極化轉(zhuǎn)向極化位移極化位移極化0 ep均產(chǎn)生與均產(chǎn)

5、生與 反向的附加磁矩反向的附加磁矩0Bmp 抗磁質(zhì)：只有抗磁質(zhì)：只有 mp順磁質(zhì)：轉(zhuǎn)向順磁質(zhì)：轉(zhuǎn)向 + 附加磁矩附加磁矩 mp mp mp極化強度：極化強度：極化電荷：極化電荷：VpPe nP 內(nèi)）內(nèi)）（SsqSPd磁化強度：磁化強度：VppMmm VpMm 抗磁質(zhì)：抗磁質(zhì)：與與 反向反向0BVpMm 順磁質(zhì)：順磁質(zhì)：與與 同向同向0B磁化電流：磁化電流： ）（穿穿過過 LsLIlMdMjs 磁化強度與磁化電流的關(guān)系：磁化強度與磁化電流的關(guān)系：njLSnSIVppMssmm 由磁化強度定義：由磁化強度定義：磁化電流磁化電流的線密度的線密度以抗磁質(zhì)為例以抗磁質(zhì)為例0BsILS0BsIn ）（穿穿

6、過過 LssLIljMllMdLl 電介質(zhì)電介質(zhì)磁介質(zhì)磁介質(zhì)介質(zhì)中介質(zhì)中的的 場場基本規(guī)律基本規(guī)律00 ) .(EEEqPE 電位移矢量：電位移矢量：PED 0 內(nèi)內(nèi)）（SsqSD0d介質(zhì)中的高斯定理：介質(zhì)中的高斯定理：00 )(BBBjIMBss 磁場強度磁場強度:MBH 0 ）（穿穿過過 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:磁場強度磁場強度 的引入的引入H令令MBH 0 磁場強度磁場強度與空間與空間 均有關(guān)均有關(guān) . .sI,I 0由安培環(huán)路定理：由安培環(huán)路定理： 內(nèi)內(nèi)）（LLIlMB00d)( 內(nèi)內(nèi)）（LLIlB0d 內(nèi)內(nèi)）（LsII)(00 )d(00 LlMI 傳

7、導電流傳導電流 磁化電流磁化電流 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)路定理只與穿過只與穿過 L的傳導電流代數(shù)和有關(guān)的傳導電流代數(shù)和有關(guān) . .各向同性磁介質(zhì)實驗規(guī)律：各向同性磁介質(zhì)實驗規(guī)律：HMm 磁化率磁化率HHHMHBrm )1( )(000由由MBH 0 1 r 順磁質(zhì)順磁質(zhì)1 r 非常數(shù)，鐵磁質(zhì)非常數(shù)，鐵磁質(zhì)H0 oB451 r 抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)1 r mr 1介質(zhì)相對磁導率介質(zhì)相對磁導率r 0 介質(zhì)磁導率介質(zhì)磁導率真空磁導率真空磁導率0 電介質(zhì)電介質(zhì)磁介質(zhì)磁介質(zhì)其它對應其它對應關(guān)關(guān) 系系求解思路求解思路比較比較EPe0 er 1EDr 0 HMm mr 1HBr 0

8、 D（1）對稱性分析，）對稱性分析， 選高斯面選高斯面（2）由）由 求求 內(nèi)內(nèi)）（SsqSD0d（3）由）由 求求rDE 0 E（1）對稱性分析，選安培環(huán)路）對稱性分析，選安培環(huán)路（2）由）由 求求H ）（穿穿過過LLIlH0dB（3）由）由 求求HBr 0 例例 P P 312 10-24已知：已知：正方形截面螺繞環(huán)正方形截面螺繞環(huán)求：求：) (21mINRR ? r NIrHlHL 2d rNIH 2 rNIBr 20 Sdr 1R12RR 2R2R1RNoI解：解：對稱性分析對稱性分析 選如圖同心圓環(huán)為安培環(huán)路選如圖同心圓環(huán)為安培環(huán)路LrSdr 1R12RR 2R2R1RNoILr 21

9、dRRsmSB rRRrNIr)d(2120 12120)ln(2RRRRNIr 12120)ln(2RRRRNImr 代入數(shù)據(jù)：代入數(shù)據(jù)：m102 , m102221 RR A10 , 200.IN Wb1065 m 2160 r 得：得： 很大且與很大且與 有關(guān)，非常數(shù)，說明該磁介質(zhì)非順磁有關(guān)，非常數(shù)，說明該磁介質(zhì)非順磁質(zhì)，也非抗磁質(zhì)，而是鐵磁質(zhì)質(zhì)，也非抗磁質(zhì)，而是鐵磁質(zhì) . .r I 10.6 10.6 鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)高高 值值非線性非線性 磁滯回線磁滯回線居里點居里點 磁疇理論磁疇理論 要點：要點：1 r 順磁質(zhì)順磁質(zhì)1 r 非常數(shù)，鐵磁質(zhì)非常數(shù)，鐵磁質(zhì)H0 oB451 r 抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)

10、1 r 一、磁化曲線一、磁化曲線1.1.實驗裝置實驗裝置（勵磁電流勵磁電流I I ）測測B B內(nèi)部：內(nèi)部：nIrNIH 2改變改變I，測，測 H，B，HBMHBr 00; 曲曲線線作作HB,H,HMr 飽和磁化強度：飽和磁化強度：sM起始磁化曲線：起始磁化曲線：OS曲曲線線HM Ho oSMSMSH曲線曲線Hr 起始磁化曲線：起始磁化曲線：OS當外磁場減小時，介質(zhì)中的磁當外磁場減小時，介質(zhì)中的磁場并不沿起始磁化曲線返回，場并不沿起始磁化曲線返回，而是滯后于外磁場變化，而是滯后于外磁場變化， 磁滯現(xiàn)象。磁滯現(xiàn)象。曲曲線線HB 當外磁場為當外磁場為 0 時，介質(zhì)中的時，介質(zhì)中的磁場并不為磁場并不為

11、 0，有，有剩磁剩磁 Br ; B BHHo oS SB Br rHHc c使介質(zhì)內(nèi)部的磁場為使介質(zhì)內(nèi)部的磁場為 0，所加反向磁場，所加反向磁場 Hc 矯頑力矯頑力減小反向磁場，改變外磁場為正向磁場，不斷增加外場，減小反向磁場，改變外磁場為正向磁場，不斷增加外場，介質(zhì)又達到正向磁飽和狀態(tài)。介質(zhì)又達到正向磁飽和狀態(tài)。繼續(xù)增加反向磁場，介質(zhì)達到反向磁飽和狀態(tài)；繼續(xù)增加反向磁場，介質(zhì)達到反向磁飽和狀態(tài)；剩磁剩磁矯頑力矯頑力回線內(nèi)面積正比于一次循環(huán)能量損耗回線內(nèi)面積正比于一次循環(huán)能量損耗Hc 大大- 硬磁材料硬磁材料; Hc 小小 - 軟磁材料軟磁材料磁化曲線形成一條磁化曲線形成一條磁滯回線。磁滯回線

12、。軟磁材料軟磁材料 磁滯回線細長，剩磁很小。磁滯回線細長，剩磁很小。軟鐵、坡莫合金、硒鋼片、鐵鋁合金、軟鐵、坡莫合金、硒鋼片、鐵鋁合金、鐵鎳合金等。鐵鎳合金等。由于軟磁材料磁滯損耗小，適合用在交變由于軟磁材料磁滯損耗小，適合用在交變磁場中，如變壓器鐵芯、繼電器、電動機磁場中，如變壓器鐵芯、繼電器、電動機轉(zhuǎn)子、定子都是用軟磁性材料轉(zhuǎn)子、定子都是用軟磁性材料制成。制成。BHorBcHBHorBcH硬磁性材料硬磁性材料磁滯回線較粗胖，剩磁很大，磁滯回線較粗胖，剩磁很大，這種材料充磁后不易退磁，適合做永這種材料充磁后不易退磁，適合做永久磁鐵?？捎迷诖烹娛诫姳?、永磁揚久磁鐵?？捎迷诖烹娛诫姳?、永磁揚聲器

13、、耳機以及雷達中的磁控管等。聲器、耳機以及雷達中的磁控管等。如碳鋼、鋁鎳鈷合金和鋁鋼等。如碳鋼、鋁鎳鈷合金和鋁鋼等。非金屬氧化物非金屬氧化物-鐵氧體鐵氧體 它是由它是由Fe2O3和其他二價的金屬和其他二價的金屬氧化物（如氧化物（如NiO，ZnO等粉末混合等粉末混合燒結(jié)而成燒結(jié)而成?？勺鞔判杂洃浽？勺鞔判杂洃浽?。磁滯回線呈矩形，又稱矩磁材料，磁滯回線呈矩形，又稱矩磁材料，剩磁接近于磁飽合磁感應強度，具剩磁接近于磁飽合磁感應強度，具有高磁導率、高電阻率。有高磁導率、高電阻率。BHorBcH二、鐵磁介質(zhì)的磁化機制二、鐵磁介質(zhì)的磁化機制1.1.磁疇磁疇 鐵磁質(zhì)中由于原子的強烈作用，在鐵磁質(zhì)中形鐵

14、磁質(zhì)中由于原子的強烈作用，在鐵磁質(zhì)中形成磁場很強的小區(qū)域成磁場很強的小區(qū)域 磁疇。磁疇的體積約磁疇。磁疇的體積約為為 10-12 10-8 m3 ，包含，包含1017 1021 個原子。個原子。不同材料中磁疇線度不同（微米毫不同材料中磁疇線度不同（微米毫米量級）米量級）可以用粉紋法、磁光法可以用粉紋法、磁光法觀測觀測未磁化時：未磁化時：各磁疇雜亂無章各磁疇雜亂無章排列，整體對外不顯磁性。排列，整體對外不顯磁性。外加磁場：外加磁場：磁疇邊界慢慢移動，與外磁場順排的磁疇邊界磁疇邊界慢慢移動，與外磁場順排的磁疇邊界擴大，反之則縮小。擴大，反之則縮小。HHHH隨著外磁場增加，能夠提供轉(zhuǎn)向的磁疇越來越少

15、，隨著外磁場增加，能夠提供轉(zhuǎn)向的磁疇越來越少，鐵磁質(zhì)中的磁場增加的速度變慢，最后，鐵磁質(zhì)中的磁場增加的速度變慢，最后，磁疇磁疇轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向全部完成，外磁場再增加，介質(zhì)內(nèi)的磁場也不會增全部完成，外磁場再增加，介質(zhì)內(nèi)的磁場也不會增加，鐵磁質(zhì)達到磁飽和狀態(tài)。加，鐵磁質(zhì)達到磁飽和狀態(tài)。由于磁化過程中磁疇轉(zhuǎn)向做功，在鐵磁質(zhì)充磁過程中由于磁化過程中磁疇轉(zhuǎn)向做功，在鐵磁質(zhì)充磁過程中伴隨著發(fā)聲、發(fā)熱。伴隨著發(fā)聲、發(fā)熱。磁滯現(xiàn)象：撤去外場，疇壁很難完全恢復原狀，保磁滯現(xiàn)象：撤去外場，疇壁很難完全恢復原狀，保存某些規(guī)則排列，保留部分磁性，即剩磁。存某些規(guī)則排列，保留部分磁性，即剩磁。居里溫度：居里溫度：當鐵磁質(zhì)的溫度

16、升高到某一溫度時，磁當鐵磁質(zhì)的溫度升高到某一溫度時，磁性消失，由鐵磁質(zhì)變?yōu)轫槾刨|(zhì)，該溫度為居里溫度性消失，由鐵磁質(zhì)變?yōu)轫槾刨|(zhì)，該溫度為居里溫度 tc 。當溫度低于。當溫度低于 tc 時，又由順磁質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁質(zhì)。時，又由順磁質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁質(zhì)。原因：由于加熱使磁介質(zhì)中的分子、原子的振動加劇，原因：由于加熱使磁介質(zhì)中的分子、原子的振動加劇，使磁疇瓦解，鐵磁質(zhì)失去磁性。使磁疇瓦解，鐵磁質(zhì)失去磁性。鐵的居里溫度：鐵的居里溫度： tc = 770C；30%的坡莫合金居里溫度：的坡莫合金居里溫度： tc = 70C；純鎳的居里溫度：純鎳的居里溫度： tc = 358C； 利用鐵磁質(zhì)具有居里溫度的特點，可將其制作溫利用鐵磁質(zhì)具有居里溫度的特點，可將其制作溫控元件，如電飯鍋自動控溫?？卦?，如電飯鍋自動控溫。）溫溫度度：雙雙金金屬屬片片恒恒溫溫器器（動動作作斷斷開開，不不能能自自動動復復位位）（常常閉閉式式，磁磁鋼鋼限限溫溫器器保保溫溫開開關(guān)關(guān)；煮煮飯飯