大學(xué)物理第15章 磁介質(zhì)的磁化

1、1課程指導(dǎo)課四課程指導(dǎo)課四第第15章章 磁介質(zhì)的磁化磁介質(zhì)的磁化1 磁介質(zhì)的磁化磁介質(zhì)的磁化 磁化強(qiáng)度矢量磁化強(qiáng)度矢量2 磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度 有磁介質(zhì)時的安培有磁介質(zhì)時的安培 環(huán)路定理環(huán)路定理3 鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)教師：鄭采星教師：鄭采星大學(xué)物理大學(xué)物理2基本要求基本要求教學(xué)基本內(nèi)容、基本公式教學(xué)基本內(nèi)容、基本公式第第4章振動章振動理解磁介質(zhì)的磁化、磁化強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度矢量。理解理解磁介質(zhì)的磁化、磁化強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度矢量。理解B、H、M三個矢量之間的關(guān)系，磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定律。了解順磁性與三個矢量之間的關(guān)系，磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定律。了解順磁性與抗磁性。鐵磁質(zhì)的特性。理解磁場能量，磁場能量密度?？勾判?。鐵

2、磁質(zhì)的特性。理解磁場能量，磁場能量密度。 1. 磁介質(zhì)磁介質(zhì)磁介質(zhì)磁介質(zhì): :實(shí)體物質(zhì)在磁場作用下呈現(xiàn)磁性實(shí)體物質(zhì)在磁場作用下呈現(xiàn)磁性, ,該物體稱磁介質(zhì)。該物體稱磁介質(zhì)。磁介質(zhì)的三種類型：磁介質(zhì)的三種類型：順磁質(zhì)、抗磁質(zhì)、鐵磁質(zhì)。順磁質(zhì)、抗磁質(zhì)、鐵磁質(zhì)。順磁質(zhì)：順磁質(zhì)：, 1r如氧、鋁、鎢、鉑、鉻等。如氧、鋁、鎢、鉑、鉻等。, 1r抗磁質(zhì)：抗磁質(zhì)：, 1r鐵磁質(zhì)：鐵磁質(zhì)：如氮、水、銅、銀、金、鉍等。如氮、水、銅、銀、金、鉍等。如鐵、鈷、鎳等，如鐵、鈷、鎳等，32. 2. 磁介質(zhì)磁化磁介質(zhì)磁化 結(jié)構(gòu)模型和分子磁矩結(jié)構(gòu)模型和分子磁矩原子中電子參與兩種運(yùn)動：自旋及繞核的軌道運(yùn)動，原子中電子參與兩種

3、運(yùn)動：自旋及繞核的軌道運(yùn)動，對應(yīng)有軌道磁矩和自旋磁矩。對應(yīng)有軌道磁矩和自旋磁矩。用等效的分子電流的磁效應(yīng)來表示各個電子對外界用等效的分子電流的磁效應(yīng)來表示各個電子對外界磁效應(yīng)的總合，稱為分子固有磁矩。磁效應(yīng)的總合，稱為分子固有磁矩。Imp* *電子的進(jìn)動：電子的進(jìn)動：在外磁場作用下，每個電子除在外磁場作用下，每個電子除了保持環(huán)繞原子核的運(yùn)動和電子本身的自旋了保持環(huán)繞原子核的運(yùn)動和電子本身的自旋以外，還要以外，還要附加附加電子磁矩電子磁矩以以外磁場方向?yàn)檩S外磁場方向?yàn)檩S線的轉(zhuǎn)動線的轉(zhuǎn)動。0BLpeLmp進(jìn)動進(jìn)動B3.3.磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度M單位體積內(nèi)所有分單位體積內(nèi)所有分子固有磁矩的矢量子固有磁矩

4、的矢量和加上附加磁矩的和加上附加磁矩的矢量和矢量和.VppMmm反映磁介質(zhì)磁化程度的物理量。反映磁介質(zhì)磁化程度的物理量。44.4.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IlHLdHMmHHBr0順磁質(zhì)0m抗磁質(zhì)0m5.5.鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)磁化曲線、磁化曲線、磁滯回線磁滯回線RIIHrHB HrB, r非線性非線性、磁飽和磁飽和剩磁、矯頑力剩磁、矯頑力軟磁材料軟磁材料、硬磁材料、矩磁材料硬磁材料、矩磁材料5單晶磁疇結(jié)構(gòu)示意圖單晶磁疇結(jié)構(gòu)示意圖多晶磁疇結(jié)構(gòu)示意圖多晶磁疇結(jié)構(gòu)示意圖 在鐵磁質(zhì)中，相鄰鐵原子中的電子間存在著非常強(qiáng)的在鐵磁質(zhì)中，相鄰鐵原子中的電子間存在著非常強(qiáng)的交換耦合作用，這個相

5、互作用促使相鄰原子中電子的自旋交換耦合作用，這個相互作用促使相鄰原子中電子的自旋磁矩平行排列起來，形成一個自發(fā)磁化達(dá)到飽和狀態(tài)的微磁矩平行排列起來，形成一個自發(fā)磁化達(dá)到飽和狀態(tài)的微小區(qū)域，這些自發(fā)磁化的微小區(qū)域稱為小區(qū)域，這些自發(fā)磁化的微小區(qū)域稱為磁疇磁疇。磁疇磁疇 在沒有外磁場作用時在沒有外磁場作用時，磁體體內(nèi)磁矩排列雜，磁體體內(nèi)磁矩排列雜亂，任意物理無限小體積內(nèi)的亂，任意物理無限小體積內(nèi)的平均磁矩為零平均磁矩為零。6H 在外磁場作用下，磁矩與外磁場同方向排列時的磁能在外磁場作用下，磁矩與外磁場同方向排列時的磁能將低于磁矩與外磁反向排列時的磁能，結(jié)果是將低于磁矩與外磁反向排列時的磁能，結(jié)果是

6、自發(fā)磁化磁自發(fā)磁化磁矩和外磁場成小角度的磁疇處于有利地位矩和外磁場成小角度的磁疇處于有利地位，這些磁疇體積，這些磁疇體積逐漸擴(kuò)大，而自發(fā)磁化磁矩與外磁場成較大角度的磁疇體逐漸擴(kuò)大，而自發(fā)磁化磁矩與外磁場成較大角度的磁疇體積逐漸縮小。積逐漸縮小。 隨著外磁場的不斷增強(qiáng)，隨著外磁場的不斷增強(qiáng)，取向與外磁場成較大角度的取向與外磁場成較大角度的磁疇全部消失，留存的磁疇將向外磁場的方向旋轉(zhuǎn)。磁疇全部消失，留存的磁疇將向外磁場的方向旋轉(zhuǎn)。 以后再繼續(xù)增加磁場，以后再繼續(xù)增加磁場，所有磁疇都沿外磁場方向整齊所有磁疇都沿外磁場方向整齊排列，這時磁化達(dá)到飽和。排列，這時磁化達(dá)到飽和。71.圓柱形無限長載流直導(dǎo)線

7、置于均勻無限大磁介質(zhì)之中，若導(dǎo)線圓柱形無限長載流直導(dǎo)線置于均勻無限大磁介質(zhì)之中，若導(dǎo)線中流過的穩(wěn)恒電流為中流過的穩(wěn)恒電流為I，磁介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率為，磁介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率為 r( r1)，則與導(dǎo)，則與導(dǎo)線接觸的磁介質(zhì)表面上的磁化電流為線接觸的磁介質(zhì)表面上的磁化電流為(A)(1- r)I(B)( r-1)I(C) rI(D) rI答案：答案：(B) 參考解答：有介質(zhì)時的安培環(huán)路定理說明；磁場強(qiáng)度沿任一閉合路徑的參考解答：有介質(zhì)時的安培環(huán)路定理說明；磁場強(qiáng)度沿任一閉合路徑的環(huán)流等于該閉合路徑所包圍的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和。環(huán)流等于該閉合路徑所包圍的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和。由安培環(huán)路定理，可以得到：由安培環(huán)路定理，

8、可以得到： ,2 rIH.200rIBHBrrB B 由由穩(wěn)恒電流穩(wěn)恒電流I與磁化電流共同決定。與磁化電流共同決定。穩(wěn)恒電流穩(wěn)恒電流I在空間產(chǎn)生的在空間產(chǎn)生的磁場磁場 ,201rIB磁化電流在空間產(chǎn)生的磁場磁化電流在空間產(chǎn)生的磁場 ,202rIB.21BBB,222000rIrIrIr.) 1(IIr82.一鐵環(huán)的中心線周長為一鐵環(huán)的中心線周長為0.3m，橫截面積為，橫截面積為1.010-4m2，在環(huán)上，在環(huán)上密繞密繞300匝表面絕緣的導(dǎo)線，當(dāng)導(dǎo)線通有電流匝表面絕緣的導(dǎo)線，當(dāng)導(dǎo)線通有電流3.210-2A時，通過時，通過環(huán)的橫截面的磁通量為環(huán)的橫截面的磁通量為2.010-6Wb求：求：(1)鐵環(huán)

9、內(nèi)部的磁感強(qiáng)度；鐵環(huán)內(nèi)部的磁感強(qiáng)度；(2)鐵環(huán)內(nèi)部的磁場強(qiáng)度；鐵環(huán)內(nèi)部的磁場強(qiáng)度；(3)鐵的磁化率；鐵的磁化率；(4)鐵環(huán)的磁化強(qiáng)度鐵環(huán)的磁化強(qiáng)度解：解：(1) 22 10TBS1300(2)1000m0.3nrNIlHd32A/ m2NIHnIr (3)相對磁導(dǎo)率相對磁導(dǎo)率 4970HBr 磁化率磁化率 (4)磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度 M = mH1.59104 A/m1496mr 93. 順磁質(zhì)和鐵磁質(zhì)的磁導(dǎo)率明顯地依賴于溫度，而抗磁質(zhì)的磁導(dǎo)率則順磁質(zhì)和鐵磁質(zhì)的磁導(dǎo)率明顯地依賴于溫度，而抗磁質(zhì)的磁導(dǎo)率則幾乎與溫度無關(guān)，為什么？幾乎與溫度無關(guān)，為什么？參考解答：參考解答： 順磁質(zhì)的磁性主要來源于分子

10、的固有磁矩沿外磁場方向的取向排順磁質(zhì)的磁性主要來源于分子的固有磁矩沿外磁場方向的取向排列。當(dāng)溫度升高時，由于熱運(yùn)動的緣故，這些固有磁矩更易趨向混亂，列。當(dāng)溫度升高時，由于熱運(yùn)動的緣故，這些固有磁矩更易趨向混亂，而不易沿外磁場方向排列，使得順磁質(zhì)的磁性因磁導(dǎo)率明顯地依賴于而不易沿外磁場方向排列，使得順磁質(zhì)的磁性因磁導(dǎo)率明顯地依賴于溫度。溫度。 鐵磁質(zhì)的磁性主要來源于磁疇的磁矩方向沿外磁場方向的取向排鐵磁質(zhì)的磁性主要來源于磁疇的磁矩方向沿外磁場方向的取向排列。當(dāng)溫度升高時，各磁疇的磁矩方向易趨向混亂而使鐵磁質(zhì)的磁性列。當(dāng)溫度升高時，各磁疇的磁矩方向易趨向混亂而使鐵磁質(zhì)的磁性減小，因而鐵磁質(zhì)的磁導(dǎo)率

11、會明顯地依賴于溫度。當(dāng)鐵磁質(zhì)的溫度超減小，因而鐵磁質(zhì)的磁導(dǎo)率會明顯地依賴于溫度。當(dāng)鐵磁質(zhì)的溫度超過居里點(diǎn)時，其磁性還會完全消失。過居里點(diǎn)時，其磁性還會完全消失。 至于抗磁質(zhì)，它的磁性來源于抗磁質(zhì)分子在外磁場中所產(chǎn)生的與至于抗磁質(zhì)，它的磁性來源于抗磁質(zhì)分子在外磁場中所產(chǎn)生的與外磁場方向相反的感生磁矩，不存在磁矩的方向排列問題，因而抗磁外磁場方向相反的感生磁矩，不存在磁矩的方向排列問題，因而抗磁質(zhì)的磁性和分子的熱運(yùn)動情況無關(guān)，這就是抗磁質(zhì)的磁導(dǎo)率幾乎與溫質(zhì)的磁性和分子的熱運(yùn)動情況無關(guān)，這就是抗磁質(zhì)的磁導(dǎo)率幾乎與溫度無關(guān)的原因。度無關(guān)的原因。104.在實(shí)際問題中用安培環(huán)路定理在實(shí)際問題中用安培環(huán)路定理計(jì)算由鐵磁質(zhì)組成的計(jì)算由鐵磁質(zhì)組成的閉合環(huán)路，在得出閉合環(huán)路，在得出H后，如何進(jìn)一步求出對應(yīng)的后，如何進(jìn)一步求出對應(yīng)的B值呢？值呢？0dIlHL參考解答參考解答: 由于鐵磁質(zhì)的由于鐵磁質(zhì)的 r不是一個常數(shù)，因此不能用不是一個常數(shù)，因此不能用B= r 0H來進(jìn)行來進(jìn)行計(jì)算，而是應(yīng)當(dāng)查閱手冊中該鐵磁材料的計(jì)算，而是應(yīng)當(dāng)查閱手冊中該鐵磁材料的BH曲線圖，找出對應(yīng)于計(jì)曲線圖，找出對應(yīng)于計(jì)算值算值H的磁感強(qiáng)度的磁感強(qiáng)度B值值5.在鐵環(huán)上繞有在鐵環(huán)上繞有N200匝的一層線圈，若電流強(qiáng)度匝的一層線圈，若電流強(qiáng)度I2.5A，鐵環(huán)橫截，鐵環(huán)橫截面的磁通量為面的磁通量為 510-4Wb，且鐵環(huán)橫截