第14章-磁場(chǎng)中的磁介質(zhì)

1、第第14章章 磁場(chǎng)中的磁介質(zhì)磁場(chǎng)中的磁介質(zhì)主要內(nèi)容主要內(nèi)容物質(zhì)的磁性 當(dāng)一塊介質(zhì)放在外磁場(chǎng)中將會(huì)與磁場(chǎng)發(fā)生相互作用，產(chǎn)生一種所謂的“磁化”現(xiàn)象，介質(zhì)中出現(xiàn)附加磁場(chǎng)。我們把這種在磁場(chǎng)作用下磁性發(fā)生變化的介質(zhì)稱為“磁介質(zhì)”。BB BBBoroBB令：令： = 0 r 稱為稱為磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率roorBBnI orBB三類磁介質(zhì)：三類磁介質(zhì)：（1）順磁性介質(zhì)順磁性介質(zhì)： 介質(zhì)磁化后呈弱磁性介質(zhì)磁化后呈弱磁性。附加磁場(chǎng)附加磁場(chǎng)B 與外場(chǎng)與外場(chǎng)B0同向。同向。 B B0 , r 1（2）抗磁性介質(zhì)抗磁性介質(zhì)： 介質(zhì)磁化后呈弱磁性介質(zhì)磁化后呈弱磁性。附加磁場(chǎng)附加磁場(chǎng)B 與外場(chǎng)與外場(chǎng)B0反向。反向。 B B0

2、, r B0 , r 1（4）完全抗磁體完全抗磁體：（ r 0）：）： B 0，磁介質(zhì)內(nèi)，磁介質(zhì)內(nèi)的磁場(chǎng)等于零（如超導(dǎo)體）。的磁場(chǎng)等于零（如超導(dǎo)體）。磁介質(zhì)種類種 類溫度相對(duì)磁導(dǎo)率r 1鉍汞銅氫（氣）293K293K293K1-16.610-51-2.910-51-1.010-51-3.8910-5r 1氧（液）氧（氣）鋁鉑90K293K293K293K1+769.910-51+334.910-51+1.6510-51+26.010-5r 1鑄鋼鑄鐵硅鋼坡莫合金2.2103（最大值）4102（最大值）7102（最大值）1105（最大值）r 0汞鈮小于4.15K小于9.26K00 近代科學(xué)實(shí)踐證

3、明，組成分子或原子中的電子，近代科學(xué)實(shí)踐證明，組成分子或原子中的電子，不僅存在繞原子核的軌道運(yùn)動(dòng)，還存在自旋運(yùn)動(dòng)。這不僅存在繞原子核的軌道運(yùn)動(dòng)，還存在自旋運(yùn)動(dòng)。這兩種運(yùn)動(dòng)都能產(chǎn)生磁效應(yīng)。把分子或原子看作一個(gè)整兩種運(yùn)動(dòng)都能產(chǎn)生磁效應(yīng)。把分子或原子看作一個(gè)整體，分子或原子中各電子對(duì)外產(chǎn)生磁效應(yīng)的總和，可體，分子或原子中各電子對(duì)外產(chǎn)生磁效應(yīng)的總和，可等效于一個(gè)圓電流，稱為等效于一個(gè)圓電流，稱為“分子電流分子電流”。分子電流的。分子電流的磁矩稱為磁矩稱為“分子磁矩分子磁矩”表示為表示為 。m+-+各電子磁矩各電子磁矩lmlm+-分子磁矩分子磁矩m1.順磁質(zhì)特點(diǎn)：存在分子固有磁矩。特點(diǎn)：存在分子固有磁矩

4、。0im外磁場(chǎng)中：外磁場(chǎng)中：0im-+-+-mmmB+-+-+mmm2.2.抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)特點(diǎn)：特點(diǎn)：分子固有磁矩等于零，因此不存在順磁效應(yīng)。分子固有磁矩等于零，因此不存在順磁效應(yīng)。+lmBv-lmff+-vlmBlm結(jié)論： 在抗磁質(zhì)和順磁質(zhì)中都會(huì)存在抗磁效應(yīng)，只是在抗磁質(zhì)和順磁質(zhì)中都會(huì)存在抗磁效應(yīng)，只是抗磁效應(yīng)與順磁效應(yīng)相比較要小得多，因此在順磁抗磁效應(yīng)與順磁效應(yīng)相比較要小得多，因此在順磁質(zhì)中，抗磁效應(yīng)被順磁效應(yīng)所掩蓋。質(zhì)中，抗磁效應(yīng)被順磁效應(yīng)所掩蓋。 附加電子磁矩附加電子磁矩 的方向總是和外磁場(chǎng)的方向總是和外磁場(chǎng) 方向相反。方向相反。lm0B 由于分子中每一個(gè)運(yùn)動(dòng)電子都要產(chǎn)生與外磁場(chǎng)反由于分

5、子中每一個(gè)運(yùn)動(dòng)電子都要產(chǎn)生與外磁場(chǎng)反向的附加磁矩向的附加磁矩 ，分子中各電子附加磁矩的矢量和，分子中各電子附加磁矩的矢量和即為分子的附加磁矩即為分子的附加磁矩 。磁介質(zhì)中大量分子的附加。磁介質(zhì)中大量分子的附加磁矩在宏觀上對(duì)外顯示出磁效應(yīng)。這一磁效應(yīng)與外磁磁矩在宏觀上對(duì)外顯示出磁效應(yīng)。這一磁效應(yīng)與外磁場(chǎng)方向相反，我們把它稱為場(chǎng)方向相反，我們把它稱為“抗磁效應(yīng)抗磁效應(yīng)”。lmm14.3 14.3 磁介質(zhì)的磁化磁介質(zhì)的磁化1.1.磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度 為了反映磁化程度的強(qiáng)弱，引入為了反映磁化程度的強(qiáng)弱，引入“磁化強(qiáng)磁化強(qiáng)度矢量度矢量”VmM單位：1mA磁化強(qiáng)度是空間坐標(biāo)的矢量函數(shù)。當(dāng)磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度是空

6、間坐標(biāo)的矢量函數(shù)。當(dāng)磁化強(qiáng)度矢量為恒矢量時(shí)，磁介質(zhì)被均勻磁化。矢量為恒矢量時(shí)，磁介質(zhì)被均勻磁化。 注意注意: :2. 2. 磁化電流磁化電流 以長(zhǎng)直螺線管為例：以長(zhǎng)直螺線管為例： 介質(zhì)磁化以后，由于分子磁矩的有序排列，其介質(zhì)磁化以后，由于分子磁矩的有序排列，其宏觀效果是在介質(zhì)橫截面邊緣出現(xiàn)環(huán)形電流，這宏觀效果是在介質(zhì)橫截面邊緣出現(xiàn)環(huán)形電流，這種電流稱為種電流稱為“磁化電流磁化電流”（Is ）。）。 磁化電流是分子電流規(guī)則排列的宏觀反映，并磁化電流是分子電流規(guī)則排列的宏觀反映，并不伴隨電荷的定向運(yùn)動(dòng)，不產(chǎn)生熱效應(yīng)。而傳導(dǎo)電不伴隨電荷的定向運(yùn)動(dòng)，不產(chǎn)生熱效應(yīng)。而傳導(dǎo)電流是由大量電荷作定向運(yùn)動(dòng)而形成

7、的。流是由大量電荷作定向運(yùn)動(dòng)而形成的。磁化面電流線密度：磁化面電流線密度：介質(zhì)表面單位長(zhǎng)度上的磁化電流介質(zhì)表面單位長(zhǎng)度上的磁化電流lIjss磁化強(qiáng)度矢量：磁化強(qiáng)度矢量：ssjlSlSjVmMIslMSIsM結(jié)論：結(jié)論：磁化強(qiáng)度在數(shù)值上等于磁化電流面密度，它磁化強(qiáng)度在數(shù)值上等于磁化電流面密度，它們之間的關(guān)系由右手螺旋法則確定。們之間的關(guān)系由右手螺旋法則確定。adcbaddccbbaLl dM0adcbl dMl dM0dcl dMabjabMl dMl dMsbaLsLIl dM結(jié)論：結(jié)論：磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度 沿閉合回路的環(huán)流，等于穿過回沿閉合回路的環(huán)流，等于穿過回路所包圍面積的磁化電流路所包圍面

8、積的磁化電流。 M19.4 H的環(huán)路定理 磁介質(zhì)在磁化后，由于外磁場(chǎng)磁介質(zhì)在磁化后，由于外磁場(chǎng) 和附加磁場(chǎng)和附加磁場(chǎng) 都屬于渦旋場(chǎng)。因此，在有磁介質(zhì)存在時(shí)，磁場(chǎng)中都屬于渦旋場(chǎng)。因此，在有磁介質(zhì)存在時(shí)，磁場(chǎng)中的高斯定理仍成立。的高斯定理仍成立。0BB1. 有介質(zhì)存在時(shí)的高斯定理有介質(zhì)存在時(shí)的高斯定理 2. 有介質(zhì)存在時(shí)的安培環(huán)路定理有介質(zhì)存在時(shí)的安培環(huán)路定理 0SSdBsoLIIl dBLol dMIIl dMBLo定義“磁場(chǎng)強(qiáng)度”MBHo存在磁介質(zhì)時(shí)的安培環(huán)路定理：iLIl dH實(shí)驗(yàn)指出：實(shí)驗(yàn)指出：M = m H系數(shù)系數(shù) m稱為稱為“磁化率磁化率”結(jié)論：結(jié)論：磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度 沿任一閉合回路的

9、環(huán)路積分，沿任一閉合回路的環(huán)路積分，等于閉合回路所包圍并穿過的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和等于閉合回路所包圍并穿過的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和（在形式上與磁介質(zhì)中的磁化電流無關(guān)）。（在形式上與磁介質(zhì)中的磁化電流無關(guān)）。H單位：1mAHBMBHmooHBmo)1 (HBroHB令：令： 稱為磁介質(zhì)的稱為磁介質(zhì)的“相對(duì)磁導(dǎo)率相對(duì)磁導(dǎo)率”)1 (mr令：令： 稱為磁導(dǎo)率稱為磁導(dǎo)率ro（1 1）在真空中：）在真空中：100rmM（2 2）在順磁質(zhì)中：）在順磁質(zhì)中：10rm（3 3）在抗磁質(zhì)中：）在抗磁質(zhì)中：10rmIo r r例例6. 一半徑為一半徑為R1的無限長(zhǎng)圓柱形直導(dǎo)線，外面包一的無限長(zhǎng)圓柱形直導(dǎo)線，外面包一層半徑為

10、層半徑為R2，相對(duì)磁導(dǎo)率為，相對(duì)磁導(dǎo)率為 r 的圓筒形磁介質(zhì)。通的圓筒形磁介質(zhì)。通過導(dǎo)線的電流為過導(dǎo)線的電流為I0 。求磁介質(zhì)內(nèi)外磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感求磁介質(zhì)內(nèi)外磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布。應(yīng)強(qiáng)度的分布。R2R1221rRIrHlHL2d 212 RIrH212 RIrHBoo10Rr IrHlHL2drIHBroro221RrR(1)2oorIBHr rR2R2R1R2R12IHr 例例7. 螺繞環(huán)中心周長(zhǎng)螺繞環(huán)中心周長(zhǎng)l=30cm,截面積為截面積為1cm2環(huán)上線圈環(huán)上線圈匝數(shù)匝數(shù)N=20,線圈中通有電流線圈中通有電流I=0.1A.(1). 求管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度求管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0和磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)

11、強(qiáng)度H0;(2). 若管內(nèi)的充滿相對(duì)磁導(dǎo)率若管內(nèi)的充滿相對(duì)磁導(dǎo)率 r r=4200=4200的磁介質(zhì)的磁介質(zhì), ,求求 管內(nèi)的管內(nèi)的B,H,BB,H,B0 0和和B;B;(3).(3).磁化面電流線密度磁化面電流線密度; ; 解解(1):LH dlNI2HRNI6.67/A m環(huán)路 L磁感應(yīng)線00(1)rrBH 58.3 10 T2NIHR(3) njMe70.356.6741052.78 10/A m0BBB 0.35TjM0BMHj02NIHHnIR6.67/A m0rBH 54200 8.3 10 T0.35T (2) 19.5 19.5 鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì) 鐵磁質(zhì)的特點(diǎn)： 能產(chǎn)生非常強(qiáng)的附加

12、磁場(chǎng)能產(chǎn)生非常強(qiáng)的附加磁場(chǎng)B 甚至是外磁場(chǎng)的甚至是外磁場(chǎng)的千百倍。而且與外場(chǎng)同方向。千百倍。而且與外場(chǎng)同方向。 B 和和H 呈非線性關(guān)系，呈非線性關(guān)系， 不是一個(gè)恒量。不是一個(gè)恒量。 高高 值。值。 磁滯現(xiàn)象，磁滯現(xiàn)象，B 的變化落后于的變化落后于H的變化。的變化。1. 磁滯回線磁滯回線 aoHBBr-HsHsbcdefHcOa: 起始磁化曲線起始磁化曲線Hs : 飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Br : 剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Hc : 矯頑力矯頑力鐵磁質(zhì)的分類：HB磁滯回線細(xì)而窄，矯頑磁滯回線細(xì)而窄，矯頑力小。力小。 磁滯損耗小，容磁滯損耗小，容易磁化，容易退磁，易磁化，容易退磁，適用于交變磁

13、場(chǎng)。如適用于交變磁場(chǎng)。如制造電機(jī)，變壓器等制造電機(jī)，變壓器等的鐵芯。的鐵芯。硬磁材料：硬磁材料：HB磁滯回線較寬，剩余磁滯回線較寬，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度和矯頑力磁感應(yīng)強(qiáng)度和矯頑力都比較大。都比較大。適合于制造永磁體適合于制造永磁體HB矩磁材料：矩磁材料： 磁滯回線接近于矩磁滯回線接近于矩形，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度形，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br接近于飽和磁感應(yīng)接近于飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度強(qiáng)度Bs。適合于制作記錄磁適合于制作記錄磁帶及計(jì)算機(jī)的記憶帶及計(jì)算機(jī)的記憶元件。元件。2. 磁疇磁疇 鐵磁質(zhì)內(nèi)部相鄰原子的鐵磁質(zhì)內(nèi)部相鄰原子的磁矩會(huì)在一個(gè)微小的區(qū)域內(nèi)磁矩會(huì)在一個(gè)微小的區(qū)域內(nèi)形成方向一致、排列非常整形成方向一致、排列非常整齊的齊的 “ “自發(fā)磁化區(qū)自發(fā)磁化區(qū)”，稱，稱為為磁疇磁疇。 磁疇大小：磁疇大?。?810m1010每個(gè)磁疇所含分子數(shù)：每個(gè)磁疇所含分子數(shù)： 21171010鐵磁質(zhì)在外磁場(chǎng)中的鐵磁質(zhì)在外磁場(chǎng)中的磁化過程主要為疇壁磁化過程主要為疇壁的移動(dòng)和磁疇內(nèi)磁矩的移動(dòng)和磁疇內(nèi)磁矩的轉(zhuǎn)向。的轉(zhuǎn)向。 自發(fā)磁化方向自發(fā)磁化方向逐漸轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)方逐漸轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)方向（磁疇轉(zhuǎn)向），向（磁疇轉(zhuǎn)向），直到所有磁疇都沿直到所有磁疇都沿外磁場(chǎng)方向整齊排外磁場(chǎng)方向整齊排列時(shí)，鐵磁質(zhì)就達(dá)列時(shí)，鐵磁質(zhì)就達(dá)到磁飽和狀態(tài)。到磁飽和狀態(tài)。 T KT K 例例8. 如圖為一