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1、大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場磁介質(zhì)分子模型 磁介質(zhì)由分子或原子構(gòu)成,它們所包含的每一個電子都同時參與軌道運動和自旋運動,分子中所有電子的運動可等效為分子電流,這種分子電流具有一定的磁矩,稱為分子磁矩,用 表示。磁介質(zhì)中的分子磁矩由以下三種類型mp磁介質(zhì)大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場分子無固有磁矩 例如:水、氦、金、銀、銅等,這類分子中的各電子的等效電流正好互相抵消。分子有固有磁矩 例如:氧、鋁、鎢、鈦、鉻等,這類分子中的各電子的等效電流不能全部互相抵消,還剩余部分未被抵消的分子電流。大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒
2、磁場分子磁矩平行排列,在介質(zhì)中形成一個個自發(fā)磁化的小區(qū),稱為磁疇 例如:鐵、鈷、鎳、釓、鏑等,這類介質(zhì)的某種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了電子間的強關(guān)聯(lián),使電子自旋取向平行時能量較低。 磁疇的大小約為 包含有 個原子。3812m101021171010大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場介質(zhì)的磁化磁化現(xiàn)象 介質(zhì)分子的磁矩有一定取向,宏觀上表現(xiàn)出不能被抵消的磁矩大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場 磁化強度 為了定量描述介質(zhì)的磁化情況,定義介質(zhì)的磁化強度為 VpPimim的單位是A/m mP(其中, 滿足“宏觀無限小,微觀足夠大”)V大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)
3、恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場磁化機理a. 抗磁性:介質(zhì)分子中各電子受外磁場 的洛倫茲力的作用,磁矩改變量 與 方向相反,使每個分子及整個介質(zhì)產(chǎn)生一個與 方向相反的 宏觀磁矩,稱之為抗磁性。0Bmep0B0B大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場i.電子磁矩 mep0B與 方向相反, 洛倫茲力指向中心,電子離核半徑r不變,則電子繞核速率v增加, 等效電流 eI增加, 電子磁矩 mep增大, mep與 0B方 向相反 大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場ii.電子磁矩 mep0B與 方向相同, 洛倫茲力指向外,電子離核半徑r不變,則電子繞核速率v減小, 等效電流
4、eI減小, 電子磁矩 mep減小, mep與 0B方 向相反 大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場iii.電子磁矩 mep0B與 方向夾角 , 電子受磁力矩而進動,附加角動量與 0B同方向, mep與 0B方向相反 大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場b.順磁性: 若分子有固有磁矩 ,則在外磁場 的磁力矩作用下,分子磁矩順磁場方向排列時磁矩勢能最低,概率最大。若不考慮分子間的相互作用,根據(jù)玻耳茲曼分布可得磁矩順磁場排列的分子數(shù)與磁矩逆磁場排列的分子數(shù)之比為 使介質(zhì)呈現(xiàn)出與 同向的宏觀磁矩,稱之為順磁性。mp0B0eee/2/0m0m0mkTBpkTB
5、pkTBpNN逆順0B大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場 磁化電流 由于磁化,在介質(zhì)的某些地方會出現(xiàn)有效的分子電流,稱之為磁化電流,磁化電流不能自由傳導(dǎo),因而相對可以自由傳導(dǎo)的傳導(dǎo)電流而言,磁化電流也叫做束縛電流 大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場磁化電流與磁化強度的關(guān)系為: 或 其中 是穿過以閉合曲線 為邊界的曲面的磁化電流的代數(shù)和。(證明略))(m)(dLLlPImPj)(LIL大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場磁場強度:為了便于處理磁介質(zhì)問題,實際工作中常采用磁場強度矢量,其定義為 單位是 (奧斯特)。 磁場強度的環(huán)
6、路定理: m0PBHOe104A/m3傳IlHd大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場 磁場強度矢量是一個輔助性的物理量,它的旋中心是傳導(dǎo)電流,所以用磁場強度分析介質(zhì)問題時不用考慮磁化電流,因而比較方便。傳總IIIlPlBlHm0001dd1d大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場各向同性線性磁介質(zhì)的磁化規(guī)律各向同性線性磁介質(zhì): 滿足 令 則 叫做磁介質(zhì)的磁化率。HPmHPmmm大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場磁導(dǎo)率:設(shè)外加磁場強度為 ,則 相對磁導(dǎo)率 磁導(dǎo)率 真空磁導(dǎo)率HHHHPHBr0m0m0)1 ()(mr1r00HB大學(xué)
7、物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場磁化電流分布:各向同性線性磁介質(zhì)的磁化電流只分布在介質(zhì)表面,或直接參與傳導(dǎo)電流的作用 磁介質(zhì)內(nèi): 介質(zhì)表面:面電流密度(表面單位橫截線上的電流) 傳IlHlPImmmddnPim大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場簡化規(guī)則:當磁介質(zhì)充滿了存在磁場的全部空間時,或介質(zhì)表面磁通量為零時,若求介質(zhì)中的磁場及相關(guān)的物理量,只需用 代替 就已考慮了磁化電流的作用。但 不一定是常量。00大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場例7.12充滿介質(zhì)的空間有一無限長載流直導(dǎo)線,求空間的磁場分布。解:rIB20IIIII
8、rmTm)1 (大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場 磁介質(zhì)的種類抗磁質(zhì) ,分子無固有磁矩的磁介質(zhì)具有弱抗磁性。 例如:水、氦、金、銀、銅等 完全抗磁體 ,超導(dǎo)體具有完全抗磁性,稱之為超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)。需要說明的是,邁斯納效應(yīng)并不是超導(dǎo)體零電阻現(xiàn)象的結(jié)果,而是超導(dǎo)體另一獨立的基本性質(zhì)。1r0r大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場順磁質(zhì) ,分子有固有磁矩的磁介質(zhì)具有順磁性。順磁性效應(yīng)比抗磁性強,掩蓋了分子中各電子的抗磁性效應(yīng)。例如:氧、鋁、鎢、鈦、鉻等1r大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)
9、恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì) ,介質(zhì)內(nèi)存在大量的磁疇,在外磁場的作用下產(chǎn)生很強的非線性磁化效應(yīng)。 例如:鐵、鈷、鎳、釓、鏑等1r磁性材料大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場a.鐵磁質(zhì)的磁化過程 如圖所示,可分為:未磁化、生長磁化、轉(zhuǎn)向磁化、飽和磁化。未磁化的磁介質(zhì)在外磁場的作用下逐漸達到飽和磁化狀態(tài),飽和值 稱為飽和磁感應(yīng)強度 sB大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場b.磁滯現(xiàn)象 鐵磁質(zhì)的磁化有磁滯現(xiàn)象,可用磁滯回線描述,如圖所示i.飽和磁化:飽和磁感應(yīng)強度sBBHOSB大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場ii.剩磁:當外磁
10、場減小到0時,被磁化了的鐵磁質(zhì)內(nèi)磁疇間的摩擦阻力使磁介質(zhì)不能逆著初始的磁化曲線恢復(fù)到磁化 前的狀態(tài),而是保留有一定 磁性,稱之為剩磁, 用 表示rBrBBHOSBrB大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場iii.矯頑力:當外磁場反向時,B逐漸減小到0,此時外磁場的大小稱之為矯頑力,用 表示 當反向外磁場繼續(xù)加大時,介質(zhì)反向磁化直至反向飽和磁化狀態(tài)cHcHBHOCHSBrBCH大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場iv.磁滯回線:此后,從反向飽和磁化到正向飽和磁化狀態(tài)的過程與上述過程對稱,形成一閉合曲線,稱之為磁滯回線v.磁滯損耗:可以證明,磁滯回線所包圍
11、的面積等于單位體積磁介質(zhì)經(jīng)一個反復(fù)磁化的循環(huán)過程所消耗的電磁能量,稱之為磁滯損耗 BHOCHSBrBCH大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場vi.消磁:逐漸減小的交變磁場可使磁滯回線向中心收縮,如圖所示,達到消磁的目的 大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場c.居里溫度 當溫度超過某一臨界溫度時,分子熱運動將使磁疇瓦解,使鐵磁質(zhì)相變成順磁質(zhì),稱這一溫度為鐵磁質(zhì)的居里溫度。據(jù)此也可用高溫的方法消除鐵磁質(zhì)的磁性 大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場d.鐵磁質(zhì)的種類和用途 按矯頑力的大小鐵磁質(zhì)主要分為軟磁材料和硬磁材料,下表列出的是一些
12、常用的鐵磁材料 大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場i.軟磁材料:矯頑力小( A/m102cH) 磁滯損耗小,適用于交變磁場,可用來制造變壓器、繼電器、電磁鐵、電機、電磁閥等,以及各種電磁元件的磁芯。在高頻和微波波段的應(yīng)用中常采用電阻率較高的鐵氧體以減小渦流損耗 大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場材料名稱成分 純鐵99.9%鐵50002.15100770硅鋼96%鐵,4%硅7001.9750690坡莫合金78%鐵,22%鎳1000001.075580錳鋅鐵氧體氧化錳、氧化鋅、氧化鐵30050000.316120鎳鋅鐵氧體氧化鎳、氧化鋅、氧化鐵512
13、00.3532300最大r(T)sB(A/m)cH居里溫度軟磁材料 大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場ii.硬磁材料:矯頑力大( ),剩磁 也很大。 適用于做永磁體( )和記憶元件( ),可用來制造磁電式儀表、揚聲器、麥克風、耳機、磁帶、磁控管及小型直流電機等。A/m102cHrBA/m101064cHA/m101042cH大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場 矯頑力較小而剩磁很大(近似為飽和值)的硬磁材料稱為矩磁材料,矩磁材料在正反方向的外磁場下保持在 兩種穩(wěn)定的剩磁狀態(tài)之間變化,可用做計算機、自動控制等新技術(shù)中的儲存、開關(guān)等元件 rB大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場材料名稱 成分鋇鐵氧體 0.45碳鋼 1.00釤鈷合金 1.07釹鐵硼合金1.23326.oOFeBa5SmCo77815FeBNd余為鐵錳碳,%1 ,%9.0(A/m)cH(T)rB51044.13104 51051.85108.8硬磁材料 大學(xué)物理大學(xué)物理B電磁學(xué)電磁學(xué)第七章穩(wěn)恒磁場第七章穩(wěn)恒磁場磁場中的微
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