大學(xué)物理-磁場(chǎng)2

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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)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(gè)電子都同時(shí)參與軌道運(yùn)動(dòng)和自旋運(yùn)動(dòng)，分子中所有電子的運(yùn)動(dòng)可等效為分子電流，這種分子電流具有一定的磁矩，稱(chēng)為分子磁矩，用 表示。磁介質(zhì)中的分子磁矩由以下三種類(lèi)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)分子無(wú)固有磁矩 例如：水、氦、金、銀、銅等，這類(lèi)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(lèi)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒

2、磁場(chǎng)分子磁矩平行排列，在介質(zhì)中形成一個(gè)個(gè)自發(fā)磁化的小區(qū)，稱(chēng)為磁疇 例如：鐵、鈷、鎳、釓、鏑等，這類(lèi)介質(zhì)的某種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了電子間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)，使電子自旋取向平行時(shí)能量較低。 磁疇的大小約為 包含有 個(gè)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng) 磁化強(qiáng)度 為了定量描述介質(zhì)的磁化情況，定義介質(zhì)的磁化強(qiáng)度為 VpPimim的單位是A/m mP（其中， 滿足“宏觀無(wú)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)磁化機(jī)理a. 抗磁性：介質(zhì)分子中各電子受外磁場(chǎng) 的洛倫茲力的作用，磁矩改變量 與 方向相反，使每個(gè)分子及整個(gè)介質(zhì)產(chǎn)生一個(gè)與 方向相反的 宏觀磁矩，稱(chēng)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)iii.電子磁矩 mep0B與 方向夾角 , 電子受磁力矩而進(jìn)動(dòng)，附加角動(dòng)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)b.順磁性： 若分子有固有磁矩 ，則在外磁場(chǎng) 的磁力矩作用下，分子磁矩順磁場(chǎng)方向排列時(shí)磁矩勢(shì)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(chǎng)排列的分子數(shù)與磁矩逆磁場(chǎng)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(chēng)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng) 磁化電流 由于磁化，在介質(zhì)的某些地方會(huì)出現(xiàn)有效的分子電流，稱(chēng)之為磁化電流，磁化電流不能自由傳導(dǎo)，因而相對(duì)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)磁化電流與磁化強(qiáng)度的關(guān)系為： 或 其中 是穿過(guò)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度：為了便于處理磁介質(zhì)問(wèn)題，實(shí)際工作中常采用磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量，其定義為 單位是 (奧斯特)。 磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng) 磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量是一個(gè)輔助性的物理量，它的旋中心是傳導(dǎo)電流，所以用磁場(chǎng)強(qiáng)度分析介質(zhì)問(wèn)題時(shí)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)磁導(dǎo)率：設(shè)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度為 ，則 相對(duì)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)簡(jiǎn)化規(guī)則：當(dāng)磁介質(zhì)充滿了存在磁場(chǎng)的全部空間時(shí)，或介質(zhì)表面磁通量為零時(shí)，若求介質(zhì)中的磁場(chǎng)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)例7.12充滿介質(zhì)的空間有一無(wú)限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線，求空間的磁場(chǎng)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng) 磁介質(zhì)的種類(lèi)抗磁質(zhì) ，分子無(wú)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(chēng)之為超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)。需要說(shuō)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(dú)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)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(qiáng)，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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì) ，介質(zhì)內(nèi)存在大量的磁疇，在外磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生很強(qiáng)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)a.鐵磁質(zhì)的磁化過(guò)程 如圖所示，可分為：未磁化、生長(zhǎng)磁化、轉(zhuǎn)向磁化、飽和磁化。未磁化的磁介質(zhì)在外磁場(chǎng)的作用下逐漸達(dá)到飽和磁化狀態(tài)，飽和值 稱(chēng)為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)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(qiáng)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)ii.剩磁：當(dāng)外磁

10、場(chǎng)減小到0時(shí),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(chēng)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)iii.矯頑力：當(dāng)外磁場(chǎng)反向時(shí)，B逐漸減小到0，此時(shí)外磁場(chǎng)的大小稱(chēng)之為矯頑力，用 表示 當(dāng)反向外磁場(chǎng)繼續(xù)加大時(shí)，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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)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(guò)程與上述過(guò)程對(duì)稱(chēng)，形成一閉合曲線，稱(chēng)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(gè)反復(fù)磁化的循環(huán)過(guò)程所消耗的電磁能量，稱(chēng)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)vi.消磁：逐漸減小的交變磁場(chǎng)可使磁滯回線向中心收縮，如圖所示，達(dá)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)c.居里溫度 當(dāng)溫度超過(guò)某一臨界溫度時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)將使磁疇瓦解，使鐵磁質(zhì)相變成順磁質(zhì)，稱(chēng)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)d.鐵磁質(zhì)的種類(lèi)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)i.軟磁材料：矯頑力小( A/m102cH) 磁滯損耗小，適用于交變磁場(chǎng)，可用來(lái)制造變壓器、繼電器、電磁鐵、電機(jī)、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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)材料名稱(chēng)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)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(lái)制造磁電式儀表、揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)、耳機(jī)、磁帶、磁控管及小型直流電機(jī)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng) 矯頑力較小而剩磁很大(近似為飽和值)的硬磁材料稱(chēng)為矩磁材料，矩磁材料在正反方向的外磁場(chǎng)下保持在 兩種穩(wěn)定的剩磁狀態(tài)之間變化，可用做計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制等新技術(shù)中的儲(chǔ)存、開(kāi)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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)材料名稱(chēng) 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(chǎng)第七章穩(wěn)恒磁場(chǎng)磁場(chǎng)中的微