大學物理：21章 物質的磁性

1、第二十一章 磁介質 本章教學要求：了解介質的磁化現(xiàn)象及其微觀解釋。了解鐵磁質的特性。了解各向同性介質中H和B之間的關系和區(qū)別。了解介質中磁場的高斯定理和安培環(huán)路定理。 本章重點：磁場的高斯定理和安培環(huán)路定理，磁場的高斯定理和安培環(huán)路定理本章難點：各類磁介質的磁化機理，鐵磁質的特性返回目錄下一頁上一頁 第二十一章 磁介質 21.1 磁介質及其磁化21.3 鐵磁質返回總目錄21.2 磁介質中的高斯定理與安培環(huán)路定理 第二十一章 磁介質 21.1 磁介質及其磁化磁介質：一切實物物質，在磁場作用下都會產生不同程 度的磁化，磁化了的物質又反過來影響原來的 磁場。凡是有這種特性的物質都叫磁介質。返回本章目

2、錄下一頁磁介質內部：定義介質的相對磁導率：三種不同的磁介質：返回本章目錄下一頁上一頁實驗發(fā)現(xiàn)：有、無磁介質的螺旋管內磁感應強度的比值，可表征它們在磁場中的性質。磁介質順磁質，抗磁質都稱為弱磁質返回本章目錄下一頁上一頁分子的固有磁矩 ，返回本章目錄下一頁上一頁抗磁質順磁質21.1.2 順磁質與抗磁質的磁化返回本章目錄下一頁上一頁抗磁質的磁化機理*電子的進動：在外磁場作用下，每個電子除了保持環(huán)繞原子核的運動和電子本身的自旋以外，還要附加電子磁矩以外磁場方向為軸線的轉動。 可以證明：不論電子原來的磁矩與磁場方向之間的夾角是何值，這種進動等效圓電流附加磁矩Pm的方向永遠與B0 的方向相反。進動方向一致

3、!進動 順磁質 ，即在 作用下 轉向方向，使得 與 同向。 抗磁質 ，但進動產生 ， 與 反向，使得 與 反向。 分析（b）（c）兩圖有：分子中各個電子因進動產生的附加磁矩 總與 的方向相反。順磁質抗磁質返回本章目錄下一頁上一頁2010年首個諾貝爾獎+搞笑諾貝爾獎雙料得主誕生荷蘭科學家Andre Geim。十年前他因磁懸浮青蛙獲得搞笑諾貝爾獎。十年后他因石墨烯（graphene）的結構獲諾貝爾獎。青蛙屬于抗磁質。當青蛙被放到磁場中，青蛙的每個原子都像一個小磁針，外界磁場對這些小磁針作用的結果產生了向上的力，如果磁場的強度適當，這力與青蛙受的重力達到平衡，它們就能懸在空中。 實際上動物都屬于抗磁

4、質，只要用足夠強的磁場，就有可能使人懸浮起來。 磁化強度（與電極化強度 定義類似。）4、磁化強度順磁質的磁化強度方向與外磁場方向相同，方向與外磁場方向相反。抗磁質的磁化強度單位：（安/米) 0B(a)順磁質0B(b)抗磁質反映磁介質磁化程度(大小與方向)的物理量。5. 磁化電流 對于各向同性的均勻介質，介質內部各分子電流相互抵消，而在介質表面，各分子電流相互疊加，在磁化圓柱的表面出現(xiàn)一層電流，好象一個載流螺線管，稱為磁化面電流。58 磁化電流的產生2ok.swf設介質表面沿軸線方向單位長度上的磁化電流為jm （磁化面電流密度），則長為l 的一段介質上的磁化電流強度Im為 取一長方形閉合回路AB

5、CD，AB邊在磁介質內部，平行與柱體軸線，長度為l，而BC、AD兩邊則垂直于柱面。磁化強度對閉合回路的線積分等于通過回路所包圍的面積內的總磁化電流。IImlABCD對比，故對總磁場有 21-2 磁介質中的高斯定理與安培環(huán)路定理21-2-1 磁介質中的高斯定理無磁介質時有磁介質時21-2-2 有磁介質時的安培環(huán)路定理定義磁場強度 磁介質中的安培環(huán)路定理：磁場強度沿任意閉合路徑的線積分等于穿過該路徑的所有傳導電流的代數和，而與磁化電流無關。 實驗證明：對于各向同性的介質，在磁介質中任意一點磁化強度和磁場強度成正比。 式中m只與磁介質的性質有關，稱為磁介質的磁化率，是一個純數。如果磁介質是均勻的，它

6、是一個常量；如果磁介質是不均勻的，它是空間位置的函數。對比 值得注意：H 的引入為研究介質中的磁場提供了方便，但它不是反映磁場性質的基本物理量，B 才是反映磁場性質的基本物理量。磁導率 =0 r對比21-2-3 磁化強度、磁感應強度和磁場強度之間的關系各向同性的介質I 例 有兩個半徑分別為 和 的“無限長”同軸圓筒形導體，在它們之間充以相對磁導率為 的磁介質.當兩圓筒通有相反方向的電流 時，試 求（1）磁介質中任意點 P 的磁感應強度的 大小;（2）圓柱體外面一點 Q 的 磁感強度.解 對稱性分析I同理可求II2、實驗（略）3. 磁化曲線(a)(b)(c)21-3 鐵磁質一、鐵磁質的特性1.

7、特性（1）由于磁化，鐵磁質內部磁場比無鐵磁質時增大百倍至千倍以上。（2） 不是恒量。即 與 不是簡單的線性關系。（3）磁化場撤除后，鐵磁質內仍得到一定的磁性。返回本章目錄下一頁上一頁4. 磁滯回線(a) BH磁滯回線(b)MH磁滯回線5. 磁滯損耗 磁滯伸縮 居里點返回本章目錄下一頁上一頁圖無外磁場外磁場外磁場外磁場(a)(b)(c)(d)1、“磁疇”理論二、鐵磁質的磁化機理單晶磁疇結構示意圖多晶磁疇結構示意圖 在鐵磁質中，相鄰鐵原子中的電子間存在著非常強的交換耦合作用，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)域稱為磁疇

8、。3. 磁疇 在沒有外磁場作用時，磁體體內磁矩排列雜亂，任意物理無限小體積內的平均磁矩為零。無外磁場外磁場外磁場外磁場(a)(b)(c)(d) 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，結果是自發(fā)磁化磁矩和外磁場成小角度的磁疇處于有利地位，這些磁疇體積逐漸擴大，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。隨著外磁場的不斷增強，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，以后再繼續(xù)增加磁場，所有磁疇都沿外磁場方向整齊排列，這時磁化達到飽和。臨界溫度Tc。在Tc以上，鐵磁性完全消失而成為順磁質，Tc稱為居里溫度或居里點。不同的

9、鐵磁質有不同的居里溫度Tc。純鐵：770C，純鎳：358C。居 里裝置如圖所示：將懸掛著的鎳片移近永久磁鐵，即被吸住，說明鎳片在室溫下具有鐵磁性。用酒精燈加熱鎳片，當鎳片的溫度升高到超過一定溫度時，鎳片不再被吸引，在重力作用下擺回平衡位置，說明鎳片的鐵磁性消失，變?yōu)轫槾判浴Ｒ迫ゾ凭珶?，稍待片刻，鎳片溫度下降到居里點以下恢復鐵磁性，又被磁鐵吸住。 4. 鐵磁質的應用作變壓器的軟磁材料。純鐵，硅鋼坡莫合金(Fe，Ni)，鐵氧體等。r大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。飽和磁感應強度大，矯頑力(Hc)小，磁滯回線的面積窄而長，損耗小。用于繼電器、電機、以及各種高頻電磁元件的磁芯、磁棒。BH作永久磁鐵的硬磁材料鎢鋼，碳鋼，鋁鎳鈷合金B(yǎng)HHc-Hc矯頑力(Hc)大（102A/m)，剩磁Br大磁滯回線的面積大，損耗大。用于磁電式電表中的永磁鐵。耳機中的永久磁鐵，永磁揚聲器。作存儲元件的矩磁材料Br=BS，Hc不