磁介質(zhì)中的恒定磁場

關(guān)于磁介質(zhì)中的恒定磁場1第1頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五21.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,該物體稱磁介質(zhì)?！?磁介質(zhì)的磁化與磁化強(qiáng)度矢量電介質(zhì)極化：磁介質(zhì)磁化：總磁感強(qiáng)度外加磁感強(qiáng)度附加磁感強(qiáng)度磁化:磁介質(zhì)在磁場中呈現(xiàn)磁性(在磁場的作用下產(chǎn)生附加磁場)的現(xiàn)象稱為磁化。磁介質(zhì)有三種類型：順磁質(zhì)、抗磁質(zhì)、鐵磁質(zhì)。電學(xué)與磁學(xué)類比：第2頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五3磁介質(zhì)的性質(zhì)：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有、無磁介質(zhì)的螺旋管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的比值，可表征它們在磁場中的性質(zhì)。相對磁導(dǎo)率:順磁質(zhì)：如氧、鋁、鎢、鉑、鉻等。磁介質(zhì)抗磁質(zhì)：鐵磁質(zhì)：如氮、水、銅、銀、金、鉍等，超導(dǎo)體是理想的抗磁質(zhì)。如鐵、鈷、鎳等，B與B0

同方向，B與B0

反方向，B與B0

同方向，第3頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五42.分子電流模型和分子磁矩

原子中電子參與兩種運(yùn)動(dòng)：自旋及繞核的軌道運(yùn)動(dòng)，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(gè)電子對外界磁效應(yīng)的總和，稱為分子固有磁矩。抗磁質(zhì)：順磁質(zhì)：未加外磁場時(shí):

在抗磁質(zhì)中，原子或分子中所有電子的軌道磁矩和自旋磁矩矢量和為零。磁偶極子模型：在磁介質(zhì)中，原子或分子的等效磁矩分布和取向原子或分子的等效磁矩第4頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五5加外磁場時(shí):順磁質(zhì)分子有固有磁矩，固有磁轉(zhuǎn)動(dòng)后：當(dāng)外磁場存在時(shí)，各分子固有磁矩受磁場力矩的作用，或多或少地轉(zhuǎn)向磁場方向。分子磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)：抗磁質(zhì)分子無固有磁矩，也就無轉(zhuǎn)動(dòng)：第5頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五6在外磁場作用下，每個(gè)電子除了保持環(huán)繞原子核的運(yùn)動(dòng)和電子本身的自旋以外，還要附加電子自旋磁矩以外磁場方向?yàn)檩S線的進(jìn)動(dòng)。

可以證明：不論電子原來的自旋磁矩與磁場方向之間的夾角是何值，這種進(jìn)動(dòng)等效圓電流附加磁矩Pm的方向永遠(yuǎn)與B0

的方向相反。無論順磁質(zhì)還是抗磁質(zhì)，都存在附加磁矩Pm。進(jìn)動(dòng)方向一致!進(jìn)動(dòng)電子的進(jìn)動(dòng)：第6頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五7

抗磁材料在外磁場的作用下，磁體內(nèi)任意體積元中大量分子或原子的附加進(jìn)動(dòng)磁矩的矢量和有一定的量值，結(jié)果在磁體內(nèi)激發(fā)一個(gè)和外磁場方向相反的附加磁場，這就是抗磁性的起源。

在順磁體內(nèi)任意取一體積元V，其中各分子固有磁矩的矢量和將有一定的量值，因而在宏觀上呈現(xiàn)出一個(gè)與外磁場同向的附加磁場，這就是順磁性的起源。3.抗磁質(zhì)和順磁質(zhì)的磁化抗磁質(zhì)：順磁質(zhì)：可以忽略第7頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五82010年首個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)+搞笑諾貝爾獎(jiǎng)雙料得主誕生——荷蘭科學(xué)家AndreGeim。

十年前他因磁懸浮青蛙獲得搞笑諾貝爾獎(jiǎng)。

十年后他因石墨烯（graphene）的結(jié)構(gòu)獲諾貝爾獎(jiǎng)。青蛙屬于抗磁質(zhì)。當(dāng)青蛙被放到磁場中，青蛙的每個(gè)原子都像一個(gè)小磁針，外界磁場對這些小磁針作用的結(jié)果產(chǎn)生了向上的力，如果磁場的強(qiáng)度適當(dāng)，這力與青蛙受的重力達(dá)到平衡，它們就能懸在空中。實(shí)際上動(dòng)物都屬于抗磁質(zhì)，只要用足夠強(qiáng)的磁場，就有可能使人懸浮起來。第8頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五9磁化強(qiáng)度反是映磁介質(zhì)磁化程度(大小與方向)的物理量。它是單位體積內(nèi)所有分子固有磁矩的矢量和加上附加磁矩的矢量和，稱為磁化強(qiáng)度。磁化強(qiáng)度的單位：4.磁化強(qiáng)度對順磁質(zhì)，可以忽略；對抗磁質(zhì)，對于真空，。外磁場為零，磁化強(qiáng)度為零。外磁場不為零:順磁質(zhì)抗磁質(zhì)第9頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五105.磁化電流

對于各向同性的均勻介質(zhì)，介質(zhì)內(nèi)部各分子電流相互抵消，而在介質(zhì)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(gè)載流螺線管，稱為磁化面電流。第10頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五11

取一長方形閉合回路ABCD，AB邊在磁介質(zhì)內(nèi)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(qiáng)度對閉合回路的線積分等于通過回路所包圍的面積內(nèi)的總磁化電流。lABCD設(shè)介質(zhì)表面沿軸線方向單位長度上的磁化電流為

（磁化面電流密度），則長為l的一段介質(zhì)上的磁化電流強(qiáng)度為第11頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五12安培環(huán)路定理有磁介質(zhì)時(shí)§2磁場強(qiáng)度與有磁介質(zhì)時(shí)的安培環(huán)路定理定義磁場強(qiáng)度

磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理：磁場強(qiáng)度沿任意閉合路徑的線積分等于穿過該路徑的所有傳導(dǎo)電流的代數(shù)和，而與磁化電流無關(guān)。磁化電流的效應(yīng)由磁場強(qiáng)度所包含。第12頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五13

實(shí)驗(yàn)證明：對于各向同性的介質(zhì)，在磁介質(zhì)中任意一點(diǎn)磁化強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度成正比。

式中m只與磁介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，稱為磁介質(zhì)的磁化率，是一個(gè)純數(shù)。如果磁介質(zhì)是均勻的，它是一個(gè)常量；如果磁介質(zhì)是不均勻的，它是空間位置的函數(shù)。第13頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五14

值得注意：H的引入為研究介質(zhì)中的磁場提供了方便，但它不是反映磁場性質(zhì)的基本物理量，B才是反映磁場性質(zhì)的基本物理量。磁導(dǎo)率

=0r第14頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五15例：長直螺旋管內(nèi)充滿均勻磁介質(zhì)r，設(shè)電流

I0，單位長度上的匝數(shù)為

n。求管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。解：因管外磁場為零，取如圖所示安培回路第15頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五16例:在均勻密繞的螺繞環(huán)內(nèi)充滿均勻的順磁介質(zhì)，已知螺繞環(huán)中的傳導(dǎo)電流為I0

，單位長度內(nèi)匝數(shù)n，環(huán)的橫截面半徑比環(huán)的平均半徑小得多，磁介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率和磁導(dǎo)率分別為r和，求環(huán)內(nèi)的磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度。解：在環(huán)內(nèi)任取一點(diǎn)，過該點(diǎn)作一和環(huán)同心、半徑為

r的圓形回路。式中N為螺繞環(huán)上線圈的總匝數(shù)。由對稱性可知，在所取圓形回路上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小相等，方向都沿切線。當(dāng)環(huán)內(nèi)充滿均勻介質(zhì)時(shí)第16頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五17例：如圖所示，一半徑為R1的無限長圓柱體（導(dǎo)體

≈0）中均勻地通有電流I0，在它外面有半徑為R2的無限長同軸圓柱面，兩者之間充滿著磁導(dǎo)率為

的均勻磁介質(zhì)，在圓柱面上通有相反方向的電流I0。試求(1)圓柱體外圓柱面內(nèi)一點(diǎn)的磁場；(2)圓柱體內(nèi)一點(diǎn)磁場；(3)圓柱面外一點(diǎn)的磁場。解:

(1)當(dāng)兩個(gè)無限長的同軸圓柱體和圓柱面中有電流通過時(shí)，它們所激發(fā)的磁場是軸對稱分布的，而磁介質(zhì)亦呈軸對稱分布，因而不會(huì)改變場的這種對稱分布。設(shè)圓柱體外圓柱面內(nèi)一點(diǎn)到軸的垂直距離是r，以r為半徑作一圓，取此圓為積分回路，根據(jù)安培環(huán)路定理有I0I0I0R1R2r第17頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五18I0I0I0R1R2rr(2)設(shè)在圓柱體內(nèi)一點(diǎn)到軸的垂直距離是r，則以r為半徑作一圓，根據(jù)安培環(huán)路定理有(3)在圓柱面外取一點(diǎn)，它到軸的垂直距離是r，以r半徑作一圓，根據(jù)安培環(huán)路定理,考慮到環(huán)路中所包圍的電流的代數(shù)和為零，所以得r第18頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五19裝置：環(huán)形螺繞環(huán);鐵磁質(zhì)Fe,Co,Ni及稀釷族元素的化合物，能被強(qiáng)烈地磁化實(shí)驗(yàn)測量B,由得出

r~H曲線鐵磁質(zhì)的

r

不一定是個(gè)常數(shù)，它是

H

的函數(shù)，

r

非線性；原理:勵(lì)磁電流

I0;

用安培定理得H磁飽和現(xiàn)象，到一定程度，I0

，H，而B的增加極為緩慢。§3鐵磁質(zhì)1.磁化曲線第19頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五20

當(dāng)鐵磁質(zhì)達(dá)到飽和狀態(tài)后，

要完全消除剩磁Br，必須加反向磁場H，當(dāng)B=0時(shí)磁場的值Hc為鐵磁質(zhì)的矯頑力。當(dāng)反向磁場H

繼續(xù)增加，鐵磁質(zhì)的磁化達(dá)到反向飽和。2.磁滯回線BHaOdfBrcbHc-BreHc-BreBrcb-Hc反向磁場H

減小到零，同樣出現(xiàn)剩磁現(xiàn)象。不斷地正向或反向緩慢改變磁場，磁化曲線為一閉合曲線—磁滯回線。緩慢地減小H，鐵磁質(zhì)中的B并不按原來的曲線減小，并且H=

0時(shí)，B不等于0，具有一定值，這種現(xiàn)象稱為剩磁。第20頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五21單晶磁疇結(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)的交換耦合作用，這個(gè)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(gè)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)域稱為磁疇。3.磁疇

在沒有外磁場作用時(shí)，磁體體內(nèi)磁矩排列雜亂，任意物理無限小體積內(nèi)的平均磁矩為零。第21頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五22

在外磁場作用下，磁矩與外磁場同方向排列時(shí)的磁能將低于磁矩與外磁反向排列時(shí)的磁能，結(jié)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(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。隨著外磁場的不斷增強(qiáng)，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)，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(shí)磁化達(dá)到飽和。第22頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五23臨界溫度Tc。在Tc以上，鐵磁性完全消失而成為順磁質(zhì)，Tc稱為居里溫度或居里點(diǎn)。不同的鐵磁質(zhì)有不同的居里溫度Tc。純鐵：770oC，純鎳：358oC。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(dāng)鎳片的溫度升高到超過一定溫度時(shí)，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(diǎn)以下恢復(fù)鐵磁性，又被磁鐵吸住。第23頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五244.鐵磁質(zhì)的應(yīng)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(yīng)強(qiáng)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(jī)、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(jī)中的永久磁鐵，永磁揚(yáng)聲器。第24頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五25作存儲(chǔ)元件的矩磁材料Br=BS，Hc不大，磁滯回線是矩形。用于記憶元件，當(dāng)+脈沖產(chǎn)生H>Hc使磁芯呈+B態(tài)，則–脈沖產(chǎn)生H<–Hc使磁芯呈–

B態(tài)，可做為二進(jìn)制的兩個(gè)態(tài)。錳鎂鐵氧體，鋰錳鐵氧體BHHc-Hc

壓磁材料具有較強(qiáng)的磁致伸縮效應(yīng)，常用于制造超聲波發(fā)生器。

鐵磁體在交變磁化磁場的作用下，它的形狀隨之改變，叫做磁致伸縮效應(yīng)。BHO第25頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五26§4磁路定理1.磁路的一般概念磁感應(yīng)通量（磁通）通過的區(qū)域稱為磁路。常用電工設(shè)備中的磁路圖第26頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五272.磁路定理

設(shè)截面積為S、長為l，磁導(dǎo)率為的鐵環(huán)上，繞以緊密的線圈N匝，線圈中通過的電流為I。磁路的歐姆定理m=NI為磁路的磁動(dòng)勢，單位為A。

為閉合磁路的磁阻，單位為A/WB。

第27頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五28討論題討論

高壓容器在工業(yè)和民用領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用，如鍋爐、儲(chǔ)氣罐、家用煤氣壇等。由于高壓容器長期的使用、運(yùn)行,局部區(qū)域受到腐蝕、磨損或機(jī)械損害,從而會(huì)形成潛在的威脅.因此世界各國對于高壓容器的運(yùn)行都制定了嚴(yán)格的在役無損檢測標(biāo)準(zhǔn),以確保高壓容器的安全運(yùn)行。

目前無損檢測一般采用的方法有磁粉探傷、超聲波探傷和X射線探傷等方法。磁粉探傷依據(jù)的是介質(zhì)表面磁場分布的不連續(xù)性,可采用磁粉顯示;超聲波和X射線探傷利用了波動(dòng)在介質(zhì)分界面反射的現(xiàn)象.這些方法有的儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣,有的數(shù)據(jù)處理麻煩、價(jià)格較高,對于家用容器的檢測就更為不方便.請根據(jù)所學(xué)的知識(shí),探索一種利用鐵磁材料實(shí)現(xiàn)無損探傷的方法。第28頁，共32頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)10分，星期五29根據(jù)LC振蕩電路的磁回路特性,一旦介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)裂紋,將會(huì)引起磁導(dǎo)率的突變,從而使回路的電磁參數(shù)發(fā)生變化。將這一結(jié)果用于鐵磁材料表面和內(nèi)部傷痕、裂紋的檢測中,其檢測方法原理簡單,操作方便,檢測靈敏度高。LC磁回路測量原理：磁回路的基本模型如圖所示