磁場中的磁介質(zhì)

會計學1磁場中的磁介質(zhì)

任何物質(zhì)皆由原子或分子構(gòu)成。原子（分子）中的電子同時參與兩種運動：自旋及繞核的軌道運動，對應(yīng)有軌道磁矩和自旋磁矩。二、磁介質(zhì)的磁化這就是安培提出的分子電流假設(shè)。分子電流——分子磁矩產(chǎn)生的磁效應(yīng)可以用一等效的圓電流的磁矩來表示。分子磁矩——分子所有電子的軌道磁矩與自旋磁矩的矢量和，稱為分子固有磁矩，簡稱為分子磁矩

m。分子磁矩的方向與電子運動的角速度方向相反。第1頁/共25頁順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的磁化可用安培分子電流假說解釋，而鐵磁質(zhì)的磁化很復雜。1.順磁質(zhì)的磁化機理——順磁性無外場Bo時，分子的磁矩排列雜亂無章，介質(zhì)內(nèi)分子磁矩的矢量和m=m=0有外場Bo時，分子磁矩轉(zhuǎn)到與外磁場方向一致，分子磁矩的矢量和

m=m≠0第2頁/共25頁等效對各向同性（均勻）磁介質(zhì)，磁化電流I′只出現(xiàn)在介質(zhì)表面，介質(zhì)內(nèi)部無磁化電流，且磁化電流I′不可引出，因此，磁化電流也稱為束縛電流。對各向同性（均勻）磁介質(zhì)，從導體橫截面看，導體內(nèi)部分子電流兩兩反向，相互抵消。導體邊緣分子電流同向?！褜Ω飨蛲裕ň鶆颍┐沤橘|(zhì)，分子電流可等效成磁介質(zhì)表面的磁化電流I′，I′產(chǎn)生附加磁場B'。I′

第3頁/共25頁在無外磁場時，抗磁質(zhì)中分子固有磁矩為零:m=0，物質(zhì)不顯磁性。2.抗磁質(zhì)的磁化機理——抗磁性有外場時，電子的軌道角動量會繞著磁場方向旋進,形成一個電的環(huán)流,但電子帶負電,這就相當于一個與原磁場方向反向的正的環(huán)流,產(chǎn)生的磁矩指向磁場的相反方向.第4頁/共25頁有磁介質(zhì)時，安培環(huán)路定理是：磁介質(zhì)的總磁場傳導電流磁化電流總和三、磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理根據(jù)實驗規(guī)律無磁介質(zhì)時：由于磁化電流的計算很繁，所以我們從無磁介質(zhì)時出發(fā)。定義磁場強度：第5頁/共25頁磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理：即：磁場強度沿任意閉合路徑的線積分（環(huán)流），等于穿過以該回路為邊界的傳導電流的代數(shù)和。

H是為消除磁化電流的影響而引入的輔助物理量。

H的環(huán)流僅與傳導電流I0

有關(guān),與介質(zhì)無關(guān)(當I

相同時，盡管介質(zhì)不同，H

在同一點上卻相同)。因此可以先求磁場強度H，再求磁感應(yīng)強度B。H的單位：安培/米(A/m)

說明：第6頁/共25頁例1、長直單芯電纜的芯是一根半徑為R1

的金屬導體，它與外壁之間充滿均勻磁介質(zhì),其相對磁導率為，外筒半徑為R2,電流從芯流過再沿外壁流回。求(1)導線內(nèi)的磁場分布;(2)磁介質(zhì)中磁場分布;(3)磁介質(zhì)外的磁場分布。解:(1)導線內(nèi)的磁場分布(2)磁介質(zhì)內(nèi)的磁場分布(3)磁介質(zhì)外的磁場分布第7頁/共25頁電介質(zhì)中的高斯定理磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理第8頁/共25頁§11.2鐵磁質(zhì)

在工程技術(shù)上常用的磁介質(zhì)是鐵磁質(zhì)，如電機、變壓器和電表等。鐵磁質(zhì)有如下特點：1．在外磁場作用下能產(chǎn)生很強的磁感應(yīng)強度；μ>>12．當外磁場停止作用時，仍能保持其磁化狀態(tài)；3．B與H之間不是簡單的線性關(guān)系；4．鐵磁質(zhì)都有一臨界溫度。在此溫度（居里溫度）之上，鐵磁性完全消失而成為順磁質(zhì)。

Fe(1040K)Co(630K)Ni(1390K)磁化曲線——磁介質(zhì)內(nèi)磁感應(yīng)強度B隨磁場強度H的變化關(guān)系曲線。OHBABCS第9頁/共25頁一、鐵磁介質(zhì)的磁化機理——磁疇1.磁疇磁疇——鐵磁質(zhì)中因電子自旋而引起的強烈相互作用，在鐵磁質(zhì)內(nèi)形成磁性很強的小區(qū)域。磁疇的體積約為10-12m3

。

在無外磁場時，各磁疇排列雜亂無章，鐵磁質(zhì)不顯磁性；在外磁場中，各磁疇沿外場轉(zhuǎn)向，介質(zhì)內(nèi)部的磁場迅速增加，在鐵磁質(zhì)充磁過程中伴隨著發(fā)聲、發(fā)熱。第10頁/共25頁2.磁疇的形成

按照量子理論,鐵磁質(zhì)內(nèi)電子間存在著很強的由電子自旋引起的相互作用——電子交換作用,使各電子的自旋磁矩排列整齊，從而形成磁疇。每個磁疇內(nèi)的電子自旋磁矩整齊排列，磁性很強——自發(fā)磁化。3.磁疇與外磁場的關(guān)系無外磁場時,各個磁疇由于熱運動其方向排列無序,因而整體對外不顯磁性。有外磁場時,各個磁疇的磁矩在外磁場的磁力矩作用下以整體的形式趨向外磁場方向排列,從而對外顯示很強的磁性。出現(xiàn)高m值。具體過程:與外磁場方向一致和相同的磁疇范圍擴大,磁疇磁矩方向同時盡力轉(zhuǎn)向外磁場的方向。4.磁疇與溫度的關(guān)系:當溫度持續(xù)升高到某值時,由于劇烈的熱運動,磁疇瓦解,鐵磁質(zhì)的鐵磁性消失,過渡到順磁質(zhì)。此溫度叫做居里溫度或居里點。第11頁/共25頁5.磁飽和狀態(tài)磁飽和狀態(tài)HBoabcd

隨著外磁場增加，能夠提供轉(zhuǎn)向的磁疇越來越少，鐵磁質(zhì)中的磁場增加的速度變慢，最后外磁場再增加，介質(zhì)內(nèi)的磁場也不會增加，鐵磁質(zhì)達到磁飽和狀態(tài)。第12頁/共25頁二、鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律——磁滯回線1.實驗目的:

確定鐵磁質(zhì)內(nèi)的B隨外場H的變化關(guān)系,確定其磁導率m的特點和鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律。a2.實驗結(jié)果o~a:

起始磁化曲線，未經(jīng)磁化的鐵磁質(zhì),起始時,B

隨H

而增大,到a點達到飽和。bBrBHoa~b:當外磁場減小時，介質(zhì)中的磁場并不沿起始磁化曲線返回，而是滯后于外磁場變化——磁滯現(xiàn)象,當H=0時,B=Br≠0，Br——剩磁。第13頁/共25頁b~c

:加上反向外磁場，則B

繼續(xù)減小,當H=-Hc時，B=0，Hc稱為矯頑力,即為了消除剩磁所需加的反向外磁場Hc

。BrHcBHoac~d：繼續(xù)增加反向磁場，介質(zhì)達到反向磁飽和狀態(tài)。d~e~f：改變外磁場為正向磁場，不斷增加外場，介質(zhì)又達到正向磁飽和狀態(tài)。bcdef磁滯回線——閉合曲線abcdefa。實驗結(jié)論鐵磁質(zhì)具有非線性，其m值具有非單值性，與磁化的歷史有關(guān)。鐵磁質(zhì)會出現(xiàn)磁滯和剩磁現(xiàn)象。第14頁/共25頁4.解釋:起始磁導率磁化飽和:當所有磁疇的磁矩都轉(zhuǎn)向外磁場方向時,磁化即達到飽和。剩磁:鐵磁質(zhì)中的雜質(zhì)和內(nèi)應(yīng)力,在外磁場撤消后阻礙磁疇恢復原來的狀態(tài),因而產(chǎn)生了剩磁。三、鐵磁質(zhì)的特點磁疇；高m值；非線性；磁滯；居里點；

m的非單值性。第15頁/共25頁四、退磁方法1.加熱法

當鐵磁質(zhì)的溫度升高到某一溫度時，磁性消失，由鐵磁質(zhì)變?yōu)轫槾刨|(zhì)，該溫度為居里溫度tc

。當溫度低于tc

時，又由順磁質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁質(zhì)。鐵的居里溫度tc=770°C；30%的坡莫合金居里溫度tc=70°C；

利用鐵磁質(zhì)具有居里溫度的特點，可將其制作溫控元件，如電飯鍋自動控溫。原因：由于加熱使磁介質(zhì)中的分子、原子的振動加劇，提供了磁疇轉(zhuǎn)向的能量，使鐵磁質(zhì)失去磁性。第16頁/共25頁2.敲擊法

通過振動可提供磁疇轉(zhuǎn)向的能量，使介質(zhì)失去磁性。如敲擊永久磁鐵會使磁鐵磁性減小。3.加反向磁場

加反向磁場，提供矯頑力Hc,使鐵磁質(zhì)退磁。4.加交變衰減的磁場

使介質(zhì)中的磁場逐漸衰減為0，應(yīng)用在錄音機中的交流抹音磁頭中。tHoBHoc第17頁/共25頁五、鐵磁材料分類1.金屬磁性材料特點：適用于高穩(wěn)定、低頻、大功率,但高頻應(yīng)用受限。軟磁材料:Br大,但Hc小,磁滯回線面積小,因而易磁化,易消磁;適用于制造電磁鐵、變壓器、交流電機的鐵心。如：象軟鐵、坡莫合金、硒鋼片、鐵鋁合金、鐵鎳合金等。

由于軟磁材料磁滯損耗小，適合用在交變磁場中，如變壓器鐵芯、繼電器、電動機轉(zhuǎn)子、定子都是用軟件磁性材料制成。

由金屬合金或化合物制成(大部分以鐵、鈷、鎳為基礎(chǔ))。第18頁/共25頁硬磁性材料：Br大，Hc大，磁滯回線面積大,，因而磁滯特性明顯，一旦被磁化,，剩磁即難于消除。用于制作永磁體，以產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場。

如碳鋼、鋁鎳鈷合金和鋁鋼等。

可用在磁電式電表、永磁揚聲器、耳機以及雷達中的磁控管等。2.壓磁材料

具有較強的磁致伸縮性能,用于制作機電換能器和聲電換能器。第19頁/共25頁3.非金屬氧化物----鐵氧體

由三氧化二鐵Fe2O3和其它二價金屬氧化物（如NiO，ZnO等）的粉末混合燒結(jié)而成特點:

具有高磁導率,高電阻率,渦流損耗少,適用于高頻技術(shù)。作記憶元件,或作天線和電感中的磁心。例如:矩磁鐵氧體,其磁滯回線近似矩形而得名。第20頁/共25頁六、超導體1911年，荷蘭物理學家H·K·昂納斯及其助手首先發(fā)現(xiàn)在溫度降至液氦的沸點（4.2K）以下時，水銀的電阻為0。超導體——在低溫下電阻為零的物質(zhì)。1913年昂納斯因他在低溫物理和超導領(lǐng)域所做的杰出貢獻，獲諾貝爾物理學獎。1.超導體的基本性質(zhì)零電阻率超導體在臨界溫度以下時，電阻為零，所以它可以通過很大的電流，而幾乎無熱損耗。有人曾用超導體做成一個圓環(huán)，當把它冷卻到臨界溫度以下后，突然去掉磁場，由于電磁感應(yīng)，在超導體環(huán)內(nèi)產(chǎn)生一個相當強的電流，這個電流在持續(xù)兩年半的時間內(nèi)仍沒發(fā)現(xiàn)可觀的變化。第21頁/共25頁2.邁斯納效應(yīng)—完全抗磁性Bo1933年德國物理學家W.邁斯納發(fā)現(xiàn)完全抗磁性。將超導體放入磁場中，表面產(chǎn)生超導電流，超導電流產(chǎn)生的磁場與外磁場抵消，使超導體內(nèi)的磁感應(yīng)強度為0。超導體在磁場中由于超導電流產(chǎn)生的磁場與外磁場的斥力作用，使超導體可懸浮在空中。NFmg第22頁/共25頁

由于超導體內(nèi)電阻為0，超導電流不會產(chǎn)生熱量，超導電流也就不會消失，超導體一直會懸浮在磁場中。利用這種現(xiàn)象可制成超導重力儀，用來預測地震，當?shù)卣鸢l(fā)生之前，地表面的重力場會發(fā)生變化，超導球的位置也會發(fā)生變化，由此來預測地震。還可制造超導磁懸浮列車，世界上最快的磁懸浮列車時速超過500公里/小時。3.超導體的應(yīng)用第23頁/共25頁無損耗輸電。傳統(tǒng)輸電過程中總要產(chǎn)生一部分焦耳熱損耗，一般在10%~20%，如果采用超導體輸電，幾乎沒有電能損失，而且不需要升壓，可以不用變壓器設(shè)備，也不必架