第十八講磁介質(zhì)

第十八講磁介質(zhì)1第1頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二11.1磁介質(zhì)的磁化什么是磁介質(zhì)？能夠影響磁場分布的物質(zhì)。II長直密繞螺線管發(fā)現(xiàn)磁介質(zhì)中的磁場：磁介質(zhì)上有磁化電流，現(xiàn)在將一個(gè)長螺線管通電流I，內(nèi)部造成一個(gè)均勻磁場,再將磁介質(zhì)充滿磁場（保持電流不變）。第2頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：充各種磁介質(zhì)，磁介質(zhì)內(nèi)的磁場有的比真空時(shí)弱，有的比真空時(shí)強(qiáng)。……該磁介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率(1)抗磁質(zhì)略<1（銅,銀,氫等）(2)順磁質(zhì)略>1（鋁,錳,氧等）(3)鐵磁質(zhì)>>1（鐵,鈷,鎳等）式中……磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率。第3頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二由于電子帶電，電子繞原子核作軌道運(yùn)動(dòng)，就相當(dāng)于一個(gè)閉合載流線圈一樣。一.電子的磁矩11.1.2一般磁介質(zhì)的磁化機(jī)制其磁矩為m=IS

I……電流強(qiáng)度

S……載流線圈面積所以有ISmr電子軌道運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量第4頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二二.原子核的磁矩同理，質(zhì)子也有軌道磁矩。中子不帶電，無軌道磁矩。但是質(zhì)子和中子都有自旋磁矩（略）?？傊?，原子核有個(gè)總磁矩。電子軌道磁矩電子還有自旋運(yùn)動(dòng)，自旋磁矩和自旋角動(dòng)量S的關(guān)系：它比電子軌道磁矩約小一千多倍。第5頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二三.分子磁矩和分子電流一個(gè)分子的磁矩是其中所有電子的軌道磁矩和自旋磁矩以及原子核的磁矩的矢量和。i分1.順磁質(zhì)順磁質(zhì)的≠0，稱為分子固有磁矩。第6頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二一般由于分子的熱運(yùn)動(dòng),完全是混亂的,不顯磁性。這就是順磁質(zhì)被“磁化”。外磁場越強(qiáng)，轉(zhuǎn)向排列越整齊。會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向而排列，但是在外磁場中，SNiSN順磁質(zhì)內(nèi)部的各分子等效磁矩有一定程度的排列，分子等效電流I使順磁質(zhì)內(nèi)部的磁場加強(qiáng)；而且順磁質(zhì)會(huì)被磁鐵吸引。第7頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二2.抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)的分子固有磁矩=0。但是在外磁場中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁矩。以分子中某個(gè)電子的軌道運(yùn)動(dòng)為例,（注意：分子固有磁矩為零,分子中某個(gè)電子的軌道磁矩不見得為零）,該磁矩在外磁場中要受力矩，設(shè)該電子的軌道運(yùn)動(dòng)角動(dòng)量為，軌道磁矩為，有第8頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二的方向即的方向（向里）。所以要進(jìn)動(dòng)。（俯視為逆時(shí)針方向）軌道進(jìn)動(dòng)附加的角動(dòng)量是與的方向一致的,所以這一進(jìn)動(dòng)相應(yīng)的軌道磁矩（感應(yīng)磁矩）是與反向的。對(duì)電子的自旋運(yùn)動(dòng)和核的自旋運(yùn)動(dòng)，有類似的現(xiàn)象。第9頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二總之，一個(gè)抗磁質(zhì)分子，在磁場中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與外磁場反方向的感應(yīng)磁矩，這個(gè)感應(yīng)磁矩相應(yīng)的分子感應(yīng)電流的方向如圖所示，這就是它的磁化。因此，在抗磁質(zhì)內(nèi)部的磁場是被削弱的，而且抗磁質(zhì)會(huì)被磁鐵排斥。SNiSN雖然順磁質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁矩,但由于它遠(yuǎn)小于固有磁矩,所以，順磁質(zhì)主要是固有磁矩起作用。說明：第10頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二11.1.3磁化強(qiáng)度和磁化電流一.磁化電流順磁質(zhì)在磁場中，它的分子固有磁矩沿外磁場排列起來。在外磁場作用下磁介質(zhì)出現(xiàn)磁性或磁性發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁化。以順磁質(zhì)為例：順磁質(zhì)對(duì)均勻的磁介質(zhì)：內(nèi)部各點(diǎn)處的小分子電流相互抵消，表面上的小分子電流方向相同沒有抵消，相當(dāng)在表面上有一層表面電流流過。（磁化電流）（或束縛電流）,記作I’。第11頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二對(duì)順磁質(zhì)和鐵磁質(zhì),磁化電流產(chǎn)生的磁場是加強(qiáng)磁介質(zhì)內(nèi)部原磁場的;磁化電流I’的大小反映了磁化的強(qiáng)弱。對(duì)抗磁質(zhì),磁化電流產(chǎn)生的磁場是削弱磁介質(zhì)內(nèi)部原磁場的。二.磁化強(qiáng)度磁化的強(qiáng)弱還可以用磁化強(qiáng)度來描述。定義:磁化強(qiáng)度（V…宏觀小、微觀大。）單位體積內(nèi)分子磁矩的矢量和。第12頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二對(duì)順磁質(zhì):平行于對(duì)抗磁質(zhì):反平行于實(shí)驗(yàn)表明:在各向同性的順磁質(zhì)、抗磁質(zhì)內(nèi),有線性關(guān)系和呈非線性關(guān)系）（對(duì)鐵磁質(zhì)：（記）第13頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二三.磁化電流與磁化強(qiáng)度的關(guān)系設(shè)其內(nèi)部某點(diǎn)處的如圖。、以順磁質(zhì)為例.在該點(diǎn)處，任取一微小矢量元，設(shè)它與的夾角為.等效分子圓電流為I、半徑為r、分子磁矩為。順磁質(zhì)第14頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二設(shè)單位體積內(nèi)的分子數(shù)為n，所以,與dl套住的總分子電流為則與

套住的分子電流的中心，都是位于以為軸、以

r2為底面積的小柱體內(nèi)。順磁質(zhì)第15頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二這就是磁介質(zhì)上任一點(diǎn)處,(磁化電流與磁化強(qiáng)度)之間的基本關(guān)系。在磁介質(zhì)表面和磁介質(zhì)內(nèi)部磁化電流情況如何？第16頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二1.磁介質(zhì)表面若在磁介質(zhì)的表面上，可以看出某些表面會(huì)有磁化面電流

。定義：在垂直磁化面電流方向的單位長度上的磁化面電流,稱為磁化面電流密度第17頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二它與磁化強(qiáng)度的關(guān)系為通常用表示二者的矢量關(guān)系。順磁質(zhì)當(dāng)=900時(shí)，如圖所示在磁介質(zhì)的端面上,

無磁化面電流。當(dāng)=0時(shí)，如圖所示在磁介質(zhì)的側(cè)表面上，有磁化面電流。第18頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二若磁介質(zhì)均勻磁化，通過體內(nèi)任意面積的磁化電流為零，因?yàn)?.磁介質(zhì)內(nèi)部任取一面積S，其周界為L，則通過S面的磁化電流是與周界套連的分子電流的總和。第19頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二當(dāng)有磁介質(zhì)存在的時(shí)候基本規(guī)律:

高斯定律

安培環(huán)路定理11.2的環(huán)路定理一.的環(huán)路定理第20頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二定義:磁場強(qiáng)度求第21頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二有沿任一閉合路徑的磁場強(qiáng)度的環(huán)流，等于該閉合路徑所套連的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和。當(dāng)無磁介質(zhì)時(shí)，上式就過渡到真空時(shí)的環(huán)路定理。對(duì)各向同性的磁介質(zhì)……

的環(huán)路定理第22頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二…磁介質(zhì)的性能方程（點(diǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)）……稱為磁化率若磁場的分布有對(duì)稱性，就可以由的環(huán)路定理、傳導(dǎo)電流求出，然后再得到磁感應(yīng)強(qiáng)度。由也能得到磁化強(qiáng)度：第23頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二例1.證明：各向同性均勻磁介質(zhì)內(nèi)，

無傳導(dǎo)電流處，也無磁化電流?！咀C】磁介質(zhì)中取任一小面元，其周界閉合回路L所套聯(lián)的磁化電流為證畢。L可任取，且可無限縮小，第24頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二例2.一均勻密繞細(xì)螺繞環(huán),n=103匝/米,I=2安,充滿=510-4特·米/安的磁介質(zhì)。求:磁介質(zhì)內(nèi)的及表面磁化電流面密度.取環(huán)路L如圖所示，在L上各點(diǎn)的都沿L的方向，L上的H大小相等?！窘狻看舜沤橘|(zhì)是順磁質(zhì)？抗磁質(zhì)？鐵磁質(zhì)？鐵磁質(zhì)I第25頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二設(shè)總匝數(shù)為N，有（與無限長螺線管內(nèi)的B相同）鐵磁質(zhì)上的磁化面電流密度的方向與傳導(dǎo)電流的方向是一樣的。第26頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二討論：如果設(shè)想把這些磁化面電流也分成每米103匝，相當(dāng)于每匝多大電流？（>>2A）正因?yàn)槿绱?，所以鐵磁質(zhì)的B>>B0，鐵磁質(zhì)作鐵心可以大大加強(qiáng)磁場。第27頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二例3.一個(gè)半徑為R的“無限長”圓柱形鋁導(dǎo)線，相對(duì)磁導(dǎo)率為r(>1)，沿軸線方向均勻地通有電流，電流密度為。試求：（2）（3）表面磁化面電流密度（4）內(nèi)部磁化電流密度的分布和的分布（1）Rr第28頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二【解】由于傳導(dǎo)電流和磁介質(zhì)的分布都有柱對(duì)稱性，所以線、線和線都是垂直于軸的對(duì)稱圓。根據(jù)的環(huán)路定理：導(dǎo)體外（r>R）:（1）求設(shè)它們的方向如圖。通過場點(diǎn)P取回路L，方向相同，Rri0rP第29頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二Rri0rP導(dǎo)體內(nèi)（r<R）:同樣，通過場點(diǎn)P取回路L第30頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二Rri0rP（非均勻場）第31頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二（3）求表面磁化面電流密度的方向：與軸平行、沿表面向下；的大?。篟ri0第32頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二（4）求內(nèi)部磁化電流密度的分布復(fù)習(xí)：磁介質(zhì)內(nèi)任一面積（周界為L）上的磁化電流為（若磁介質(zhì)是均勻磁化的，此題的磁介質(zhì)是非均勻磁化，所以內(nèi)部會(huì)有磁化電流。（即與L有套連分子電流）第33頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二磁化電流密度是均勻分布的。取半徑為r、垂直于軸線的對(duì)稱圓為周界L，Rri0rL第34頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二總的來說，磁化電流對(duì)導(dǎo)線外場點(diǎn)的磁場無貢獻(xiàn)。討論：對(duì)導(dǎo)線內(nèi)場點(diǎn)的磁場有貢獻(xiàn)，而且只是的（實(shí)為L包圍的I’內(nèi)）的貢獻(xiàn)，不是的貢獻(xiàn)。整個(gè)導(dǎo)體表面向下的磁化電流為：兩者相等整個(gè)導(dǎo)體內(nèi)部向上的磁化電流為：第35頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二二.磁場的邊界條件（界面關(guān)系）磁場的高斯定律磁場的環(huán)路定理磁介質(zhì)的性能方程可以得到（看書）依據(jù)：討論磁場中，兩種介質(zhì)交界面處的有什么關(guān)系，兩種介質(zhì)交界面處的有什么關(guān)系。第36頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二若上面是鐵磁質(zhì)（r2>>1）；下面是空氣（

r11），則除了垂直入射（

1=2）的特殊情況外,一般有2900，如下圖所示。第37頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二正是因?yàn)殍F磁質(zhì)內(nèi)部的磁力線遠(yuǎn)遠(yuǎn)密于空氣中的磁力線；鐵磁質(zhì)內(nèi)的磁力線幾乎與表面平行，我們常說:“磁力線沿鐵走”，“鐵磁質(zhì)有把磁力線聚集于其內(nèi)部的性質(zhì)”。鐵磁質(zhì)的“磁屏蔽”作用空腔空氣鐵第38頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二11.3鐵磁質(zhì)一.研究磁化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置目的：得出B～H 的關(guān)系。由環(huán)路定理得一方面，ARI沖擊電流計(jì)鐵磁質(zhì)H與I成正比，有一個(gè)I,就有一個(gè)H。第39頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二將開關(guān)倒向，B-B，即磁通量-，次級(jí)回路中會(huì)產(chǎn)生一定的感應(yīng)電動(dòng)勢（見下一章），沖擊電流計(jì)能測出

，從而可得出相應(yīng)的B:B=

/s.另一方面，再者，有一個(gè)H、B，就有一個(gè)r。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格：第40頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二二.起始磁化曲線對(duì)未被磁化的材料,電流從零開始:

IHB得到起始磁化曲線。BH是非線性關(guān)系。B有飽和現(xiàn)象,但仍有一定的斜率。原因:起始磁化曲線由可以得出H曲線。第41頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二可以看出不是常數(shù)。但是在給定了值的情況下，有，通常形式上仍說成B與

H成正比。三.磁滯回線Br

……剩磁Hc

……矯頑力BH

既不是線性關(guān)系，也不是單值關(guān)系，與它們的歷史有關(guān)。第42頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二“去磁”方法：B~H的變化情況如右圖示。H四.鐵磁質(zhì)的分類和應(yīng)用BH1.硬磁材料“胖”：剩磁大矯頑力也大例如：鐵、鈷、鎳的合金等。用途：可作永久磁鐵（電表、喇叭、錄音機(jī)磁頭、磁芯、記憶元件等）第43頁，共47頁，2023年，2月20日，星期二2.軟磁材料例如：純鐵、硅鋼、坡莫合金（鐵78%，Ni22%）等。軟磁材料“瘦”:剩磁小，矯頑力也小這些鐵芯在交變磁場中反復(fù)磁化要消耗能量，