大學(xué)物理學(xué)電子教案磁介質(zhì)

大學(xué)物理學(xué)電子教案武警學(xué)院教學(xué)課件磁介質(zhì)12-1磁介質(zhì)、磁化強(qiáng)度12-2磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理磁場(chǎng)強(qiáng)度12-3鐵磁質(zhì)第一頁，共24頁。討論磁場(chǎng)和磁介質(zhì)的相互作用：磁介質(zhì)的三種類型：順磁質(zhì)、抗磁質(zhì)、鐵磁質(zhì)磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁化強(qiáng)度及其規(guī)律鐵磁質(zhì)的特性第十二章磁場(chǎng)中的磁介質(zhì)運(yùn)動(dòng)電荷磁鐵電流電流運(yùn)動(dòng)電荷磁鐵磁場(chǎng)第二頁，共24頁。12-1磁介質(zhì)、磁化強(qiáng)度一、磁介質(zhì)1、什么是磁介質(zhì)能夠磁化的物質(zhì)稱作磁介質(zhì)。2、磁介質(zhì)的磁化磁介質(zhì)在磁場(chǎng)的作用所發(fā)生的變化——磁介質(zhì)的磁化真空中的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0，磁介質(zhì)磁化而產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)為B'，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，則B'的方向，隨磁介質(zhì)的不同而不同。第三頁，共24頁。3、磁介質(zhì)的分類標(biāo)準(zhǔn)——B'與B0方向順磁質(zhì)B'與B0同向，B>B0，如氧、鋁、鎢、鉑、鉻等抗磁質(zhì)B'與B0反向，B<B0，如氮、水、銅、銀、金、鉍等。超導(dǎo)體——理想的抗磁體。鐵磁質(zhì)B'與B0同向，B>B0，B>>B0，如鐵、鈷、鎳等。順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)又稱為弱磁質(zhì)。第四頁，共24頁。在物質(zhì)的分子中電子繞原子核作軌道運(yùn)動(dòng)——軌道磁矩；電子有自旋——自旋磁矩。分子內(nèi)所有電子的全部磁矩的矢量和，稱為分子的固有磁矩——分子磁矩。分子磁矩可以用一個(gè)等效的圓電流來表示。二、磁介質(zhì)的磁化1、分子電流和分子磁矩第五頁，共24頁。2、順磁質(zhì)磁化機(jī)理——來自分子的固有磁矩?zé)o外磁場(chǎng)：分子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)分子磁矩取向混亂物質(zhì)并不顯磁性——未磁化狀態(tài)加外磁場(chǎng)：分子固有磁矩受外磁場(chǎng)的作用分子磁矩沿外磁場(chǎng)方向排列產(chǎn)生附加的磁場(chǎng)第六頁，共24頁。3、抗磁質(zhì)磁化機(jī)理——電子軌道在外磁場(chǎng)作用下發(fā)生變化無外磁場(chǎng)：分子中每個(gè)的軌道磁矩和自旋磁矩的矢量和不為零，但分子的固有磁矩等于零，所以不顯磁性。加外磁場(chǎng)：分子中電子的軌道運(yùn)動(dòng)將受到影響——引起與外磁場(chǎng)的方向相反的附加的軌道磁矩——出現(xiàn)與外磁場(chǎng)方向相反的附加磁場(chǎng)——磁感應(yīng)強(qiáng)度比外磁場(chǎng)的度要略小一點(diǎn)。

第七頁，共24頁。三、磁化強(qiáng)度1、引入：用單位體積內(nèi)的分子磁矩的矢量和來描述磁介質(zhì)磁化的程度。2、定義：磁介質(zhì)中單位體積內(nèi)的合磁矩的矢量和，稱為磁化強(qiáng)度。3、單位：安培/米(A/m)4、說明：磁化強(qiáng)度是描述磁介質(zhì)的宏觀量與介質(zhì)特性、溫度與統(tǒng)計(jì)規(guī)律有關(guān)順磁質(zhì)M與B0同向，所以B'與B0同方向抗磁質(zhì)

反向，所以反方向第八頁，共24頁。12-2磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理磁場(chǎng)強(qiáng)度一、磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定律1、問題：長直螺線管管中充滿磁化強(qiáng)度為M的各向同性的均勻磁介質(zhì)線圈中的電流為I計(jì)算螺線管內(nèi)磁介質(zhì)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。取閉合回路ABCDA分布電流傳導(dǎo)電流第九頁，共24頁。2、分布電流（磁化電流）r圓電流①——沒有貢獻(xiàn)，在閉合路徑之外圓電流②——有貢獻(xiàn)圓電流③——無貢獻(xiàn)，流出流入代數(shù)和為0只有分子圓電流中心距直線AB的距離小于r的分子圓電流才對(duì)IS有貢獻(xiàn)。第十頁，共24頁。3、磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定律磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理：磁場(chǎng)強(qiáng)度沿任何閉合回路的線積分，等于通過該回路所包圍的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和。磁場(chǎng)強(qiáng)度4、說明磁場(chǎng)強(qiáng)度是一個(gè)輔助物理量。單位：A·m-1

的環(huán)流只與穿過閉合回路的傳導(dǎo)電流有關(guān)，而與磁化電流無關(guān)。第十一頁，共24頁。電介質(zhì)中的高斯定理磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理第十二頁，共24頁。二、磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系1、定義式2、磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系實(shí)驗(yàn)規(guī)律磁化率相對(duì)磁導(dǎo)率絕對(duì)磁導(dǎo)率順磁質(zhì)：кm>0，μr>1，M與B同向抗磁質(zhì)：кm<0，μr<1，M與B反向第十三頁，共24頁。3、引進(jìn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的物理意義在磁介質(zhì)中，磁場(chǎng)強(qiáng)度的環(huán)流為在磁介質(zhì)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的環(huán)流為畢一薩定律第十四頁，共24頁。三、安培環(huán)路定律的應(yīng)用計(jì)算有磁介質(zhì)存在時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B求出磁場(chǎng)強(qiáng)度H后由B=μH求磁感應(yīng)強(qiáng)度B

。例1、長直螺旋管內(nèi)充滿均勻磁介質(zhì)(μr)，設(shè)勵(lì)磁電流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(chǎng)為零，取如圖所示安培回路第十五頁，共24頁。例2、長直單芯電纜的芯是一根半徑為R的金屬導(dǎo)體，它與外壁之間充滿均勻磁介質(zhì)，電流從芯流過再沿外壁流回。求介質(zhì)中磁場(chǎng)分布。方向沿圓的切線方向解：取如圖所示安培回路第十六頁，共24頁。12-3鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)的特性：1．在外磁場(chǎng)作用下能產(chǎn)生很強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；2．當(dāng)外磁場(chǎng)停止作用時(shí)，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。在此溫度之上，鐵磁性完全消失而成為順磁質(zhì)——居里溫度或居里點(diǎn)。鐵——10430C鎳——6300C鈷——13900C鐵磁質(zhì)的起因可以用“磁疇”理論來解釋。第十七頁，共24頁。一、磁疇概念：鐵磁質(zhì)內(nèi)的電子之間因自旋引起的相互作用非常強(qiáng)烈，在鐵磁質(zhì)內(nèi)部形成了一些微小區(qū)域，叫做磁疇。每一個(gè)磁疇中，各個(gè)電子的自旋磁矩排列得很整齊。磁疇大小約為1017－1021個(gè)原子/10-18米3。磁疇的顯示：磁疇的變化可用金相顯微鏡觀測(cè)在無外磁場(chǎng)的作用下磁疇取向平均抵消，能量最低，不顯磁性。第十八頁，共24頁。二、磁化曲線裝置：環(huán)形螺繞環(huán)實(shí)驗(yàn)測(cè)量B。原理:勵(lì)磁電流I；用安培定理得H磁化曲線：鐵磁質(zhì)m

很大，且隨外磁場(chǎng)而變化，B與H之間為非線性關(guān)系。oHBABCS第十九頁，共24頁。初始磁化曲線：O→M，H增加，B增加M→N，H變大，B急劇增大，N→P，H增加，B增加，增加十分緩慢P，H增加，B到飽和狀態(tài)當(dāng)全部磁疇都沿外磁場(chǎng)方向時(shí)，鐵磁質(zhì)的磁化就達(dá)到飽和狀態(tài)。飽和磁化強(qiáng)度MS等于每個(gè)磁疇中原來的磁化強(qiáng)度，該值很大，這就是鐵磁質(zhì)磁性

r大的原因。磁化曲線的重要根據(jù)B~H之間的關(guān)系，若已知一個(gè)量可求出另一個(gè)量。在設(shè)計(jì)電磁鐵，變壓器以及一些電氣設(shè)備時(shí)，磁化曲線是很重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。HBOMNB~HP第二十頁，共24頁。B的變化落后于H的變化的現(xiàn)象，叫做磁滯現(xiàn)象，簡稱磁滯剩磁Br：當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度減小到零時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度并不等于零，而是仍有一定的數(shù)值Br

，Br叫做剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，簡稱剩磁。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BS：所有磁疇都與外場(chǎng)方向一致。相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。矯頑力HC：當(dāng)H=-Hc時(shí)，鐵磁質(zhì)的剩磁就消失了，鐵磁質(zhì)不顯磁性。通常把Hc叫做矯頑力。三、磁滯回線鐵磁質(zhì)在交變電流的勵(lì)磁下反復(fù)磁化使其溫度升高的，要損失能量，稱為磁滯損耗，磁滯損耗與磁滯回線所包圍的面積成正比。磁滯現(xiàn)象是由于摻雜和內(nèi)應(yīng)力等的作用，當(dāng)撤掉外磁場(chǎng)時(shí)磁疇的疇壁很難恢復(fù)到原來的形狀，而表現(xiàn)出來。第二十一頁，共24頁。四、鐵磁性材料軟磁材料：

特點(diǎn)：相對(duì)磁導(dǎo)率和飽和B一般都較大，但矯頑力小，磁滯回線的面積窄而長，損耗小。易磁化、易退磁。例子：如純鐵，硅鋼坡莫合金，鐵氧體等。應(yīng)用：適宜制造電磁鐵、變壓器、交流發(fā)電機(jī)、繼電器、電機(jī)、以及各種高頻電磁元件的磁芯、磁棒等。1、金屬磁性材料BHo第二十二頁，共24頁。硬磁材料：特點(diǎn)：剩磁和矯頑力比較大，磁滯回線所圍的面積大，磁滯損耗大，磁滯特性非常顯著例子：鎢鋼，碳鋼，鋁鎳鈷合金等。應(yīng)用：適合作永久磁鐵，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。鐵氧體，又叫鐵淦氧，是由三氧化二鐵和其它二價(jià)的金屬氧化物的粉末混合燒結(jié)而成，常稱為磁性瓷。如錳鎂鐵氧體、鋰錳鐵氧體等2、非金屬磁性材料——矩磁材料：特點(diǎn)：Br=BS

，Hc不大，磁滯回線是矩形。用途：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)。BHoBHo第二十三頁，共24頁。小結(jié)磁介質(zhì)、磁化強(qiáng)度磁介質(zhì)磁介質(zhì)的磁化