大學(xué)物理學(xué)（少課時(shí)）第2版 課件 9.6-9.7 電流的磁場(chǎng)

第九章電流的磁場(chǎng)

§9-1基本磁現(xiàn)象

§9-2磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度

§9-3畢奧-薩伐爾定律

§9-4穩(wěn)恒磁場(chǎng)的高斯定理與安培環(huán)路定理

§9-5磁場(chǎng)對(duì)載流導(dǎo)線和載流線圈的作用

§9-6磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響

§9-7鐵磁質(zhì)

一、磁介質(zhì)及其分類二、磁化的微觀機(jī)制§9-6磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響三、磁化強(qiáng)度矢量四、磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率五、磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理§9-6磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響一、磁介質(zhì)及其分類磁化：磁介質(zhì)在磁場(chǎng)作用下內(nèi)部狀態(tài)的變化稱為磁化。磁介質(zhì)：在磁場(chǎng)作用下，其內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生變化，并反過(guò)來(lái)影響磁場(chǎng)分布的物質(zhì)?？偞鸥袕?qiáng)度附加磁感強(qiáng)度外加磁感強(qiáng)度

磁化后介質(zhì)內(nèi)部的磁場(chǎng)與附加磁場(chǎng)和外磁場(chǎng)的關(guān)系：抗磁質(zhì)(銅、鉍、硫、氫、銀等)鐵磁質(zhì)(鐵、鈷、鎳等)磁介質(zhì)的分類抗磁質(zhì)和大多數(shù)的順磁質(zhì)的一個(gè)共同特點(diǎn)：它們所激發(fā)的附加磁場(chǎng)極其微弱順磁質(zhì)(錳、鉻、鉑、氧、氮等)二、磁化的微觀機(jī)制

分子電流：把分子或原子看作一個(gè)整體，分子或原子中各個(gè)電子對(duì)外界所產(chǎn)生磁效應(yīng)的總和，可用一個(gè)等效的圓電流表示，統(tǒng)稱為分子電流。

分子磁矩：把分子所具有的磁矩統(tǒng)稱為分子磁矩，用符號(hào)表示。

電子的進(jìn)動(dòng)：在外磁場(chǎng)的作用下，分子或原子中和每個(gè)電子相聯(lián)系的磁矩都受到磁力矩的作用，由于分子或原子中的電子以一定的角動(dòng)量作高速轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)，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，還要附加電子磁矩以外磁場(chǎng)方向?yàn)檩S線的轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為電子的進(jìn)動(dòng)。陀螺的進(jìn)動(dòng)進(jìn)動(dòng)進(jìn)動(dòng)進(jìn)動(dòng)

可以證明：不論電子原來(lái)的磁矩與磁場(chǎng)方向之間的夾角是何值，在外磁場(chǎng)中，電子角動(dòng)量進(jìn)動(dòng)的轉(zhuǎn)向總是和磁力矩的方向構(gòu)成右手螺旋關(guān)系。這種等效圓電流的磁矩的方向永遠(yuǎn)與的方向相反。

附加磁矩：因進(jìn)動(dòng)而產(chǎn)生的等效磁矩稱為附加磁矩，用符號(hào)表示。順磁質(zhì)的磁化

對(duì)順磁質(zhì)而言，由于熱運(yùn)動(dòng)，各分子磁矩雜亂無(wú)章，總體磁矩矢量和為零。在外磁場(chǎng)作用下，這些分子磁矩將趨與外磁場(chǎng)方向一致的狀態(tài)。熱運(yùn)動(dòng)破壞這種有序性的形成。在較強(qiáng)磁場(chǎng)和較低溫度下，分子磁矩排列越整齊，這時(shí),在順磁體內(nèi)任意取一體積元，其中各分子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(chǎng)同向的附加磁場(chǎng)B′

，順磁質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小增強(qiáng)為B=B0+B′，這就是順磁質(zhì)的磁化效應(yīng)。

在外磁場(chǎng)作用下，抗磁材料中電子軌道磁矩受其作用整體產(chǎn)生一附加磁矩，在外磁場(chǎng)的作用下，磁體內(nèi)任意體積元中大量分子或原子的附加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(chǎng)方向相反的附加磁場(chǎng)B′。于是抗磁質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小減為B=B0-B′，這就是抗磁質(zhì)的磁化效應(yīng)?？勾判云鹪从谕獯艌?chǎng)對(duì)電子軌道運(yùn)動(dòng)作用的結(jié)果，在任何原子或分子的結(jié)構(gòu)中都會(huì)產(chǎn)生。它是一切磁介質(zhì)共有的性質(zhì)?？勾刨|(zhì)的磁化三、磁化強(qiáng)度矢量

反映磁介質(zhì)磁化程度(大小與方向)的物理量。均勻磁化非均勻磁化

磁化強(qiáng)度：?jiǎn)挝惑w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，用表示。

磁化強(qiáng)度的單位：

注意：對(duì)順磁質(zhì)，可以忽略；對(duì)抗磁質(zhì),，對(duì)于真空，。外磁場(chǎng)為零，磁化強(qiáng)度為零。外磁場(chǎng)不為零:順磁質(zhì)抗磁質(zhì)四、磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率

為反映各種磁介質(zhì)對(duì)外磁場(chǎng)影響的程度，常用磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率來(lái)描述

設(shè)螺線管中的電流為I，單位長(zhǎng)度的匝數(shù)為n，則電流在螺線管內(nèi)產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度的大小為在長(zhǎng)直螺線管內(nèi)充滿某種均勻的各向同性磁介質(zhì)，則由于磁介質(zhì)的磁化而產(chǎn)生附加磁感強(qiáng)度B′，使螺線管內(nèi)的磁介質(zhì)中的磁感強(qiáng)度變?yōu)锽，B和大小的比為比值是決定磁介質(zhì)磁性的純數(shù)，叫做該磁介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率。它的大小表征了磁介質(zhì)對(duì)外磁場(chǎng)影響的程度。

磁導(dǎo)率相對(duì)磁導(dǎo)率順磁質(zhì)＞1＜1

抗磁質(zhì)五、磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理無(wú)磁介質(zhì)時(shí)安培環(huán)路定理有磁介質(zhì)時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度定義磁場(chǎng)強(qiáng)度：有磁介質(zhì)時(shí)的安培環(huán)路定理

表明：磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量的環(huán)流和傳導(dǎo)電流I有關(guān)，而在形式上與磁介質(zhì)的磁性無(wú)關(guān)。其單位在國(guó)際單位制中是A/m。

磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理：磁場(chǎng)強(qiáng)度沿任意閉合路徑的線積分等于穿過(guò)該路徑的所有傳導(dǎo)電流的代數(shù)和，而與磁化電流無(wú)關(guān)。解：（1）對(duì)稱性分析。磁介質(zhì)環(huán)上密繞線圈構(gòu)成充滿磁介質(zhì)的螺繞環(huán)，環(huán)內(nèi)磁場(chǎng)具有對(duì)稱性分布

（2）積分路徑的選取。由磁場(chǎng)分布的對(duì)稱性，可選取以環(huán)心為圓心、以R為半徑的圓周作為閉合積分路徑；【例題9-6】在磁導(dǎo)率為的磁介質(zhì)環(huán)上緊密地繞有表面絕緣的導(dǎo)線圈，單位長(zhǎng)度上的匝數(shù)為，通有電流。求磁介質(zhì)環(huán)內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小H和磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。

（3）閉合回路中電流的計(jì)算。閉合積分路徑中包圍的傳導(dǎo)電流總量為（4）由介質(zhì)中的安培環(huán)路定理計(jì)算可得又根據(jù)公式可得一、鐵磁性材料的應(yīng)用二、鐵磁質(zhì)的性質(zhì)三、鐵磁性材料的分類§9-7鐵磁質(zhì)§9-7鐵磁質(zhì)一、鐵磁性材料的應(yīng)用在各類磁介質(zhì)中應(yīng)用最廣泛的是鐵磁性物質(zhì)。在20世紀(jì)初期，鐵磁性材料主要用在電機(jī)制造業(yè)和通訊器件中，而自50年代以來(lái)，隨著電子計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)的發(fā)展，應(yīng)用鐵磁性材料進(jìn)行信息的存儲(chǔ)和記錄，已經(jīng)發(fā)展成為引人注目的系列新技術(shù)，預(yù)計(jì)新的更為廣泛的應(yīng)用還將不斷得到發(fā)展。因此，對(duì)鐵磁材料磁化性能的研究，無(wú)論在理論上還是實(shí)用上都具有十分重要的意義。二、鐵磁質(zhì)的特性1.鐵磁質(zhì)能產(chǎn)生特別強(qiáng)的附加磁場(chǎng)B′。從而使鐵磁質(zhì)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外加磁場(chǎng)B0。2.鐵磁質(zhì)的磁導(dǎo)率不是常量。OHACBS

使勵(lì)磁電流從零開(kāi)始，此時(shí)B=H=0，然后逐漸增大電流，以增大H

。測(cè)得B與H的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖所示：

根據(jù)，可以求出不同H值對(duì)應(yīng)的

r值，由此可見(jiàn)鐵磁質(zhì)B~H顯著的非線性特點(diǎn)。

當(dāng)鐵磁質(zhì)達(dá)到飽和狀態(tài)后，緩慢地減小H，鐵磁質(zhì)中的B并不按原來(lái)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。

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

當(dāng)反向磁場(chǎng)繼續(xù)增加，鐵磁質(zhì)的磁化達(dá)到反向飽和。反向磁場(chǎng)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(chǎng)，磁化曲線為一閉合曲線——磁滯回線。3．鐵磁質(zhì)的磁化過(guò)程并不是可逆的。4．鐵磁質(zhì)的磁化和溫度有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，鐵磁質(zhì)的磁化能力逐漸減小，當(dāng)溫度升高到某一溫度時(shí)，鐵磁性就完全消失。這個(gè)溫度叫做居里溫度或居里點(diǎn)。由實(shí)驗(yàn)可以測(cè)定鐵的居里溫度是770℃(1043K)。BHO

矯頑力很小(Hc<102A·m-1)，磁滯回線窄，所圍的面積小，磁滯損耗小，易磁化，也易退磁。

適用于交變磁場(chǎng)中，常用作變壓器、繼電器、電動(dòng)機(jī)、電磁鐵和發(fā)電機(jī)的鐵芯。軟磁材料三、鐵磁性材料的分類

根據(jù)材料磁滯回線的不同，可將材料分為軟磁材料和硬磁材料。

當(dāng)鐵磁材料在交變磁場(chǎng)的作用下反復(fù)磁化時(shí)，由于磁體內(nèi)分子狀態(tài)的不斷改變，分子振動(dòng)加劇導(dǎo)致磁體發(fā)熱，溫度升高，損耗了磁化電流的能量。這種在反復(fù)磁化過(guò)程中能量的損失叫磁滯損耗。磁滯回線所圍的面積越大，磁滯損耗也越大。軟磁材料磁滯損耗較小。BHO

矯頑力大，剩磁大、磁滯回線寬，所圍的面積大，磁滯損耗大。硬磁材料

軟磁材料有金屬的，也有非金屬鐵氧體材料。后者在信息技術(shù)和電子技術(shù)中有重要、廣泛的用途。

矩磁材料的磁滯回線接近于矩形，特點(diǎn)是剩磁Br接近飽和值BS。

當(dāng)矩磁材料在不同方向的外磁場(chǎng)磁化后，總是處于和兩種剩磁狀態(tài)，可作電子計(jì)算機(jī)的“記憶”元件。磁屏蔽

用軟磁材料（如坡莫合金）做成的閉合空腔，由于空腔的磁導(dǎo)率比外界大得多，絕大部分磁感線從空腔壁內(nèi)通過(guò)，而不會(huì)有外磁場(chǎng)進(jìn)入腔內(nèi)，達(dá)到磁屏蔽的目的。

硬磁材料如碳鋼、鎢鋼、鋁鎳鈷合金等材料。磁化后能保持很強(qiáng)的磁性，適用于制成各種類型的永久磁鐵。小結(jié)一、磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響：1、磁介質(zhì)的分類及磁化機(jī)制2、磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理二、鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)的特性1.某種磁介質(zhì)在外磁場(chǎng)中被磁化后,其磁化強(qiáng)度方向總與外磁場(chǎng)方向相反,則該磁介質(zhì)必是[]順磁質(zhì)抗磁質(zhì)鐵磁質(zhì)以上三者都可以ABCD提交單選題1分選擇題：

某種磁介質(zhì)在外磁場(chǎng)中被磁化后,其磁化強(qiáng)度方向總與外磁場(chǎng)方向相反,則該磁介質(zhì)必是[]

(A)順磁質(zhì)(B)抗磁質(zhì)(C)鐵磁質(zhì)(D)以上三者都可以選擇題：

某種磁介質(zhì)在外磁場(chǎng)中被磁化后,其磁化強(qiáng)度方向總與外磁場(chǎng)方向相反,則該磁介質(zhì)必是[]

(A)順磁質(zhì)(B)抗磁質(zhì)(C)鐵磁質(zhì)(D)以上三者都可以

2.磁介質(zhì)有三種,用相對(duì)磁導(dǎo)率表征它們的特性時(shí)[]順磁質(zhì)μr＞0,抗磁質(zhì)μr＜0,鐵磁質(zhì)μr<<1順磁質(zhì)μr＞1,抗磁質(zhì)μr＜1,鐵磁質(zhì)μr>>1順磁質(zhì)μr＞1,抗磁質(zhì)μr＜1,鐵磁質(zhì)μr<<1順磁質(zhì)μr＞0,抗磁質(zhì)μr＜0,鐵磁質(zhì)μr＞1ABCD提交單選題1分選擇題：

磁介質(zhì)有三種,用相對(duì)磁導(dǎo)率表征它們的特性時(shí)[]

(A)順磁質(zhì)εr＞0,抗磁質(zhì)εr＜0,鐵磁質(zhì)εr<<1(B)順磁質(zhì)εr＞1,抗磁質(zhì)εr＜1,鐵磁質(zhì)εr>>1(C)順磁質(zhì)εr＞1,抗磁質(zhì)εr＜1,鐵磁質(zhì)εr<<1(D)順磁質(zhì)εr＞0,抗磁質(zhì)εr＜0,鐵磁質(zhì)εr＞1選擇題：

磁介質(zhì)有三種,用相對(duì)磁導(dǎo)率表征它們的特性時(shí)[]

(A)順磁質(zhì)εr＞0,抗磁質(zhì)εr＜0,鐵磁質(zhì)εr<<1

(B)順磁質(zhì)εr＞1,抗磁質(zhì)εr＜1,鐵磁質(zhì)εr>>1(C)順磁質(zhì)εr＞1,抗磁質(zhì)εr＜1,鐵磁質(zhì)εr<<1(D)順磁質(zhì)εr＞0,抗磁質(zhì)εr