大学物理：13第十三讲　磁介质

1、1,磁 介 质,2,在磁场中能被磁化的物质叫磁介质。 一切实物在磁场中都会产生一定程度的磁化。 被磁化的物质反过来又会影响原来磁场,介质中总磁场,7-4 磁介质及其磁化,定义介质的相对磁导率,真空,一、磁介质,3,二、磁介质分类,1.顺磁质：弱磁性,与 同向 但,2.抗磁质：弱磁性,3.铁磁质：介质磁化后呈强磁性,与 同向 且,4.完全抗磁体：磁介质内的磁场等于零,如超导体,与 反向 但,4,5,二、顺磁质和抗磁质的磁化,1.分子磁矩（分子固有磁矩,其中轨道运动等效电流,自旋磁矩由量子力学的规律确定,分子磁矩 等于分子中所有电子磁矩 的矢量和,电子绕核运动的轨道磁矩,电子的自旋磁矩,6,两类磁

2、介质的微观机制,顺磁质（有极磁介质）分子的固有磁矩不为零,抗磁质（无极磁介质）分子的固有磁矩为零,当无外磁场时，上述两类磁介质对外都不显示 磁性。（顺磁质分子磁矩随机取向,通常分子或原子中所含电子数目为奇数,分子或原子中所含电子数目为偶数,7,顺磁质的磁化,2.两类磁介质的磁化,顺磁质分子固有磁矩不为零,无外场时,加外场时，分子磁矩受力矩,力矩的作用使 沿外场方向取向，从而使,因而出现一与外场同方向的附加磁场B,8,抗磁质的磁化,分子磁矩为零，磁化由电子磁矩绕外场进动所致,电子磁矩所受磁力矩,由角动量定理,的产生使电子磁矩绕外磁场进动,电子的拉莫进动,电子磁矩与角动量反向，所以当角动量绕外场进

3、动时，电子磁矩必沿反方向绕外磁场进动,9,电子磁矩绕磁场进动时产生的附加磁矩 总是与外场 反向，说明附加磁矩总是减弱外磁场,抗磁质的磁化续,结论：抗磁质分子固有磁矩,但由于在外场中出现一与外场反向的附加磁矩,所以,附加磁场 由附加磁矩 产生，两者同向.,抗磁性,注：顺磁质在外场中也产生 ，但,10,在外场中进动产生,顺磁质,抗磁质,磁介质（弱磁质）磁化过程总结,固有磁矩,固有磁矩,在外场中,所以在顺磁质中主要是分子固有磁矩的取向磁化,取向与 相同,取向与 相反,11,三、磁化强度矢量,顺磁质,定义：在磁介质某点单位体积内的分子磁矩矢量和称为该点的磁化强度矢量,抗磁质,物理意义描述物质磁化的程度

4、和状态。磁化程度越高，M 的值就越大,真空中,与 同向,与 反向,12,对于各向同性的均匀介质，其内部各分子电流相互抵消，而在介质表面，各分子电流相互叠加，在磁化圆柱表面出现一宏观电流层，好象一个载流螺线管，称为磁化面电流,磁化电流,对于各向异性磁介质,其内部还有磁化电流,介质磁化 磁化电流I 磁化磁场B,13,磁化强度矢量M与磁化电流I的关系,磁化强度矢量沿任意闭合回路L的线积分等于穿过该回路面积的总磁化电流，即,M与面磁化电流密度的关系,因,所以数值,但两者方向不同,14,磁化电流与传导电流比较,传导电流 载流子的定向流动，是电荷宏观迁移的结果。 磁化电流 分子电流规则排列的宏观反映，与电

5、荷的定向运动无关。 磁化电流不能传导，其中电子都被限制在分子范围内运动而无宏观迁移（故称为束缚电流）。 传导电流要产生焦耳热，而磁化电流没有热效应 。 相同之处：都可以产生磁场，且遵从电流产生磁场的基本规律（如毕-萨定律,15,有介质时的总磁场,由安培环路定理有,传导电流I产生； 磁化电流I产生,16,一、磁介质中的安培环路定理,7-5 磁介质中的高斯定理和安培环路定理,定义磁场强度矢量,则由,磁场强度 H沿任一闭合回路的环路积分，等于穿过回路所围面积的传导电流的代数和，而与磁介质中的磁化电流无关,磁介质中的安培环路定理,17,磁导率。真空中： 弱磁质中,实验指出：在各向同性线性磁介质中,比例

6、系数m称为“磁化率,令磁介质的相对磁导率,则,18,例：无限长载流直导线的磁场强度,长直载流螺线管内部,因B ，所以在各向同性线性磁介质中，H 与介质的磁性无关,所以，利用磁介质中的安培环路定理来计算磁场强度，便可以不考虑介质磁性的作用,19,曲线具有可逆性,非磁性材料（弱磁质）的磁化曲线,为一常数， 曲线为一直线,其斜率,20,二、磁介质中的高斯定理,说明,对任何磁性物质均成立,安培环路定理是磁场的基本方程，普遍适用,对各向异性介质，如铁磁质中，B与H之间不再是线性关系，此时 不为常量,仅适用于各向同性磁介质,意义：无论由何产生，磁场均为涡旋场,例：求如图所示的无限长载流圆柱体内外的磁感应强

7、度。设其半径为R，磁导率为1，电流I沿截面均匀分布，周围介质的磁导率为2,21,解：根据电流的轴对称性知内外磁场分布具有轴对称性。作半径为r的安培环路,内部,方向：沿L的切向且与I成右旋关系,22,方向：沿L的切向且与I成右旋关系,柱外,23,铁磁质,铁磁质是指 的磁性物质，又称为磁性材料,在外磁场的作用下能产生很强的磁化场,存在剩磁，撤去外场后，仍能保持磁化状态,存在临界温度Tc（称为居里温度或居里点）。温度在Tc以上时，铁磁性完全消失而成为顺磁质。不同的铁磁质有不同的居里温度Tc,相对磁导率和磁化率不是常数，而是随外磁场的变化而变化； 具有磁滞现象， 之间为非线性关系,铁磁质的特性,24,

8、主要装置：螺绕环；绕于铁磁质如Fe、Co、Ni 及稀钍族元素的化合物等能被强烈磁化的物质上,实验测量B，如用感应电动势测量或用小线圈在缝口处测量，得出 关系,由 得出 曲线,原理：通励磁电流 I；用安培定理得,一、铁磁性材料的磁化规律,磁化曲线的测量方法,25,前面已指出：只有在各向同性线性磁介质中才有关系,进而得到,说明,铁磁质属于各向异性磁介质，M与H之间不成正比，甚至不是单值函数。 当M与H是非线性单值函数时，仍可以利用上面的关系，但此时两者之比（或者B与H之比）不再是常量。 这里对铁磁质的分析就是基于两者是单值函数的情况,26,1.磁化曲线,铁磁质的r（也即）不是常量，它随H的值而变。

9、 因此，B与H之间也不是简单的正比关系,oa：起始段，B随H增大；ab：直线段，B随H而激增；S：饱和点，之后B不再随H增加,27,2.磁滞回线,磁滞的作用使得当磁场强度减小到零时，磁感强度仍不为零。对应于H=0时的磁感应强度值Br，称为剩余磁感强度 （简称剩磁,到达饱和点 S 后，当外磁场由 HS 逐渐减小时，磁感强度 B并不沿起始曲线 oS返回 ，而是沿曲线 Sr减小。这种B的变化落后于H的变化的现象，叫做磁滞现象，简称磁滞,使B=0所需加的反向磁场值Hc称为矫顽力,28,3.铁磁性材料分类,软磁材料,硬磁材料,矩磁材料,不同铁磁性物质的磁滞回线形状有很大差别,矫顽力小。适于制造电机、变压

10、器等,矫顽力大。适用于制造永久磁铁、磁电式仪表等,剩磁接近饱和值。适用于计算机等的记忆“存储”元件,29,二、温度对铁磁质的影响,存在居里点使铁磁质变为顺磁质的温度,主要来源于电子的自旋磁矩,三、铁磁质磁化的机制,磁畴结构：在铁磁质内，由很强的原子间电子交换耦合作用，促使其自旋磁矩平行排列，形成自发的磁化区域 磁畴。 无外场时磁畴随机取向，无磁性,30,在外磁场作用下，自发磁化磁矩与外磁场成小角度的磁畴体积逐渐扩大，而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度的磁畴不断被前者吞并。外磁场继续增强时，与外磁场成较大角度的磁畴全部消失；留存的磁畴将向外磁场方向旋转。再继续增加磁场时，全部磁畴都沿外磁场方向整齐排列，磁化达到饱和,四、磁致伸缩 在交变磁场的作用下，某些铁磁体的形状