第5章物质的磁性（PPT 精品）

1、第第15章章 物质的磁性物质的磁性 (the magnet of material) 1 1、了解、了解顺磁质、抗磁质和铁磁质顺磁质、抗磁质和铁磁质磁化过程的宏观特征和规磁化过程的宏观特征和规 律。律。 2 2、了解原子的磁矩及磁介质的磁化过程。、了解原子的磁矩及磁介质的磁化过程。 3 3、掌握磁介质中的、掌握磁介质中的安培环路定理安培环路定理及磁介质中的及磁介质中的磁场的计算磁场的计算。 4 4、了解、了解铁磁质铁磁质的磁化现象，了解磁畴、剩磁、磁滞回线、的磁化现象，了解磁畴、剩磁、磁滞回线、 居里温度点等概念。居里温度点等概念。 15.1 物质对磁场的影响物质对磁场的影响 15.3 物质的

2、磁化物质的磁化 15.2 原子的磁矩原子的磁矩 15.4 h矢量及其环路定理矢量及其环路定理 15.5 铁磁质铁磁质 15.1 15.1 磁介质对磁场的影响磁介质对磁场的影响 磁磁 化：化：磁场对磁场中的物质的作用称为磁化。磁场对磁场中的物质的作用称为磁化。 磁介质：磁介质：在磁场中影响原磁场的物质称为磁介质。在磁场中影响原磁场的物质称为磁介质。 bbb 0 总磁感强 度 附加磁 感强度 外加磁 感强度 磁化后介质内部的磁化后介质内部的 磁场与附加磁场和外磁磁场与附加磁场和外磁 场的关系：场的关系： bbb 0 抗磁质抗磁质( (铜、铋、硫、氢、银等铜、铋、硫、氢、银等) ) 0 bb 铁磁质

3、铁磁质( (铁、钴、镍等铁、钴、镍等) ) 0 bb 顺磁质顺磁质( (锰、铬、铂、氧、氮等锰、铬、铂、氧、氮等) ) 0 bb 0 b b r 在介质均匀充满磁场的情况下定义在介质均匀充满磁场的情况下定义 相对磁导率 r 顺磁质1 抗磁质1 铁磁质1 磁介质的分类磁介质的分类 15.2 15.2 原子的磁矩原子的磁矩 电子轨道运动的闭合电流为：电子轨道运动的闭合电流为： t e i “- -”表示电流方向与电子运动方向相反表示电流方向与电子运动方向相反 面积：面积： 2 11 22 dsr rdrdt 一、经典表示式一、经典表示式 一个周期扫过的面积：一个周期扫过的面积： 22 000 11

4、1 2222 ttt l sdsrdtmrdtldtt mmm 2 e e misl m 因此因此 二、量子表示式二、量子表示式 2 b e e mnnm m 2 b e e m m 玻尔磁子玻尔磁子 分子电流：分子电流：把分子或原子看作一个整体，分子或原子把分子或原子看作一个整体，分子或原子 中各个电子对外界所产生磁效应的总和，可用一个等效的中各个电子对外界所产生磁效应的总和，可用一个等效的 圆电流表示，统称为圆电流表示，统称为分子电流分子电流。 分子磁矩：分子磁矩：把分子所具有的磁矩统称为把分子所具有的磁矩统称为分子磁矩分子磁矩，用，用 符号符号 表示。表示。m 三、分子电流和分子磁矩三、

5、分子电流和分子磁矩 电子的进动：电子的进动：在外磁场在外磁场 的作用下，分子或原子中和的作用下，分子或原子中和 每个电子相联系的每个电子相联系的磁矩磁矩都受到磁力矩的作用，由于分子或都受到磁力矩的作用，由于分子或 原子中的电子以一定的原子中的电子以一定的角动量角动量作高速转动，这时，每个电作高速转动，这时，每个电 子除了保持环绕原子核的运动和电子本身的自旋以外，还子除了保持环绕原子核的运动和电子本身的自旋以外，还 要附加电子磁矩以外磁场方向为轴线的转动，称为电子的要附加电子磁矩以外磁场方向为轴线的转动，称为电子的 进动进动。 0 b m 0 b m e l 进动 m 0 b m e 进动 l

6、进动外磁场中电子的进动.swf 附加磁矩：附加磁矩：因进动而产生的等效磁矩称为因进动而产生的等效磁矩称为附加磁矩附加磁矩，用符，用符 号号 表示。表示。m 可以证明可以证明：不论电子原来的磁矩与磁场方向之间的夹角是：不论电子原来的磁矩与磁场方向之间的夹角是 何值，在外磁场何值，在外磁场 中，电子角动量中，电子角动量 进动的转向总是和外磁进动的转向总是和外磁 场场 的方向构成右手螺旋关系。这种等效圆电流的磁矩的方的方向构成右手螺旋关系。这种等效圆电流的磁矩的方 向永远与向永远与 的方向相反。的方向相反。 0 b l 0 b 0 b 原子磁矩.swf m 0 b m e l 进动 m 0 b m

7、e 进动 l 进动 15.3 15.3 磁介质的磁化磁介质的磁化 在顺磁体内任意取一体积元在顺磁体内任意取一体积元 ，其中各，其中各分子磁矩分子磁矩的矢的矢 量和量和 将有一定的量值，因而在宏观上呈现出一个将有一定的量值，因而在宏观上呈现出一个与外与外 磁场同向的附加磁场磁场同向的附加磁场，这就是顺磁性的起源。，这就是顺磁性的起源。 m v 一、顺磁质的磁化一、顺磁质的磁化 顺磁性是磁矩顺磁性是磁矩不为零不为零的原子（分子）在磁场中各种取的原子（分子）在磁场中各种取 向的平均效果。向的平均效果。 原子（分子）磁矩在外磁场的作用下会沿其方向排列。原子（分子）磁矩在外磁场的作用下会沿其方向排列。

8、抗磁材料在外磁场的作用下，磁体内任意体积元中大量抗磁材料在外磁场的作用下，磁体内任意体积元中大量 分子或原子的分子或原子的附加磁矩附加磁矩的矢量和的矢量和 有一定的量值，结果在有一定的量值，结果在 磁体内激发一个磁体内激发一个和外磁场方向相反的附加磁场和外磁场方向相反的附加磁场，这就是抗磁，这就是抗磁 性的起源。性的起源。它是一切磁介质所共有的性质它是一切磁介质所共有的性质 。 m 二、抗磁质的磁化二、抗磁质的磁化 抗磁性是磁场对电子抗磁性是磁场对电子轨道运动轨道运动作用的结果。作用的结果。 对于原子，只有在对于原子，只有在磁矩为磁矩为零零的情况下，抗磁性才显出来。的情况下，抗磁性才显出来。

9、1 1、抗磁性是一切磁介质固有的特性，它不仅存在于抗、抗磁性是一切磁介质固有的特性，它不仅存在于抗 磁介质中，也存在于顺磁介质中；磁介质中，也存在于顺磁介质中； 2 2、对于顺磁介质，分子磁矩、对于顺磁介质，分子磁矩 电子附加磁矩，顺磁效电子附加磁矩，顺磁效 应应 抗磁效应抗磁效应 mm 3 3、抗磁介质中电子附加磁矩起主要作用，显抗磁性、抗磁介质中电子附加磁矩起主要作用，显抗磁性 0, 0mm 几点注意：几点注意： 无外场无外场b bo时，分子的磁矩排列杂乱无章，时，分子的磁矩排列杂乱无章， 分子磁矩的矢量和分子磁矩的矢量和0m 有外场有外场b bo 时，分子磁矩沿外场转向，时，分子磁矩沿外

10、场转向， 分子磁矩的矢量和分子磁矩的矢量和0m b bo 三、磁化电流三、磁化电流 b bo b b 从导体横截面看，导体从导体横截面看，导体 内部分子电流两两反向，内部分子电流两两反向， 相互抵消。导体边缘分相互抵消。导体边缘分 子电流同向。子电流同向。 等效等效 分子电流可等效成磁介质分子电流可等效成磁介质 表面的表面的磁化电流磁化电流is，is产生产生 附加磁场附加磁场b b。 b bo s i 磁化电流（安培表面电流、束缚电流）磁化电流（安培表面电流、束缚电流） 15.4 h15.4 h矢量及其环路定理矢量及其环路定理 内）（l l ilb 000 d 无磁介质时无磁介质时 有磁介质时

11、有磁介质时 本节讨论磁化后的磁介质如何影响磁场分布。本节讨论磁化后的磁介质如何影响磁场分布。 0r bb 0 r b b 因此，根据真空中安培环路定理因此，根据真空中安培环路定理 00 d l l r b li （ 内） 0 0 d l l r b li （ 内） 定义定义磁场强度磁场强度 0r bb h ilh d则 h的环路定理的环路定理 表明：表明：磁场强度矢量的环流和传导电流磁场强度矢量的环流和传导电流i i有关，而在形有关，而在形 式上与磁介质的磁性无关。其单位在国际单位制中是式上与磁介质的磁性无关。其单位在国际单位制中是a/ma/m. . 磁介质中的安培环路定理：磁介质中的安培环路

12、定理：磁场强度沿任意闭合路径磁场强度沿任意闭合路径 的线积分等于穿过该路径的所有传导电流的代数和，而与的线积分等于穿过该路径的所有传导电流的代数和，而与 磁化电流无关。磁化电流无关。 例例1 1 在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质，已知在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质，已知 螺绕环中的传导电流为螺绕环中的传导电流为 ，单位长度内匝数，单位长度内匝数 ，环的横截面，环的横截面 半径比环的平均半径小得多，磁介质的相对磁导率和磁导率半径比环的平均半径小得多，磁介质的相对磁导率和磁导率 分别为分别为 和和 。求环内的磁场强度和磁感应强度。求环内的磁场强度和磁感应强度。 in r nilh d

13、 解：解：在环内任取一点，过该点作一和环在环内任取一点，过该点作一和环 同心、半径为同心、半径为 的圆形回路。的圆形回路。r 式中式中 为螺绕环上线圈的总匝数。为螺绕环上线圈的总匝数。 由对称性可知，在所取圆形回路上各点的由对称性可知，在所取圆形回路上各点的 磁场强度的大小相等，方向都沿切线。磁场强度的大小相等，方向都沿切线。 n i r nilh d nirh2ni r ni h 2 当环内是真空时当环内是真空时hb 00 当环内充满均匀介质时当环内充满均匀介质时 hhb r 0 r b b 0 磁介质均匀充满磁介质均匀充满 整个磁场空间整个磁场空间 i r 例例2 2 如图所示，一半径为如

14、图所示，一半径为r r1 1的无限长圆柱体（导体的无限长圆柱体（导体 0 0）中均匀地通有电流）中均匀地通有电流i i，在它外面有半径为，在它外面有半径为r r2 2的无限的无限 长同轴圆柱面，两者之间充满着磁导率为长同轴圆柱面，两者之间充满着磁导率为 的均匀磁介质，的均匀磁介质， 在圆柱面上通有相反方向的电流在圆柱面上通有相反方向的电流i i。试求（。试求（1 1）圆柱体外圆）圆柱体外圆 柱面内一点的磁场；（柱面内一点的磁场；（2 2）圆柱体内一点磁场；（）圆柱体内一点磁场；（3 3）圆柱）圆柱 面外一点的磁场。面外一点的磁场。 解：解：（1 1）当两个无限长的同轴圆柱体和圆柱面）当两个无限

15、长的同轴圆柱体和圆柱面 中有电流通过时，它们所激发的磁场是轴对称中有电流通过时，它们所激发的磁场是轴对称 分布的，而磁介质亦呈轴对称分布，因而不会分布的，而磁介质亦呈轴对称分布，因而不会 改变场的这种对称分布。设圆柱体外圆柱面内改变场的这种对称分布。设圆柱体外圆柱面内 一点到轴的垂直距离是一点到轴的垂直距离是r r1 1，以，以r r1 1为半径作一圆，为半径作一圆， 取此圆为积分回路，根据安培环路定理有取此圆为积分回路，根据安培环路定理有 iii 1 r 2 r 3 r 2 r 1 r 1 2 r i hb 1 2 0 2 dd 1 r i h ilhlh r （2 2）设在圆柱体内一点到轴

16、的垂直距离是）设在圆柱体内一点到轴的垂直距离是r r2 2，则以，则以r r2 2为半为半 径作一圆，根据安培环路定理有径作一圆，根据安培环路定理有 2 2 2 2 2 2 0 1 2 1 2 2 2dd r r i r r irhlhlh r 式中式中 是该环路所包围的电流部分，由此得是该环路所包围的电流部分，由此得 2 2 1 2 r r i 则则 由由b b h h，得，得 2 2 1 2 r ir h 2 20 1 2r ir b （3 3）在圆柱面外取一点，它到轴的垂直距离是）在圆柱面外取一点，它到轴的垂直距离是r r3 3，以，以 r r3 3为半径作一圆，根据安培环路定理为半径作

17、一圆，根据安培环路定理, ,考虑到环路中所包围考虑到环路中所包围 的电流的代数和为零，所以得的电流的代数和为零，所以得 0dd 3 2 0 r lhlh 0h 0b 即即 或或 15.5 15.5 铁磁质铁磁质 (1)(1)在外磁场的作用下能产生很强的附加磁场。在外磁场的作用下能产生很强的附加磁场。 (3)(3)外磁场停止作用后，仍能保持其磁化状态。外磁场停止作用后，仍能保持其磁化状态。 (4)(4)具有临界温度具有临界温度t tc c。在。在t tc c以上，铁磁性完全消失而成为顺以上，铁磁性完全消失而成为顺 磁质，磁质，t tc c称为称为居里温度居里温度或或居里点居里点。不同的铁磁质有不

18、同的居。不同的铁磁质有不同的居 里温度里温度t tc c。纯铁：。纯铁：770770c c，纯镍：，纯镍：358358c c。 (2)(2)相对磁导率和磁化率不是常数，而是随外磁场的变化而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，变化；具有磁滞现象， 之间不具有简单的线性关系。之间不具有简单的线性关系。hb 、 与弱磁质相比，铁磁质具有以下特点：与弱磁质相比，铁磁质具有以下特点： a a r r 1 12 2 k k 接磁通计接磁通计 把未磁化的均匀铁磁质充满一螺绕环，如图：把未磁化的均匀铁磁质充满一螺绕环，如图： 线圈中通入电流线圈中通入电流 ( (励磁电流励磁电

19、流) )后，铁磁后，铁磁 质就被磁化。质就被磁化。 根据有介质时的安培环路定理，当励磁电流为根据有介质时的安培环路定理，当励磁电流为i i时，时， 环内的磁场强度：环内的磁场强度： nih 一、磁化曲线一、磁化曲线 铁芯中的铁芯中的b由磁通计上的次级线由磁通计上的次级线 圈测出，这样，通过改变励磁电流，圈测出，这样，通过改变励磁电流， 可得到对应的一组可得到对应的一组b和和h的值，从而的值，从而 给出一条关于试样给出一条关于试样bh的关系曲线的关系曲线 （磁化曲线磁化曲线）。）。 oh r b, hb a c b s s b a a r r 1 12 2 k k 接磁通计接磁通计 使励磁电流从

20、零开始，此时使励磁电流从零开始，此时b b= =h h=0=0， 然后逐渐增大电流，以增大然后逐渐增大电流，以增大h h 。测得。测得b b 与与h h的对应关系如图所示：的对应关系如图所示： 随随h h的增大，的增大，b b先缓慢增大先缓慢增大( (oaoa段段) )， 然后迅速增大然后迅速增大( (abab段段) )，过，过b b点后，点后，b b又缓又缓 慢增大慢增大( (bcbc段段) )。 从从s s开始，开始，b b随随h h的增大而非常缓慢地增大，介质的磁化的增大而非常缓慢地增大，介质的磁化 达到饱和。与达到饱和。与s s对应的对应的h hs s称称饱和磁场强度饱和磁场强度，相应

21、的，相应的b bs s称称饱和饱和 磁感应强度磁感应强度。 根据根据 ，可以求出不同，可以求出不同h h值对应的值对应的 r r值，由此值，由此 可见铁磁质可见铁磁质b-hb-h显著的非线性特点。显著的非线性特点。 )/( 0h b r h r r b, hb a a c c b b s s ho 当铁磁质达到饱和状态后，缓慢当铁磁质达到饱和状态后，缓慢 地减小地减小h h，铁磁质中的，铁磁质中的b b并不按原来的并不按原来的 曲线减小，并且曲线减小，并且h h=0=0时，时，b b不等于不等于0 0，具，具 有一定值，这种现象称为有一定值，这种现象称为剩磁剩磁。 要完全消除剩磁要完全消除剩磁

22、b br r，必须加反向，必须加反向 磁场，当磁场，当b b=0=0时磁场的值时磁场的值h hc c为铁磁质为铁磁质 的的矫顽力矫顽力。 当反向磁场继续增加，铁磁质的磁化达到反向饱和。当反向磁场继续增加，铁磁质的磁化达到反向饱和。 反向磁场减小到零，同样出现剩磁现象。不断地正向或反反向磁场减小到零，同样出现剩磁现象。不断地正向或反 向缓慢改变磁场，磁化曲线为一闭合曲线向缓慢改变磁场，磁化曲线为一闭合曲线磁滞回线磁滞回线。 二、磁滞回线二、磁滞回线 c h c h b r b r b o h a b c de f b b的变化总落后于的变化总落后于h h的变化，称的变化，称磁滞现象磁滞现象。 在

23、反复磁化过程中能量的损失在反复磁化过程中能量的损失 叫做叫做磁滞损耗磁滞损耗。缓慢磁化过程，经。缓慢磁化过程，经 历一次磁化过程损耗的能量与磁滞历一次磁化过程损耗的能量与磁滞 回线包围的面积成正比。回线包围的面积成正比。 铁磁体在交变磁化磁场的作用下，它的形状随之改变，铁磁体在交变磁化磁场的作用下，它的形状随之改变， 叫做叫做磁致伸缩效应磁致伸缩效应。 c h b r b o h a r b b c d c h e f 在反复磁化时，由于分子状态不断在反复磁化时，由于分子状态不断 改变，导致分子振动加剧，温度升高。改变，导致分子振动加剧，温度升高。 单晶磁畴结构示意图多晶磁畴结构示意图 在铁磁

24、质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的在铁磁质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的 交换耦合交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子中电子的自旋作用，这个相互作用促使相邻原子中电子的自旋 磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的微磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的微 小区域，这些自发磁化的微小区域称为小区域，这些自发磁化的微小区域称为磁畴磁畴。 三、磁畴三、磁畴 在在没有外磁场没有外磁场作用时，磁体体内磁矩排列杂乱，任意作用时，磁体体内磁矩排列杂乱，任意 物理无限小体积内的物理无限小体积内的平均磁矩为零平均磁矩为零。 h 在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能将

25、在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能将 低于低于磁矩与外磁反向排列时的磁能，结果是自发磁化磁矩和磁矩与外磁反向排列时的磁能，结果是自发磁化磁矩和 外磁场成外磁场成小角度小角度的磁畴处于有利地位，这些磁畴的磁畴处于有利地位，这些磁畴体积逐渐扩体积逐渐扩 大大，而自发磁化磁矩与外磁场成，而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度较大角度的磁畴的磁畴体积逐渐缩体积逐渐缩 小小。随着外磁场的不断增强，取向与外磁场成较大角度的磁。随着外磁场的不断增强，取向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的方向旋转，以后再继畴全部消失，留存的磁畴将向外磁场的方向旋转，以后再继 续增加磁场，所有磁畴

26、都沿外磁场方向整齐排列，这时磁化续增加磁场，所有磁畴都沿外磁场方向整齐排列，这时磁化 达到达到饱和饱和。 铁磁质的磁化铁磁质的磁化 剩磁现象：剩磁现象：当外磁场减小到零时，已被磁化的铁磁体当外磁场减小到零时，已被磁化的铁磁体 内的各个磁畴由于受到阻碍它们转向的摩擦阻力，使它们内的各个磁畴由于受到阻碍它们转向的摩擦阻力，使它们 不能按原来的磁化规律恢复到原来的状态，而保留有部分不能按原来的磁化规律恢复到原来的状态，而保留有部分 磁性。磁性。 高温和振动的去磁作用：高温和振动的去磁作用：分子热运动破坏磁畴内磁矩分子热运动破坏磁畴内磁矩 的有规则排列，当温度达到临界温度（的有规则排列，当温度达到临界

27、温度（居里点居里点）时，铁）时，铁 磁体转化为普通的顺磁体。磁体转化为普通的顺磁体。 实验观测，磁畴的体积约为实验观测，磁畴的体积约为 8103 1010m 矫顽力很小矫顽力很小( (h hc c10102 2a am m-1 -1) )，磁滞回线窄， ，磁滞回线窄， 所围的面积小，磁滞损耗小。所围的面积小，磁滞损耗小。 软磁材料如纯铁、硅钢、铁氧体等材料，软磁材料如纯铁、硅钢、铁氧体等材料， 适用于交变磁场中，常用作变压器、继电器、适用于交变磁场中，常用作变压器、继电器、 电动机、电磁铁和发动机的铁芯。电动机、电磁铁和发动机的铁芯。 h b o 四、软磁材料四、软磁材料 矫顽力大，剩磁大、磁滞回线宽，所矫顽力大，剩磁大、磁滞回线宽，所 围的面积