磁介质中磁场2实用教案

1、MBH0MHB00 实验证明：对于各向同性的介质，在磁介质实验证明：对于各向同性的介质，在磁介质中任意中任意(rny)(rny)一点磁化强度和磁场强度成正比。一点磁化强度和磁场强度成正比。 HMm 式中式中 只与磁介质的性质有关，称为磁介质只与磁介质的性质有关，称为磁介质的的磁化率磁化率，是一个纯数。如果磁介质是均匀的，是一个纯数。如果磁介质是均匀的，它是一个常量；如果磁介质是不均匀的，它是空它是一个常量；如果磁介质是不均匀的，它是空间位置的函数。间位置的函数。m顺磁质0m抗磁质0m磁场强度磁场强度(cchng qingd)(cchng qingd)EPe0对比(dub)：第1页/共20页第一

2、页，共21页。MHB00HMmmr1令HBm)1 (0HHBr0相对(xingdu)磁导率磁导率 值得注意：值得注意： 为研究介质中的磁场提供方便而不为研究介质中的磁场提供方便而不是反映磁场性质的基本物理量，是反映磁场性质的基本物理量，B B 才是反映磁场性才是反映磁场性质的基本物理量。质的基本物理量。HB磁场强度磁场强度(cchng qingd)(cchng qingd)EEDr0对比对比(dub)：第2页/共20页第二页，共21页。 例1 1 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 ，单位长度内匝数 ，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

3、分别为 和 。求环内的磁场强度和磁感应强度。InrrNIlHd解：解：在环内任取一点，在环内任取一点，过该点作一和环同心、过该点作一和环同心、半径为半径为 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的总匝数。由对称性可知，在所取圆形回路上各点的磁感应强度的大小相等，方向都沿切线。点的磁感应强度的大小相等，方向都沿切线。N磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理(dngl)(dngl)的应用的应用第3页/共20页第三页，共21页。NIlHd解：解：NIrH2nIrNIH2当环内是真空当环内是真空(zhnkng)(zhnkng)

4、时时HB00当环内充满均匀当环内充满均匀(jnyn)(jnyn)介质时介质时HHBr0rBB0r磁介质中的安培磁介质中的安培(npi)(npi)环路定理环路定理 例2 2 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 ，单位长度内匝数 ，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分别为 和 。求环内的磁场强度和磁感应强度。Inr第4页/共20页第四页，共21页。 例例3 如图所示，一半径为如图所示，一半径为R1的无限长圆柱体（导体的无限长圆柱体（导体 0 ）中均匀地通有电流）中均匀地通有电流I，在它外面有半径为，在它外面有半径为R2的无的无限长同轴圆柱面

5、，两者之间充满着磁导率为限长同轴圆柱面，两者之间充满着磁导率为的均匀磁介的均匀磁介质，在圆柱面上通有相反质，在圆柱面上通有相反(xingfn)方向的电流方向的电流I。试求（。试求（1）圆柱体外圆柱面内一点的磁场；（圆柱体外圆柱面内一点的磁场；（2）圆柱体内一点磁场；）圆柱体内一点磁场；（3）圆柱面外一点的磁场。）圆柱面外一点的磁场。解解 （1）当两个无限长的同轴圆柱）当两个无限长的同轴圆柱体和圆柱面中有电流通过时，它们体和圆柱面中有电流通过时，它们所激发的磁场是轴对称分布的，而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

6、体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外圆柱面内一点到轴的垂直距离是r1，以，以r1为半径作一圆，取此圆为为半径作一圆，取此圆为积分回路，根据安培环路积分回路，根据安培环路(hun l)定理有定理有IIIR1R2r2r1r3磁介质中的安培环路磁介质中的安培环路(hun l)(hun l)定理定理YINYONGYINYONG第5页/共20页第五页，共21页。12 rIHB1202dd1rIHIlHlHr（2）设在圆柱体内一点到轴的垂直距离是）设在圆柱体内一点到轴的垂直距离是r2，则，则以以r2为半径为半径(bnjng)作一圆，根据安培环路定理作一圆，根据安培环路定理有有2

7、222220121222ddRrIRrIrHlHlHr2212RrI 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，由此得磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理(dngl)(dngl)的应用的应用第6页/共20页第六页，共21页。由由B H，得，得2212 RIrH22012RIrB （3）在圆柱面外取一点，它到轴的垂直距离）在圆柱面外取一点，它到轴的垂直距离是是r3，以，以r3为半径作一圆，根据安培环路定理为半径作一圆，根据安培环路定理,考考虑到环路中所包围的电流虑到环路中所包围的电流(dinli)的代数和为零，的代数和为零，所以得所以得0dd320rlHlH0H

8、0B即即或或磁介质中的安培环路磁介质中的安培环路(hun l)(hun l)定理定理第7页/共20页第七页，共21页。与弱磁质相比，铁磁质具有与弱磁质相比，铁磁质具有(jyu)(jyu)以下特以下特点：点：(1)(1)在外磁场在外磁场(cchng)(cchng)的作用下能的作用下能产生很强的附加磁场产生很强的附加磁场(cchng)(cchng)。(2)(2)外磁场停止作用后，仍能保持外磁场停止作用后，仍能保持(boch)(boch)其磁化状态。其磁化状态。(4)(4)具有临界温度具有临界温度Tc。在。在Tc以上，铁磁性完全消失以上，铁磁性完全消失而成为顺磁质，而成为顺磁质，Tc称为居里温度或居

9、里点。不同的称为居里温度或居里点。不同的铁磁质有不同的居里温度铁磁质有不同的居里温度Tc。纯铁：。纯铁：770C，纯镍：，纯镍：358C。(3)(3)相对磁导率和磁化率不是常数，而是随外磁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，场的变化而变化；具有磁滞现象， 之间不具之间不具有简单的线性关系。有简单的线性关系。HB、8.9* 铁磁质居 里第8页/共20页第八页，共21页。AR12K接磁通计接磁通计把未磁化把未磁化(chu)(chu)的均匀铁磁质充满一螺绕环，的均匀铁磁质充满一螺绕环，如图：如图：线圈中通入电流线圈中通入电流( (励磁励磁(l c)(l c)电流电流)

10、 )后，铁磁质就后，铁磁质就被磁化。被磁化。 根据有介质时的安培环路定理根据有介质时的安培环路定理(dngl)(dngl)，当，当励磁电流为励磁电流为I I时，环内的磁场强度：时，环内的磁场强度：1.1.磁介质nIH 第9页/共20页第九页，共21页。AR12K接磁通计接磁通计 铁芯中的铁芯中的B B由磁通计上的次级由磁通计上的次级线圈测出，这样，通过改变励磁线圈测出，这样，通过改变励磁电流电流(dinli)(dinli)，可得到对应的一，可得到对应的一组组B B和和H H的值，从而给出一条关于的值，从而给出一条关于试样试样BHBH的关系曲线（磁化曲线）。的关系曲线（磁化曲线）。OHrB,HB

11、 ACBS磁磁 介介 质质第10页/共20页第十页，共21页。HrOHrB,HB ACBS 使励磁电流从零开始，此时使励磁电流从零开始，此时B=H=0B=H=0，然后，然后(rnhu)(rnhu)逐渐增大逐渐增大电流，以增大电流，以增大H H 。测得。测得B B与与H H的对的对应关系如图所示：应关系如图所示： 随随H H的增大，的增大，B B先缓慢先缓慢(hunmn)(hunmn)增大增大(OA(OA段段) )，然后迅速增大，然后迅速增大(AB(AB段段) )，过过B B点过后，点过后，B B又缓慢又缓慢(hunmn)(hunmn)增增大大(BC(BC段段) )。 从从S S开始，开始，B

12、B几乎不随几乎不随H H的增大而增大，介质的磁化的增大而增大，介质的磁化达到达到(d do)(d do)饱和。与饱和。与S S对应的对应的HSHS称饱和磁场强度，相称饱和磁场强度，相应的应的BSBS称饱和磁感应强度。称饱和磁感应强度。 根据根据 ，可以求出不同，可以求出不同H值对应的值对应的 r r值，由此可见铁磁质值，由此可见铁磁质BH显著的非线性特点。显著的非线性特点。)/(0HBr磁磁 介介 质质第11页/共20页第十一页，共21页。2. 2. 磁滞回线 当铁磁质达到饱和状态后，当铁磁质达到饱和状态后，缓慢地减小缓慢地减小H H，铁磁质中的，铁磁质中的B B并不并不按原来的曲线减小，并且

13、按原来的曲线减小，并且H=0H=0时，时，B B不等于不等于0 0，具有一定，具有一定(ydng)(ydng)值，值，这种现象称为剩磁。这种现象称为剩磁。-HcdHc-BrefBrcbBHaO 要完全消除剩磁要完全消除剩磁BrBr，必须加，必须加反向反向(fn xin)(fn xin)磁场，当磁场，当B=0B=0时时磁场的值磁场的值HcHc为铁磁质的矫顽力。为铁磁质的矫顽力。 当反向磁场继续增加，铁磁质的磁化达到反向饱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，同样和。反向磁场减小到零，同样(tngyng)(tngyng)出现剩磁现出现剩磁现象。不断地正向或反向缓慢改变磁场

14、，磁化曲线为一象。不断地正向或反向缓慢改变磁场，磁化曲线为一闭合曲线闭合曲线磁滞回线。磁滞回线。第12页/共20页第十二页，共21页。 B的变化总落后于的变化总落后于H的变化，的变化，称磁滞称磁滞(c zh)现象。现象。 在反复磁化在反复磁化(chu)(chu)过程中能过程中能量的损失叫做磁滞损耗。缓慢磁量的损失叫做磁滞损耗。缓慢磁化化(chu)(chu)过程，经历一次磁化过程，经历一次磁化(chu)(chu)过程损耗的能量与磁滞回过程损耗的能量与磁滞回线包围的面积成正比。线包围的面积成正比。-HcdHc-BrefBrcbBHaO 铁磁体在交变磁化磁场的作用下，它的形状铁磁体在交变磁化磁场的作

15、用下，它的形状(xngzhun)(xngzhun)随之改变，叫做磁致伸缩效应。随之改变，叫做磁致伸缩效应。磁滞回线磁滞回线第13页/共20页第十三页，共21页。3. 3. 磁畴单晶磁畴结构示意图多晶磁畴结构示意图 在铁磁质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强在铁磁质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的交换耦合作用的交换耦合作用(zuyng)(zuyng)，这个相互作用，这个相互作用(zuyng)(zuyng)促促使相邻原子中电子的自旋磁矩平行排列起来，形成一个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小区域，这些自发磁化的微自发磁化达到饱和状态的微小区域，这些自

16、发磁化的微小区域称为磁畴。小区域称为磁畴。第14页/共20页第十四页，共21页。磁磁 畴畴单晶磁畴结构示意图多晶磁畴结构示意图 在没有外磁场作用时，磁体在没有外磁场作用时，磁体(ct)(ct)体内磁矩排列杂乱，体内磁矩排列杂乱，任意物理无限小体积内的平均磁矩为零。任意物理无限小体积内的平均磁矩为零。第15页/共20页第十五页，共21页。H 在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能将低于磁矩与外磁反向排列时的磁能，结果是自磁能将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外磁场成小角度发磁化磁矩和外磁场成小角度(jiod)(jiod)的磁畴

17、处于有的磁畴处于有利地位，这些磁畴体积逐渐扩大，而自发磁化磁矩与利地位，这些磁畴体积逐渐扩大，而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度外磁场成较大角度(jiod)(jiod)的磁畴体积逐渐缩小。随的磁畴体积逐渐缩小。随着外磁场的不断增强，取向与外磁场成较大角度着外磁场的不断增强，取向与外磁场成较大角度(jiod)(jiod)的磁畴全部消失，留存的磁畴将向外磁场的的磁畴全部消失，留存的磁畴将向外磁场的方向旋转，以后再继续增加磁场，所有磁畴都沿外磁方向旋转，以后再继续增加磁场，所有磁畴都沿外磁场方向整齐排列，这时磁化达到饱和。场方向整齐排列，这时磁化达到饱和。磁磁 畴畴第16页/共20页第十六页，共21页

18、。BHOBHO 矫顽力很小矫顽力很小(Hc102Am-1)，磁滞，磁滞回线窄，所围的面积回线窄，所围的面积(min j)小，磁滞损小，磁滞损耗小。耗小。 软磁材料如纯铁、硅钢、坡莫合金、软磁材料如纯铁、硅钢、坡莫合金、铁氧体等材料，适用于交变磁场铁氧体等材料，适用于交变磁场(cchng)(cchng)中，常用作变压器、继电器、电动机、电中，常用作变压器、继电器、电动机、电磁铁和发动机的铁芯。磁铁和发动机的铁芯。 矫顽力大，剩磁大、磁滞回线宽，矫顽力大，剩磁大、磁滞回线宽，所围的面积所围的面积(min j)大，磁滞损耗大。大，磁滞损耗大。4. 4. 软磁材料5. 5. 硬磁材料第17页/共20页

19、第十七页，共21页。 硬磁材料如碳钢、钨钢、铝镍钴合金硬磁材料如碳钢、钨钢、铝镍钴合金(hjn)(hjn)等等材料。磁化后能保持很强的磁性，适用于制成各种类材料。磁化后能保持很强的磁性，适用于制成各种类型的永久磁铁。型的永久磁铁。 矩磁材料矩磁材料(cilio)(cilio)的磁滞回线接近于矩形，特的磁滞回线接近于矩形，特点是剩磁点是剩磁BrBr接近饱和值接近饱和值BSBS。BHO 压磁材料具有较强的磁致压磁材料具有较强的磁致伸缩效应，常用伸缩效应，常用(chn yn)(chn yn)于制造超声波发生器。于制造超声波发生器。硬磁材料硬磁材料 当矩磁材料在不同方向的外磁场磁化后，总当矩磁材料在不同方向的外磁场磁化后，总是处于是处于 和和 两种剩磁状态，可作电子计算机两种剩磁状态，可作电子计算机的的“记忆记忆”元件。元件。sBsB第18页/共20页第十八页，共21页。 硬磁材料硬磁材料(ci