第5章 磁与物质作用2016

1、第五章第五章 磁场与物质相互作用磁场与物质相互作用物质中的磁场与磁性材料物质中的磁场与磁性材料5.1 磁化强度、磁化电流及磁场强度磁化强度、磁化电流及磁场强度1. 磁化强度q 分子环流和分子磁矩分子环流和分子磁矩安培：安培：物质磁性起源于物质内部有规则排列的分子电流。物质磁性起源于物质内部有规则排列的分子电流。分子电流环分子电流环 分子磁矩分子磁矩aasIm分子磁化：使物质具有磁性的过程磁化：使物质具有磁性的过程分子（原子）磁矩分子（原子）磁矩 = 电子轨道磁矩电子轨道磁矩 + 电子自旋磁矩，电子自旋磁矩，核磁矩可以忽略。核磁矩可以忽略。q 磁化强度磁化强度反映介质磁化状态的物理量反映介质磁化

2、状态的物理量（类比电场中极化强度）（类比电场中极化强度）定义：定义：VmM分子 V：宏观小，可反映磁介质磁化：宏观小，可反映磁介质磁化状态的非均匀性；状态的非均匀性； 微观大，可反微观大，可反映磁化强度的统计特性映磁化强度的统计特性非磁化时，非磁化时，0M0m分子磁化时，磁化时，aasnImnM分子q 电子轨道磁矩和自旋磁矩电子轨道磁矩和自旋磁矩Lmel2Blllhllme) 1() 1(2Smegss2实验中发现银原子出现两个斑痕（谱线有一宽度是因为实验中发现银原子出现两个斑痕（谱线有一宽度是因为Ag原子的原子的初速度有一分布），这意味着初速度有一分布），这意味着l =1/2？ 1927年费

3、普用基态年费普用基态H原子做类似实验，也发现两个分立束斑。原子做类似实验，也发现两个分立束斑。 for his contribution to the development of the molecular ray method and his discovery of the magnetic moment of the proton“ （1943） z dzdB0dzdB0dzdB经典预言经典预言0dzdB实验结果实验结果实验装置实验装置0dzdB量子预言量子预言dzdBmgWfBlB21,) 1(22shsssfor the discovery of new productive fo

4、rms of atomic theory 为单位）以为单位）以hLgzBz(shgBssBssssg) 1( for the development of the ion trap technique1989 Nobel )1 (2ags2. 磁化电流q 磁化电流的形成磁化电流的形成q 磁化电流与磁化强度的关系磁化电流与磁化强度的关系Mj I为通过S面的总磁化电流ldSnIndVIdIaaaldMldSnIIaa对于均匀磁化介质0j磁化电流只能存在于非均匀磁化介质中磁化电流只能存在于非均匀磁化介质中或或不同介质的界面上不同介质的界面上SMldMSjISSd)(d介质磁化后会在表面产生宏观的磁化

5、电流介质磁化后会在表面产生宏观的磁化电流nililMMl dM)(12介质表面或界面上的磁化电流介质表面或界面上的磁化电流nMMi)(12M2M1reMnMi均匀磁化的磁介质棒轴线中点处的磁场？均匀磁化的磁介质棒轴线中点处的磁场？ 1 2dL)cos(cos2)cos(cos2210210MiB20220)/(11LdMdLLMB无穷长棒无穷长棒0/LdM B0MB BBB000Ld /0 B 00B BBB薄片薄片q 磁化电流与传导电流比较磁化电流与传导电流比较v 磁化电流不伴随电荷的宏观移动，传导电流则伴磁化电流不伴随电荷的宏观移动，传导电流则伴随电荷的宏观移动随电荷的宏观移动v 磁化电流

6、可存在于一切磁介质中（绝缘体或导体磁化电流可存在于一切磁介质中（绝缘体或导体等），无焦耳效应；传导电流只能存在于导电物体等），无焦耳效应；传导电流只能存在于导电物体中，有焦耳效应中，有焦耳效应不同点不同点相同点：相同点：均可激发磁场并受磁场作用均可激发磁场并受磁场作用传导电流传导电流 I0总电流总电流 I=磁化电流磁化电流 I +B=B +B0由由 I = I +I0 和和 B = B + B0S0sdB依然成立依然成立 IIl dB000L环路定理环路定理 如何处理？如何处理？3. 磁场强度H 与磁介质中静磁场规律q 磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理L Il dM0L0Il dM

7、/B)(定义定义辅助矢量辅助矢量磁场强度磁场强度HMBH0环路定理：环路定理：0LIl dH只与传导电流有关！只与传导电流有关！涉及两个物理量涉及两个物理量B和和H，类似于电场中的，类似于电场中的D与与E中，还需要有中，还需要有类似的极化规律类似的极化规律 才能使方程闭合。才能使方程闭合。B与与H的关系？的关系？ED0由由 IIl dB000L5.2 磁介质的磁化规律磁介质的磁化规律1. 非铁磁各向同性介质HMmHHMHBm000)(对各向同性线性介质：对各向同性线性介质：HBr0mr1m为磁化率为磁化率r为相对磁导率为相对磁导率真空中真空中0M 10rm2. 各向异性介质HBr0解释线圈中加

8、入磁性材料可以增强磁感应强度和电感HMm为磁化率张量（九个分量）为磁化率张量（九个分量）541010m)1010(65m顺磁抗磁顺磁质：顺磁质：54101010mm抗磁质：抗磁质：)1010(1065mm原子（或分子）固有磁矩之和（轨道磁矩原子（或分子）固有磁矩之和（轨道磁矩+自旋磁矩）自旋磁矩）= 03. 顺磁性及抗磁性抗磁性材料：抗磁性材料：（所有材料均有抗磁性。当顺磁或铁磁性超过抗磁时，呈现顺磁或铁磁。Lmel2LLmBeBLmeBdtLdl22BLl即使即使L反向，进动的角速度也相同，且方向同反向，进动的角速度也相同，且方向同 B 一致。因一致。因此两个旋转方向相反的电子由于拉莫进动产

9、生的附加磁此两个旋转方向相反的电子由于拉莫进动产生的附加磁矩都与矩都与B反向，即产生抗磁性。反向，即产生抗磁性。拉莫进动示意Bmrerel42222附加磁矩顺磁性材料：顺磁性材料：原子（或分子）固有磁矩之和（轨道磁矩原子（或分子）固有磁矩之和（轨道磁矩+自旋磁矩）自旋磁矩） 0顺磁热效应：温度越高，顺磁效应越弱顺磁热效应：温度越高，顺磁效应越弱TCmCmTTC居里定律居里-外斯定律顺磁绝热去磁制冷绝热去磁制冷可将温度降到K甚至nK4. 铁磁性材料 （Fe、Co、Ni、铁氧体等）、铁氧体等）MS: 饱和磁化强度；饱和磁化强度； MR: 剩余磁化强度剩余磁化强度HC: 矫顽力（大矫顽力（大硬磁硬磁

10、 104106A/m；小；小软磁软磁 A/m，磁滞回线狭窄），磁滞回线狭窄）磁化曲线、磁性温度关系软磁、硬磁、矩磁（铁氧体）铁磁性微观机制铁磁性微观机制磁畴磁畴磁滞损耗做功：磁滞损耗做功：; ;dNSBdtdd00ItIdA; 00ILNnIH; dBNSdBVHBSLHdAdd单位体积单位体积BHVAaddd去磁曲线加温、敲击5. 反铁磁和亚铁磁 原子磁矩有序排列原子磁矩有序排列（顺磁性无序排列）（顺磁性无序排列） 同一子晶格平行排列；同一子晶格平行排列；不同子晶格反向排列；不同子晶格反向排列； 两子晶格的自发磁矩两子晶格的自发磁矩大小相等。大小相等。 FeO, CoO, NiO, MnO2

11、51010m反铁磁的磁矩排列及磁化行为Neel温度亚铁磁的磁矩排列及磁化行为 同一子晶格平行排列；不同子晶格反向排列；同一子晶格平行排列；不同子晶格反向排列； 两子晶格的自发磁矩大小两子晶格的自发磁矩大小不不相等。相等。 Fe3O4 石榴石（石榴石（Garnet）顺磁反铁磁TN5.3 边界关系与静磁场问题边界关系与静磁场问题1. 磁介质界面上的边值关系q B 线法向连续线法向连续0)(12SnBSnBsdBn2n1BBB2B1介质介质2介质介质1nq i 与与M的关系的关系L Il dM对区域对区域2为真空的情况为真空的情况nM i1nMM i21)(介质介质2介质介质1nM1M2q H 切向

12、连续切向连续H1介质介质2介质介质1nH2L0IldHlilHH021)-(t2t 1HH考虑到方向：考虑到方向：)-()-(12210HHnnHHi通常介质面上传导电流为零通常介质面上传导电流为零H 切向连续切向连续q B 线在界面上的线在界面上的“折射折射”t2t 1HHn2n1BB21nB2B1 1 22121/tg/tg22221111cosBsinHcosBsinH当当 （介质（介质1为铁磁、为铁磁、2为非磁性），则为非磁性），则 ，即，即B 线几乎与界面平行，漏到外面去很小线几乎与界面平行，漏到外面去很小2121q 无限均匀各向同性介质无限均匀各向同性介质2. 典型的静磁场问题q

13、分区介质问题分区介质问题v 介质界面与介质界面与B线重合线重合v 介质界面与介质界面与B线垂直线垂直I000IIldHLrerIHB2000I, R1, R2 (2), R3(3)LIldHrierIB20i21IR1R2IrBrBldBldBldHL020102010iiBH 235.4 磁路定理磁路定理1. 磁路与电路的对应性B线的折射定理表明线的折射定理表明2121B线平行铁磁体表面线平行铁磁体表面稳恒条件稳恒条件0sdj EKEj)(欧姆定律欧姆定律电动势电动势l dK稳恒电场（电路）稳恒电场（电路）0sdBHB0m0Il dH静磁场静磁场 （磁路）（磁路）对一闭合电流管的闭合电路对一

14、闭合电流管的闭合电路沿电流管沿电流管CSjIIRSdlR若分段均匀则若分段均匀则iiiiSlRR磁动势磁动势mKHjB;0磁力线管磁力线管CSBmSdlR0m若分段均匀则若分段均匀则i0iimSlRmmmR电流连续电流连续磁通连续磁通连续电流线管电流线管2. 磁路定理及其应用q 磁路定理磁路定理RI Rm B m电电路路电动势电动势 电流电流 电导率电导率 电阻电阻 电位降电位降iiiiii IR SlR I 磁磁路路 磁动势磁动势 磁通量磁通量 磁导率磁导率 磁阻磁阻 磁位降磁位降iiiBiiiiimiBmSllH SlR NI0000磁路定理：磁路定理：闭合磁路的磁动势等于各段磁路的磁位降

15、之和闭合磁路的磁动势等于各段磁路的磁位降之和.VSq 讨 论理想电路理想电路不漏电不漏电; 实际电路实际电路近似不漏电近似不漏电理想磁路理想磁路不漏磁不漏磁; 近似理想磁路条件：铁芯磁导率远大于近似理想磁路条件：铁芯磁导率远大于121nB2B1 1 22121tgtg21122212112)11(coscostgtgBBB当当 1 时，时，B2很小，即漏磁可忽略很小，即漏磁可忽略静磁场的屏蔽静磁场的屏蔽q 应用举例日光灯镇流器可等效为一带气隙的矩形磁日光灯镇流器可等效为一带气隙的矩形磁路。截面为路。截面为S，铁芯磁导率为，铁芯磁导率为 ，求，求(1)无气无气隙的隙的 B，(2) B减小一半时的减小一半时的d ? BdlN,I0（1）0mmBNIRSlR0mlSNI00B（2）存在气隙）存在气隙d 时时SdSl R00mm0Bm0BR2NI2RNImmR2RSdSl00ld 小气隙大作用！小气隙大作用！5.5 磁场的测量磁场的测量磁传感器：利用材料在磁场中的各种效应：光、电、力磁传感器：利用材料在磁场中的各种效应：光、电、力磁场计：磁场计：测量低磁场（测量低磁场（ 1mT)