大学物理演示(赵)磁介质

1、13 磁场中磁介质磁场中磁介质磁介质分类：磁介质分类： 顺磁质，顺磁质， 抗磁质，抗磁质， 铁磁质，铁磁质，几百、几千倍几百、几千倍1r0B真空中真空中介质中介质中B实验表明：实验表明：0BBr1r1r相对磁导率相对磁导率磁导率磁导率0r0BB0BB0BB磁介质磁介质磁化磁化如锌如锌,铜铜,水银水银,铅等。铅等。如锰如锰,铬铬,氧氧,氮等。氮等。如铁如铁,钴钴,镍等。镍等。13.1 磁介质的磁化磁介质的磁化13.1.1 13.1.1 磁介质及分类磁介质及分类对均匀磁介质对均匀磁介质可能是导体、也可能是绝缘体。可能是导体、也可能是绝缘体。电子绕核的轨道运动电子绕核的轨道运动电子自旋运动电子自旋运

2、动都产生磁效应，都产生磁效应，都等效于微小圆电流都等效于微小圆电流核自旋运动核自旋运动neISm其磁矩：其磁矩：13.1.2 13.1.2 一般磁介质的磁化机理一般磁介质的磁化机理分子磁矩分子磁矩 ： 分子内所有电子的轨道磁矩、自旋磁矩和核的自分子内所有电子的轨道磁矩、自旋磁矩和核的自旋磁矩之和旋磁矩之和顺磁质、铁磁质的分子有分子固有磁矩顺磁质、铁磁质的分子有分子固有磁矩 抗磁质的分子没有分子固有磁矩抗磁质的分子没有分子固有磁矩 估算电子绕核的轨道运动的磁矩：估算电子绕核的轨道运动的磁矩：2/2eevIrvr222evevrmISrr1. 电子进动电子进动0JL dtLdM dtMLd M的方

3、向转沿 ML emL0BM0eMmBem。 反向 与 0Bme当当 时，时，00 B电子电子(e) 同时参与两种运动同时参与两种运动起到抵消外场的作用起到抵消外场的作用i进动进动电子进动电子进动抗磁性抗磁性em感生磁矩感生磁矩2. 2. 顺磁质磁化机理顺磁质磁化机理 00 B00 B热运动分子磁矩无规则排列，不显磁性热运动分子磁矩无规则排列，不显磁性 进动产生的进动产生的 小，略去小，略去Bme 0B产生附加磁场产生附加磁场B 同方向。同方向。BBB 0, 合场 BBB 0. 1 r0iim0iim2. 2. 顺磁质磁化顺磁质磁化 00 B00 B0 ,im 热运动分子磁矩无规则排列，不显磁性

4、热运动分子磁矩无规则排列，不显磁性进动产生的进动产生的Bme 0 ,im 产生附加磁场产生附加磁场B . 1 r无外磁场无外磁场顺顺 磁磁 质质 的的 磁磁 化化0B有外磁场有外磁场sI合场：合场：0 BBB0 m 分子磁矩分子磁矩小，略去小，略去同方向同方向, 时 00 B , 时 00 B3 . 3 . 抗磁质的磁化机理抗磁质的磁化机理由进动产生由进动产生 与与 反向，反向，em0B。 反向 与 0BB . 1 r1 . 1 . 磁化强度磁化强度顺磁质顺磁质 与与 同向；同向；M0B抗磁质抗磁质 与与 反向。反向。M0B2 .2 .面分布电流面分布电流以长直螺线管为例以长直螺线管为例13.

5、1.3 13.1.3 磁化强度和磁化电流磁化强度和磁化电流0iimVmMi0BBB 合场管内充顺磁质，磁化管内充顺磁质，磁化,- 面束缚电流密度面束缚电流密度如图，有：如图，有：J V rdMdacdbcabrdMrdMrdMrdMimMVJ J 000JabJabI分子固有磁矩分子固有磁矩分子电流分子电流imIS JlSMdrI是是 l 回路包围的总的面束缚电流回路包围的总的面束缚电流I顺磁质顺磁质 抗磁质抗磁质13.2.2 13.2.2 磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 磁场强度磁场强度真空：真空：介质：介质：为穿过回路的总电流为穿过回路的总电流定义：定义：, MBH 0- -

6、 磁场强度，单位：安磁场强度，单位：安/ /米米- - 传导电流代数和传导电流代数和iilIrdH传)(0SlIIrdB传SII传SlIIrdB传01rdMI传传IrdMB)(0IrdB0讨论：讨论：1）, HMm m是磁化率是磁化率2）MHB00 )(MH 0)(HHm 0Hm)( 10HB IldHMBH0物理意义不明确。物理意义不明确。 辅助量辅助量 综合了磁场，磁化综合了磁场，磁化 MBH0H dlI传导H闭合曲线内外的闭合曲线内外的 都有贡献都有贡献I l dH由圈内的由圈内的 决定决定传导I 3）传导Il dH回避了分子（束缚）电流回避了分子（束缚）电流4）)(EPe注意：mr1定

7、义：HBr0r0定义： 由由 算出算出 ，由，由 定定传导Il dH传导IHHBBIrr 例例 有两个半径分别为有两个半径分别为 和和 的的“无限长无限长”同同轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁导率为轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁导率为 的的磁介质磁介质.当两圆筒通有相反方向的电流当两圆筒通有相反方向的电流 时，试时，试 求求（1）磁介质中任意点）磁介质中任意点 P 的磁感应强度的的磁感应强度的 大小大小;（2）圆柱体外面一点）圆柱体外面一点 Q 的的 磁感强度磁感强度.rrRI解解 对称性分析对称性分析RdrIlHldIdH 2dIH2dIHB2r0dIR0,02HdH0HB0,Brd同

8、理可求同理可求RdrdIB2r0Rd 0IIlHldIrrIRd*磁场的边界条件磁场的边界条件 BBB 00 SdBBSdB)(有介质时的高斯定理有介质时的高斯定理122B1B0sdB0ldHnnBB21B 法向分量连续法向分量连续121H2HttHH21H切线分量连续切线分量连续若边界无传导电流若边界无传导电流rINH2。 曲线 测出 改变 测BHIB，1）起始磁化曲线）起始磁化曲线2）Hr曲线曲线 随随 H 变化变化13.3 铁磁质铁磁质13.3.1 . 铁磁质的磁化特性铁磁质的磁化特性BH3） 磁滞回线磁滞回线Br - 剩磁剩磁Hc - 矫顽力矫顽力铁磁质中铁磁质中 B 的变化总的变化总

9、是落后于外加磁场是落后于外加磁场 H的变化的变化 - 磁滞现象磁滞现象退磁方法退磁方法2. .加热法加热法3. .敲击法敲击法1. .加反向磁场加反向磁场4. .加交变衰减的磁场加交变衰减的磁场磁性材料的分类磁性材料的分类软磁材料软磁材料HB磁芯材料磁芯材料硬磁材料硬磁材料HB永久磁铁永久磁铁矩磁材料矩磁材料HB计算机记忆元件计算机记忆元件13.3.2 13.3.2 铁磁质的磁化机理铁磁质的磁化机理 磁畴理论磁畴理论当当 时，时，00 B相邻原子间的电子存在很强的交相邻原子间的电子存在很强的交换作用，形成一个小小的自发磁换作用，形成一个小小的自发磁化区域化区域 - - 磁畴磁畴当当 时，时，0

10、0 B磁畴转向外场方向排列磁畴转向外场方向排列 铁磁质磁化铁磁质磁化居里点居里点铁磁质铁磁质(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1r0BB(2)(2)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(3)(3)铁磁质的相对磁导率和磁化率不是常数，而是随外磁场铁磁质的相对磁导率和磁化率不是常数，而是随外磁场 的变化而变化的变化而变化BH、(4) (4) 之间不再是简单的线性关系，具有磁滞现象之间不再是简单的线性关系，具有磁滞现象 (5)(5)具有临界温度具有临界温度T Tc c居里温度、居里点居里温度、居里点与磁化的历史有关

11、与磁化的历史有关2401010BB铁铁 767 767 0 0C C镍镍 357 357 0 0C C(6)(6)磁致伸缩磁致伸缩一般约一般约1010-5-5量级量级磁带磁带 磁盘磁盘磁头磁头软磁软磁磁带：粉状硬磁材料磁带：粉状硬磁材料偏磁电流，保偏磁电流，保证工作在线性证工作在线性部分部分电磁铁电磁铁录音：录音： 声音声音 图像图像同步电信号同步电信号同步磁场变化同步磁场变化剩磁变化剩磁变化放音：剩磁变化放音：剩磁变化磁通变化磁通变化感应电流感应电流声音声音图像图像消音：高频等幅振荡消音：高频等幅振荡气隙宽度：气隙宽度： m53 计算机用的是二进制，也就是计算机用的是二进制，也就是0与与1。

12、 硬盘就是采用磁性物质记录信息的，磁盘上的磁性硬盘就是采用磁性物质记录信息的，磁盘上的磁性物质被磁化了就表示物质被磁化了就表示1，未被磁化就表示，未被磁化就表示0，所以磁盘断，所以磁盘断电后依然能保存数据。电后依然能保存数据。 而内存的储存用而内存的储存用RAM芯片。这个储存空间极小，只芯片。这个储存空间极小，只能储存电子。一旦内存断电，电子失去了电源，就会露能储存电子。一旦内存断电，电子失去了电源，就会露出它乱杂无章的本分，逃离出内存的空间去，所以，内出它乱杂无章的本分，逃离出内存的空间去，所以，内存断电就不能保存数据了。存断电就不能保存数据了。 U盘里的储存芯片是盘里的储存芯片是Flash

13、芯片，它与芯片，它与RAM芯片的工芯片的工作原理相似但不同，作原理相似但不同，Flash芯片工作通电了，电子把里面芯片工作通电了，电子把里面的物质改变了性质，当的物质改变了性质，当Flash芯片断电后，物质的性质不芯片断电后，物质的性质不会改变了，除非你通电擦除。会改变了，除非你通电擦除。Flash芯片通电查看储存的芯片通电查看储存的信息时信息时简单磁路简单磁路I无铁心无铁心有铁心有铁心0LlH drHdrH drNI0HlHN I00rBlBNI l0BB000rBBlNI 0rN IBlBS00rlN ISS 磁通磁通磁阻磁阻磁动势磁动势磁路欧姆定律磁路欧姆定律 第九章第九章 电磁相互作用

14、和稳恒磁场电磁相互作用和稳恒磁场实验实验BvqFm以此式定义以此式定义 B实验实验 比奥比奥 萨伐尔定理萨伐尔定理rlIdrBd304rVrQB304BvqEqF1、体系：、体系： 非相对论体系：非相对论体系： 现象：现象： 电流周围有磁场电流周围有磁场 运动电荷在磁场中受力运动电荷在磁场中受力EVvcqEqF2VvqQ匀速运动匀速运动 电荷电荷 既激发电场又激发磁场既激发电场又激发磁场QVEVcB21rVrQB304Vc电场电场磁场磁场洛仑兹力服从相对论洛仑兹力服从相对论QqEVcB21BvqEqFrrqE2322302sin141令令（基本要求）（基本要求）（进一步要求）（进一步要求）相对

15、论体系相对论体系运动电荷运动电荷 间的作用力间的作用力 ； 受力受力 q应用范围应用范围Vc实验实验 安培定理安培定理BlIdFmBvqFmq 受力受力EqFeBvqFm电流元电流元 将将 lIdlIdQVqv,产生的磁场产生的磁场rlIdrBd304在磁场中受力在磁场中受力BlIdFmlIdlIdBvqEqFrVrQB3042、恒稳电流、恒稳电流 （基本要求）（基本要求）0Ssdj0 jEj 2Ep电流密度电流密度unqj恒稳电流的条件：电流连续性方程恒稳电流的条件：电流连续性方程欧姆定律的微分形式欧姆定律的微分形式焦耳定律的微分形式焦耳定律的微分形式电源电动势电源电动势l dEEK静3，利

16、用比奥，利用比奥-萨伐定律计算磁感强度萨伐定律计算磁感强度 （基本要求）基本要求）B（1）直线电流的磁场）直线电流的磁场21a0plIdr210coscos4aIBP点的磁感强度点的磁感强度 ；B方向方向大小大小（2）园电流轴线上的磁场）园电流轴线上的磁场IRxB30sin2RIB （3）长直密绕螺线管轴线上的磁场）长直密绕螺线管轴线上的磁场nIB0 nIB0214，磁场的性质，磁场的性质方法：方法：（1）首先找一个描述磁场中各点性质的物理量，这个物理量就）首先找一个描述磁场中各点性质的物理量，这个物理量就 是磁感强度是磁感强度 ，利用比奥，利用比奥萨伐定理可以计算出各点的萨伐定理可以计算出各

17、点的BB （2）研究）研究 的通量，寻找场的源头的通量，寻找场的源头B0 )(SSdB高斯定理高斯定理磁场是无源场磁场是无源场（3）研究）研究 的环量，判断磁场是否有旋涡的环量，判断磁场是否有旋涡B安培环路定理安培环路定理)(0包围lilIldB0 BjB0磁场是有旋场磁场是有旋场rIB20nIB0rNIB20会用安培环路定理计算会用安培环路定理计算 ； （1）无限长直电流的磁场）无限长直电流的磁场 （2）长直载流密绕螺线管内的磁场）长直载流密绕螺线管内的磁场 （3）载流螺绕环内的磁场）载流螺绕环内的磁场B5，磁场对对运动电荷、电流的作用及应用（基本要求），磁场对对运动电荷、电流的作用及应用（基本要求）（1）BvqFm在均匀磁场中，带电粒子一般作螺旋运动在均匀磁场中，带电粒子一般作螺旋运动qBmvRsin螺距螺距qBmvhcos2在非均匀磁场中；在非均匀磁场中； 磁镜磁镜 磁瓶磁瓶其它重要应用：霍耳效应其它重要应用：霍耳效应（2） （安培定律）（安培定律）BlIdFd 半径半径电流元间相互作用电流元间相互作用312121122021)(4rrldIldIFd磁场对载流线圈的作用磁场对载流线圈的作用BmMNIsm 其中其中磁力和磁力距的功磁力和磁力距