大学物理磁场中的磁介质

1、 能影响磁场的物质能影响磁场的物质叫磁介质。叫磁介质。磁场中放入磁介质磁场中放入磁介质磁介质发生磁化磁介质发生磁化产生附加磁场产生附加磁场 B BNSB BoB BB B0BBr r 相对磁导率相对磁导率真空中真空中 r =1NSB BoB BB BB Bo 外场外场B B 附加场附加场B B磁介质中的场磁介质中的场B = BB = Bo + + B B B Bo如金属铝、锰、铬等。如金属铝、锰、铬等。. .顺磁介质顺磁介质 r 1抗磁介质抗磁介质NSB BoB BB BB Bo 外场外场B B 附加场附加场B B磁介质中的场磁介质中的场B = BB = Bo + + B B B Bo如金属金

2、、银、铜等。如金属金、银、铜等。0 0 r r 1 B Bo如金属钢、铁、钴、镍等。如金属钢、铁、钴、镍等。 r r 1 1nmeISp 等效电流等效电流reveI 22 ISpmrev 22r 2evr vrmLe Lmepem2 则则电子轨道角动量电子轨道角动量磁介质是由大量分子或原子组成，磁介质是由大量分子或原子组成，分子内电子绕核旋转分子内电子绕核旋转分子电流分子电流 I I分子磁矩分子磁矩磁力矩对电子旋转的角动量的影响磁力矩对电子旋转的角动量的影响进动进动. .分子电流分子电流, ,分子磁矩分子磁矩 mP对载流线圈在磁场中运动规律的回顾对载流线圈在磁场中运动规律的回顾. .BL0LL

3、mPL-e-emPLmPmP进动相当于进动相当于( (等效等效) )圆电流圆电流, ,B( (电子的轨道运动电子的轨道运动) )其附加磁矩总是与外磁场方向相反其附加磁矩总是与外磁场方向相反. . MMBPMm MM在磁场中在磁场中分子磁矩趋于磁场方向排列分子磁矩趋于磁场方向排列, ,虽存在热运动虽存在热运动干扰干扰. .顺磁性物质分子固有磁矩顺磁性物质分子固有磁矩 不为零不为零. .mP0 mP无磁场时无磁场时分子热运动导致磁矩无序排列分子热运动导致磁矩无序排列, ,固有磁矩总固有磁矩总和为零和为零. .B Bo从导体横截面看，导体内部分从导体横截面看，导体内部分子电流两两反向，相互抵消。子电

4、流两两反向，相互抵消。导体边缘分子电流同向。导体边缘分子电流同向。分子电流可等效成磁介分子电流可等效成磁介质表面的磁化电流质表面的磁化电流 I Is s， I Is s产生附加磁场产生附加磁场 BB。I Is sB Bo B BoB BB = BB = Bo + + B B B Bo磁化电流束缚在介质表面上，磁化电流也称为磁化电流束缚在介质表面上，磁化电流也称为束缚电流。束缚电流。提示提示: :请比较静电场中有极和无极性分子电介质的极化请比较静电场中有极和无极性分子电介质的极化. .顺磁性物质的附加磁场不为零顺磁性物质的附加磁场不为零, ,且与外磁场且与外磁场同方向同方向, ,因此因此: :0

5、 mP无外磁场时，无外磁场时，各电子的磁矩矢量和为各电子的磁矩矢量和为 0 0，分子不显磁性。，分子不显磁性。磁场引起分子的进动磁场引起分子的进动, ,其附加磁矩总是其附加磁矩总是与外磁场方向相反与外磁场方向相反. .BmPL-e-emPLmPmPB MMMMB B0 0以以外外磁磁场场方方向向为为正正）(0 mP. .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，电子附加磁矩， 顺磁效应顺磁效应 抗磁效应抗磁效应imimPP . .抗磁介质中：电子附加磁矩起主要作用，抗磁介质中：电子附加磁矩起主要作用， 显抗磁性显抗磁性0, 0 imimPP . .抗磁性是一切磁介质固有的特性

6、，它不仅存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；在于抗磁介质中，也存在于顺磁介质中；单位体积内分子固有磁矩与附加磁矩的矢量和单位体积内分子固有磁矩与附加磁矩的矢量和. . VPPMmm 的的单位单位: :A/mMMBMrr 01 顺磁质和抗磁质的磁化强度都随外磁场的增强而增大。顺磁质和抗磁质的磁化强度都随外磁场的增强而增大。 r 相对磁导率相对磁导率MlABMlMlMBAL dd过介质表面内外做环路过介质表面内外做环路ABCD,求求M的环流的环流ABCDlMjM 注注意意到到：IljlML d所所以以有有：设均匀磁化圆柱形介质单位长的设均匀磁化圆柱形介质单

7、位长的面电流面电流为为j jSljISPm 则长为则长为l 的介质表面电流为的介质表面电流为VPMm I=lj jSllSj j 均匀磁化形成面电流均匀磁化形成面电流, ,称为称为安培安培表面表面电流电流或或磁化磁化面面电流电流. .磁化面电流磁化面电流磁化强度磁化强度闭合路径所包围的总束缚电流等于磁化强度沿该闭合路径的环流闭合路径所包围的总束缚电流等于磁化强度沿该闭合路径的环流考虑到介质的考虑到介质的磁化电流磁化电流有有: : IlHLd iiLIlBd0 有介质时的环路定理有介质时的环路定理: : iiLIlMBd)(0 引入引入磁场强度磁场强度: :MBH 0 磁场强度磁场强度H的单位与

8、磁化强度的单位与磁化强度M相同相同, , A/m LiilMId00 I 传导传导HHBBB 0磁场强度的关系式磁场强度的关系式在各向同性的磁介质中在各向同性的磁介质中, ,点点对应，方向相同点点对应，方向相同MBH 0 物理意义：物理意义：BMrr 01 因因rBH 0 所所以以r 0 BH 则则磁导率磁导率沿任一闭合路径磁场强度的环流等于该沿任一闭合路径磁场强度的环流等于该闭合路径所包围的自由电流的代数和。闭合路径所包围的自由电流的代数和。 IlHLd传导传导电介质中的高斯定理电介质中的高斯定理磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理SSqqSdE)(100LLLiIl dB00l d

9、MIl dBLLL00LLIl dMB)(0MBHdef0LLIl dHSSSSdPqSdE00011SSqSdPE00)(PEDdef0 sSqSdD0EDe0)1 (EEDr0 之间的关系：之间的关系：EDP、)1 (erEPe0HMm 之之间的关系间的关系MHB,MBHdef0PEDdef0HBm)1 (0)1 (mrHHBr0其中其中 m m为磁介质的磁化率为磁介质的磁化率其中其中 为介质的电极化率为介质的电极化率. .e真空磁导率真空磁导率 介电常数介电常数 : :密绕的螺绕环内充满均匀介质，密绕的螺绕环内充满均匀介质，根据均匀介质中根据均匀介质中 B=H , 所以所以:rNIB 2

10、 R1R2r螺绕环如图螺绕环如图, ,已知已知 I、N、 R1 、 R2. .解解:分析磁场的分布特点分析磁场的分布特点,取同心圆取同心圆形回路形回路L,半径半径 R1 r B0 . .( (2)其磁化强度其磁化强度M和磁感应强度和磁感应强度B不一定同方向不一定同方向,也不一也不一 定成正比定成正比,(3)其磁化强度其磁化强度M随外加磁场而变随外加磁场而变,其变化滞后于外其变化滞后于外加加磁场磁场, ,外外磁场撤去磁场撤去, ,铁磁质仍会保留部分磁性（铁磁质仍会保留部分磁性（剩磁剩磁）.(4)一定的铁磁质存在某个临界温度一定的铁磁质存在某个临界温度( (居里点居里点) ), 材料的材料的磁磁性

11、发生突变性发生突变, ,温度高于居里点温度高于居里点, ,铁磁性消失铁磁性消失, ,成为顺磁质成为顺磁质.不同磁介质的磁化曲线是不同的，不同磁介质的磁化曲线是不同的，45抗磁介质抗磁介质铁磁介质铁磁介质顺磁介质顺磁介质B)(00BHoHB0r 磁畴磁畴 铁磁质中由于原子的强烈铁磁质中由于原子的强烈作用，在铁磁质中形成磁场很强作用，在铁磁质中形成磁场很强的小区域的小区域 磁畴。磁畴的体磁畴。磁畴的体积约为积约为 10-12 m3 。无外磁场无外磁场时：各磁畴排列杂乱无章，铁磁质不显磁性；时：各磁畴排列杂乱无章，铁磁质不显磁性；B Bo在在外磁场外磁场中：各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场迅中：各磁

12、畴沿外场转向，介质内部的磁场迅速增加，在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。速增加，在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。随着外磁场增加，能够提供转向的磁畴越来越少，铁随着外磁场增加，能够提供转向的磁畴越来越少，铁磁质中的磁场增加的速度变慢，最后外磁场再增加，磁质中的磁场增加的速度变慢，最后外磁场再增加，介质内的磁场也不会增加，铁磁质达到磁饱和状态。介质内的磁场也不会增加，铁磁质达到磁饱和状态。磁饱和状态磁饱和状态HBoabcd起始磁化曲线起始磁化曲线 当外磁场增加时，当外磁场增加时，起始磁化曲线为起始磁化曲线为 oc。BHoc当外磁场减小时，介质当外磁场减小时，介质中的磁场并不沿起始磁中的磁场并

13、不沿起始磁化曲线返回，而是滞后化曲线返回，而是滞后于外磁场变化，于外磁场变化， 磁滞现象。磁滞现象。对铁磁材料磁化和退磁得对铁磁材料磁化和退磁得磁滞回线磁滞回线. .当外磁场为当外磁场为 0 0 时，介时，介质中的磁场并不为质中的磁场并不为 0 0，有一有一剩磁剩磁 Br ; ; BrHcBHoc矫顽力矫顽力加反向磁场加反向磁场Hc，使介质内部的磁场，使介质内部的磁场为为 0 0，继续增加反向磁场，介继续增加反向磁场，介质达到反向磁饱和状态；质达到反向磁饱和状态；Br-HcBHoc改变外磁场为正向磁改变外磁场为正向磁场，不断增加外场，场，不断增加外场，介质又达到正向磁饱介质又达到正向磁饱和状态

14、。和状态。磁化曲线形成一条磁化曲线形成一条磁磁滞回线。滞回线。Hc铁磁材料的磁化和退磁铁磁材料的磁化和退磁 磁滞回线细长，磁滞回线细长，娇顽力娇顽力H Hc c小小, ,磁滞损耗低磁滞损耗低, ,容易退磁，适于制作电容易退磁，适于制作电磁铁磁铁. . 象软铁、硒钢片、铁铝合金、铁镍合金等。象软铁、硒钢片、铁铝合金、铁镍合金等。 由于软磁材料磁滞损耗小，适合用由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如变压器铁芯、继电器、在交变磁场中，如变压器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软磁性材料制成。电动机转子、定子都是用软磁性材料制成。OHBHC 磁滞回线较粗，磁滞回线较粗，娇顽娇顽力力Hc大大,

15、 ,剩磁很大，这种剩磁很大，这种材料充磁后不易退磁，适材料充磁后不易退磁，适合做永久磁铁。合做永久磁铁。 如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。 可用在磁电式电表、永磁扬声器、耳机以及雷达可用在磁电式电表、永磁扬声器、耳机以及雷达中的磁控管等。中的磁控管等。OHBHC-HC 磁滞回线呈矩形，又称磁滞回线呈矩形，又称矩磁材料，剩磁接近于磁饱矩磁材料，剩磁接近于磁饱合磁感应强度，具有高磁导合磁感应强度，具有高磁导率、高电阻率。率、高电阻率。BHo 它是由它是由Fe2O3和其他二价的金属和其他二价的金属氧化物（如氧化物（如NiO，ZnO等等) )粉末混合粉末混合烧结而成。烧结而成。

16、 可作磁性记忆和存储元件。可作磁性记忆和存储元件。3 3、铁磁介质：产生磁效应的原因、铁磁介质：产生磁效应的原因 磁畴磁畴1 1、顺磁介质：产生磁效应的主要原因、顺磁介质：产生磁效应的主要原因 分子的固有磁矩分子的固有磁矩2 2、抗磁介质：产生磁效应的唯一原因、抗磁介质：产生磁效应的唯一原因 分子的附加磁矩分子的附加磁矩 磁介质磁介质1. .定义：定义：Vpim M2. .单位：单位：A/mA/m3. .方向：方向：与分子磁矩矢量和同向。与分子磁矩矢量和同向。. .真空中真空中 M M = 0= 0 ；. .无外磁场无外磁场 B Bo 时，介质中时，介质中 M M = 0= 0 LIjsssj

17、M isIl dMLI Ic cI Is s闭合路径所包围的总束缚电流等于磁化强度沿该闭合路径的环流闭合路径所包围的总束缚电流等于磁化强度沿该闭合路径的环流icIl d H )(B0isicIIl d MBH0 HB0r HMm mr 1 m m 磁介质的磁化率磁介质的磁化率沿任一闭合路径磁场强度的环沿任一闭合路径磁场强度的环流等于该闭合路径所包围的自流等于该闭合路径所包围的自由电流的代数和。由电流的代数和。顺磁介质：顺磁介质： r r 1; 1; 0 m 01 m 0 m 抗磁介质抗磁介质: : 0 0 r r 1;11；45抗磁介质抗磁介质铁磁介质铁磁介质顺磁介质顺磁介质B)(00BHoHB0r a）软磁材料）软磁材料b）硬磁材料）硬磁材料HBHBHBc）矩磁铁氧体材料）矩磁铁氧体材料磁滞回线磁滞回线如图如图: : F=BIl磁通量磁通量: :=BIS（dcos ）A=Fs= BI lAA开始开始 0=BlAD, 做功做功 nF.F 如图如图: :可见可见: :做功做功n. dIAdA=- -Md = B