大学物理教程 ch10-5

1、?第三篇第三篇 相互作用和场相互作用和场第十章第十章 运动电荷间的相互作用和稳恒磁场运动电荷间的相互作用和稳恒磁场二二 . . 载流导线所受磁场力载流导线所受磁场力一一 . . 运动电荷所受磁场力运动电荷所受磁场力三三 . . 载流线圈所受磁力矩载流线圈所受磁力矩 10.4 10.4 磁场对运动电荷及电流的作用磁场对运动电荷及电流的作用( (续续) )四四 . . 磁力的功磁力的功mISBIaaBIlaaFA IS FBlaa mIBSIBISMA d)cosd( dsindd mIAA d（ 为恒量）为恒量）IBI mFmFmP sinsinBISBPMm 使使 磁力的功磁力的功 = =电流

2、强度电流强度 穿过回路磁通量增量穿过回路磁通量增量 = =电流强度电流强度 载流导线切割磁力线条数载流导线切割磁力线条数 推广：推广：练习：练习： p 312 10.23 BAICDa4501 A)242135cos)2IBaIBSA 物质物质 分子，原子中均存在运动电荷分子，原子中均存在运动电荷磁场磁场相互作用相互作用物质物质 磁介质磁介质顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质铁磁质铁磁质与电介质类比与电介质类比 10.5 10.5 顺磁质和抗磁质顺磁质和抗磁质电介质电介质磁介质磁介质分子分子模型模型电偶极子电偶极子分子电流：分子电流：分子中所有原子（电子，原子核）分子中所有原子（电子，原子核）固固 有有

3、 磁磁 矩矩 的的 等等 效效 电电 流流比较（比较（电介质与磁介质电介质与磁介质）顺磁质顺磁质顺磁质顺磁质0 mp0 mp,抗磁质抗磁质0 mp0 mp,抗磁质抗磁质极化极化磁化磁化有极分子有极分子电电 介介 质质无极分子无极分子电电 介介 质质0 ep0 ep,0 ep0 ep, 有极分子有极分子无极分子无极分子电介质电介质磁介质磁介质外场中外场中无外场无外场比较比较抗磁质：抗磁质：相当于图中两相当于图中两种情况叠加，种情况叠加，仍产生与仍产生与 反反向的附加磁矩向的附加磁矩0B外场外场 中：磁介质的磁化中：磁介质的磁化0B以以顺磁质顺磁质为例：在为例：在 作用下作用下0BpMm （2 2

4、）产生与产生与 反向的附加磁矩反向的附加磁矩mp 0B（1 1） 转向转向 方向方向mp0BLmp LmpmF0B旋进旋进0Bmpmp LmFL旋进旋进宏观效果宏观效果1 .1 .介质中总磁矩不为零介质中总磁矩不为零与与 反向反向抗磁质抗磁质0 mp0B0BmP 与与 同向同向顺磁质顺磁质 mp mp0 mp0B0BmP mP mPmPmP mP mPmP2 .2 .介质表面出现磁化电流介质表面出现磁化电流抗磁质抗磁质0BsILS0BsI顺磁质顺磁质0BLS0BsIsI电介质电介质磁介质磁介质与场相互与场相互作用机制作用机制描描 述述比较比较转向极化转向极化位移极化位移极化0 ep均产生与均产

5、生与 反向的附加磁矩反向的附加磁矩0Bmp 抗磁质：只有抗磁质：只有 mp顺磁质：转向顺磁质：转向 + 附加磁矩附加磁矩 mp mp mp极化强度：极化强度：极化电荷：极化电荷：VpPe nP 内）内）（SsqSPd磁化强度：磁化强度：VppMmm VpMm 抗磁质：抗磁质：与与 反向反向0BVpMm 顺磁质：顺磁质：与与 同向同向0B磁化电流：磁化电流： ）（穿穿过过 LsLIlMdMjs 磁化强度与磁化电流的关系：磁化强度与磁化电流的关系：njLSnSIVppMssmm 由磁化强度定义：由磁化强度定义：磁化电流磁化电流的线密度的线密度以抗磁质为例以抗磁质为例0BsILS0BsIn ）（穿穿

6、过过 LssLIljMllMdLl 电介质电介质磁介质磁介质介质中介质中的的 场场基本规律基本规律00 ) .(EEEqPE 电位移矢量：电位移矢量：PED 0 内内）（SsqSD0d介质中的高斯定理：介质中的高斯定理：00 )(BBBjIMBss 磁场强度磁场强度:MBH 0 ）（穿穿过过 LLIlH0d介质中的安培环路定理介质中的安培环路定理:磁场强度磁场强度 的引入的引入H令令MBH 0 磁场强度磁场强度与空间与空间 均有关均有关 . .sI,I 0由安培环路定理：由安培环路定理： 内内）（LLIlMB00d)( 内内）（LLIlB0d 内内）（LsII)(00 )d(00 LlMI 传

7、导电流传导电流 磁化电流磁化电流 内内）（LLIlH0d介质中的安培环路定理介质中的安培环路定理只与穿过只与穿过 L的传导电流代数和有关的传导电流代数和有关 . .各向同性磁介质实验规律：各向同性磁介质实验规律：HMm 磁化率磁化率HHHMHBrm )1( )(000由由MBH 0 1 r 顺磁质顺磁质1 r 非常数，铁磁质非常数，铁磁质H0 oB451 r 抗磁质抗磁质1 r mr 1介质相对磁导率介质相对磁导率r 0 介质磁导率介质磁导率真空磁导率真空磁导率0 电介质电介质磁介质磁介质其它对应其它对应关关 系系求解思路求解思路比较比较EPe0 er 1EDr 0 HMm mr 1HBr 0

8、 D（1）对称性分析，）对称性分析， 选高斯面选高斯面（2）由）由 求求 内内）（SsqSD0d（3）由）由 求求rDE 0 E（1）对称性分析，选安培环路）对称性分析，选安培环路（2）由）由 求求H ）（穿穿过过LLIlH0dB（3）由）由 求求HBr 0 例例 P P 312 10-24已知：已知：正方形截面螺绕环正方形截面螺绕环求：求：) (21mINRR ? r NIrHlHL 2d rNIH 2 rNIBr 20 Sdr 1R12RR 2R2R1RNoI解：解：对称性分析对称性分析 选如图同心圆环为安培环路选如图同心圆环为安培环路LrSdr 1R12RR 2R2R1RNoILr 21

9、dRRsmSB rRRrNIr)d(2120 12120)ln(2RRRRNIr 12120)ln(2RRRRNImr 代入数据：代入数据：m102 , m102221 RR A10 , 200.IN Wb1065 m 2160 r 得：得： 很大且与很大且与 有关，非常数，说明该磁介质非顺磁有关，非常数，说明该磁介质非顺磁质，也非抗磁质，而是铁磁质质，也非抗磁质，而是铁磁质 . .r I 10.6 10.6 铁磁质铁磁质高高 值值非线性非线性 磁滞回线磁滞回线居里点居里点 磁畴理论磁畴理论 要点：要点：1 r 顺磁质顺磁质1 r 非常数，铁磁质非常数，铁磁质H0 oB451 r 抗磁质抗磁质

10、1 r 一、磁化曲线一、磁化曲线1.1.实验装置实验装置（励磁电流励磁电流I I ）测测B B内部：内部：nIrNIH 2改变改变I，测，测 H，B，HBMHBr 00; 曲曲线线作作HB,H,HMr 饱和磁化强度：饱和磁化强度：sM起始磁化曲线：起始磁化曲线：OS曲曲线线HM Ho oSMSMSH曲线曲线Hr 起始磁化曲线：起始磁化曲线：OS当外磁场减小时，介质中的磁当外磁场减小时，介质中的磁场并不沿起始磁化曲线返回，场并不沿起始磁化曲线返回，而是滞后于外磁场变化，而是滞后于外磁场变化， 磁滞现象。磁滞现象。曲曲线线HB 当外磁场为当外磁场为 0 时，介质中的时，介质中的磁场并不为磁场并不为

11、 0，有，有剩磁剩磁 Br ; B BHHo oS SB Br rHHc c使介质内部的磁场为使介质内部的磁场为 0，所加反向磁场，所加反向磁场 Hc 矫顽力矫顽力减小反向磁场，改变外磁场为正向磁场，不断增加外场，减小反向磁场，改变外磁场为正向磁场，不断增加外场，介质又达到正向磁饱和状态。介质又达到正向磁饱和状态。继续增加反向磁场，介质达到反向磁饱和状态；继续增加反向磁场，介质达到反向磁饱和状态；剩磁剩磁矫顽力矫顽力回线内面积正比于一次循环能量损耗回线内面积正比于一次循环能量损耗Hc 大大- 硬磁材料硬磁材料; Hc 小小 - 软磁材料软磁材料磁化曲线形成一条磁化曲线形成一条磁滞回线。磁滞回线

12、。软磁材料软磁材料 磁滞回线细长，剩磁很小。磁滞回线细长，剩磁很小。软铁、坡莫合金、硒钢片、铁铝合金、软铁、坡莫合金、硒钢片、铁铝合金、铁镍合金等。铁镍合金等。由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变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、电动机磁场中，如变压器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软磁性材料转子、定子都是用软磁性材料制成。制成。BHorBcHBHorBcH硬磁性材料硬磁性材料磁滞回线较粗胖，剩磁很大，磁滞回线较粗胖，剩磁很大，这种材料充磁后不易退磁，适合做永这种材料充磁后不易退磁，适合做永久磁铁。可用在磁电式电表、永磁扬久磁铁。可用在磁电式电表、永磁扬声器

13、、耳机以及雷达中的磁控管等。声器、耳机以及雷达中的磁控管等。如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。非金属氧化物非金属氧化物-铁氧体铁氧体 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等粉末混合等粉末混合烧结而成。烧结而成。可作磁性记忆元件。可作磁性记忆元件。磁滞回线呈矩形，又称矩磁材料，磁滞回线呈矩形，又称矩磁材料，剩磁接近于磁饱合磁感应强度，具剩磁接近于磁饱合磁感应强度，具有高磁导率、高电阻率。有高磁导率、高电阻率。BHorBcH二、铁磁介质的磁化机制二、铁磁介质的磁化机制1.1.磁畴磁畴 铁磁质中由于原子的强烈作用，在铁磁质中形

14、铁磁质中由于原子的强烈作用，在铁磁质中形成磁场很强的小区域成磁场很强的小区域 磁畴。磁畴的体积约磁畴。磁畴的体积约为为 10-12 10-8 m3 ，包含，包含1017 1021 个原子。个原子。不同材料中磁畴线度不同（微米毫不同材料中磁畴线度不同（微米毫米量级）米量级）可以用粉纹法、磁光法可以用粉纹法、磁光法观测观测未磁化时：未磁化时：各磁畴杂乱无章各磁畴杂乱无章排列，整体对外不显磁性。排列，整体对外不显磁性。外加磁场：外加磁场：磁畴边界慢慢移动，与外磁场顺排的磁畴边界磁畴边界慢慢移动，与外磁场顺排的磁畴边界扩大，反之则缩小。扩大，反之则缩小。HHHH随着外磁场增加，能够提供转向的磁畴越来越

15、少，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，铁磁质中的磁场增加的速度变慢，最后，磁畴磁畴转向转向全部完成，外磁场再增加，介质内的磁场也不会增全部完成，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。加，铁磁质达到磁饱和状态。由于磁化过程中磁畴转向做功，在铁磁质充磁过程中由于磁化过程中磁畴转向做功，在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。伴随着发声、发热。磁滞现象：撤去外场，畴壁很难完全恢复原状，保磁滞现象：撤去外场，畴壁很难完全恢复原状，保存某些规则排列，保留部分磁性，即剩磁。存某些规则排列，保留部分磁性，即剩磁。居里温度：居里温度：当铁磁质的温

16、度升高到某一温度时，磁当铁磁质的温度升高到某一温度时，磁性消失，由铁磁质变为顺磁质，该温度为居里温度性消失，由铁磁质变为顺磁质，该温度为居里温度 tc 。当温度低于。当温度低于 tc 时，又由顺磁质转变为铁磁质。时，又由顺磁质转变为铁磁质。原因：由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧，原因：由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧，使磁畴瓦解，铁磁质失去磁性。使磁畴瓦解，铁磁质失去磁性。铁的居里温度：铁的居里温度： tc = 770C；30%的坡莫合金居里温度：的坡莫合金居里温度： tc = 70C；纯镍的居里温度：纯镍的居里温度： tc = 358C； 利用铁磁质具有居里温度的特点，可将其制作温利用铁磁质具有居里温度的特点，可将其制作温控元件，如电饭锅自动控温。控元件，如电饭锅自动控温。）温温度度：双双金金属属片片恒恒温温器器（动动作作断断开开，不不能能自自动动复复位位）（常常闭闭式式，磁磁钢钢限限温温器器保保温温开开关关；煮煮饭饭