第12章 介质中的磁性

1、第三篇第三篇电磁学第第1212章章 介质中的磁性介质中的磁性第第12章章 介质中的磁性介质中的磁性Magnetism in Matter第第1节节 顺磁性与抗磁性顺磁性与抗磁性第第2节节 磁化强度与介质磁化强度与介质 的磁化规律的磁化规律第第1节节 顺磁性与抗磁性顺磁性与抗磁性Paramagnetism and Diamagnetism0rBB 一、磁介质的磁效应一、磁介质的磁效应定义定义:1.磁介质的分类磁介质的分类0BBB 相对磁导率相对磁导率0EEE B 电介质的电介质的极化极化E 0E 0B B 0B 0BBB 磁介质的磁介质的磁化：磁化：0E E 0BB 0BB 相对介电常数相对介电

2、常数0rEE 1顺磁质顺磁质1 r 如：氧、铝、钨、铂、铬等如：氧、铝、钨、铂、铬等如：氮、水、铜、银、金、铋等如：氮、水、铜、银、金、铋等如：铁、钴、镍等如：铁、钴、镍等 r 不同的磁介质在磁场中所表现出的特性不同：不同的磁介质在磁场中所表现出的特性不同：抗磁质抗磁质1 r 铁磁质铁磁质1 r 注：注：顺、抗磁质是弱磁性材料顺、抗磁质是弱磁性材料 铁磁质是强磁性材料铁磁质是强磁性材料20rBB 2.物质的磁性起源物质的磁性起源（1）分子磁矩分子磁矩分子中电子的运动分子中电子的运动绕核运动绕核运动电流环电流环轨道磁矩轨道磁矩自旋运动自旋运动自旋磁矩自旋磁矩 自自nIS 轨轨 两种运动磁效应的总

3、和两种运动磁效应的总和等效等效 分子分子圆电流圆电流 自自轨轨分分子子 *分子的分子的 “固有磁矩固有磁矩”- +)(mp3 类似电介质的讨论，从物质微观电结构来类似电介质的讨论，从物质微观电结构来说明物质磁性的起源。说明物质磁性的起源。 分子电流所对应的磁矩在外磁场中的行为分子电流所对应的磁矩在外磁场中的行为决定介质的特性。决定介质的特性。*分子的分子的 “附加磁矩附加磁矩” zLW W陀螺陀螺进动进动0B L 0B L 电子的进动电子的进动 0B 4mMpB ii 分分子子附加磁矩附加磁矩（2） 顺磁、抗磁特性的微观解释顺磁、抗磁特性的微观解释1 顺磁性顺磁性00B 0 i 0B 0B 分

4、分子子B I 0B 磁化面电流磁化面电流*B0 强，强，温度越低（温度越低（热运动缓慢热运动缓慢）排排列列越越整整齐齐分分子子 , 磁化面电流越大磁化面电流越大, 磁化越厉害。磁化越厉害。0B 0 分分子子NS 分分子子分分子子注：注：*在有外场时，在有外场时，是顺磁质产生磁效应的主要原因是顺磁质产生磁效应的主要原因分子固有磁矩分子固有磁矩 5I0B2 抗磁性抗磁性0 分分子子电子附加一个磁矩电子附加一个磁矩i 分分子子 0B B 00B 0 i 当没有外磁场时当没有外磁场时附加磁矩附加磁矩 是抗磁质产生磁效应唯一的原因是抗磁质产生磁效应唯一的原因 当有外磁场时当有外磁场时0BI0B 分分子子

5、 与与 方向永远相反方向永远相反0BB 与与 方向也相反方向也相反, 所以抗磁体内所以抗磁体内0BB 注注表面分子磁化电流不是自由电荷定向运动形成表面分子磁化电流不是自由电荷定向运动形成！6不显磁性不显磁性电子磁矩完全抵消电子磁矩完全抵消,固有磁矩为零。固有磁矩为零。3 超导体的完全抗磁性超导体的完全抗磁性超导体：超导体：在临界温度以下在临界温度以下 电阻变为零。电阻变为零。将超导体放入外磁场中将超导体放入外磁场中体内体内 迈斯纳效应迈斯纳效应0 B0B 应用：应用：制成磁悬浮列车、制成磁悬浮列车、无摩擦轴承等。无摩擦轴承等。B NN70 B0B *顺磁性介质处在外磁场时顺磁性介质处在外磁场时

6、 其体内磁场：其体内磁场：0BBB 0B B 0BB *抗磁性介质处在外磁场时抗磁性介质处在外磁场时 其体内磁场：其体内磁场：0BBB 0B B 0BB 问：问：若将一磁介质放入磁场中，你如何若将一磁介质放入磁场中，你如何 判断该介质是顺磁还是抗磁介质？判断该介质是顺磁还是抗磁介质？NS小结：小结：8第第2节节 磁化强度与介质的磁化规律磁化强度与介质的磁化规律一、磁化强度矢量一、磁化强度矢量MMagnetization and Magnetizing Regularity of Materials0limiVMV 1.磁化强度矢量定义磁化强度矢量定义单位体积内分子单位体积内分子 磁矩的矢量和磁

7、矩的矢量和9为了表征物质的宏观磁性或介质的磁化程度，为了表征物质的宏观磁性或介质的磁化程度，引入物理量引入物理量磁化强度矢量。磁化强度矢量。单位：安培单位：安培/米米 (A/m)显然显然: 它与介质特性、温度与统计规律等有关它与介质特性、温度与统计规律等有关.顺磁质顺磁质 与与 同向，所以同向，所以 与与 同方向。同方向。M 0B 0B B 抗磁质抗磁质 与与 反向，所以反向，所以 与与 反方向。反方向。M 0B 0B B 2.磁化强度矢量磁化强度矢量 与磁化面电流与磁化面电流 I 的关系的关系 设长为设长为l, 横截面为横截面为S的柱形介质在外磁场中沿的柱形介质在外磁场中沿轴向被均匀磁化轴向

8、被均匀磁化, 表面束缚面电流为表面束缚面电流为I 。介质的体积为介质的体积为SlV V内的分子磁矩之和为内的分子磁矩之和为SI ii lI MMiMV I Sl S Il i面电流密度面电流密度ne niMe M磁化强度的环流磁化强度的环流i li iIlM l 更一般的证明为更一般的证明为LdLMl 比较电介质比较电介质P n 束缚电荷面密度束缚电荷面密度等于电极化强度等于电极化强度的法向分量。的法向分量。10M 二、磁介质中宏观磁场的规律二、磁介质中宏观磁场的规律1.有介质时的安培环路定理有介质时的安培环路定理dd000()iiLLiiBlBBlII 在有介质的空间，传导电流与磁化电流在有

9、介质的空间，传导电流与磁化电流共同产生磁场：共同产生磁场：d0()iLiBMlI 即即传导电流传导电流磁化电流磁化电流d00iLiIMl 0BHM 定义定义磁场强度磁场强度11diLiMlI 则有则有diLiHlI 有介质时的有介质时的 安培环路定理安培环路定理 单位单位: 安培安培/米（米（A/m） 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传导电流的代数和。闭合路径所包围的传导电流的代数和。2. 三矢量之间的关系三矢量之间的关系BMH、实验指出：实验指出：各向同性的线性磁介质有各向同性的线性磁介质有HMm m 介质磁化率介质磁化率0()BHM 那么

10、那么0(1)mH 0 rH mr 1其中其中HB 即即 m 与与 r 均为纯数均为纯数, 描述磁介质特性的物理量。描述磁介质特性的物理量。0r 0 m 1 r 顺磁介质顺磁介质0 m 1 r 抗磁介质抗磁介质0 m 1 r 真空真空1 m 0 r 超导体超导体120BHM 相对磁导率相对磁导率介质磁导率介质磁导率比较磁介质中的磁场与电介质中电场的有关规律比较磁介质中的磁场与电介质中电场的有关规律0BHM diLLHlI d0()iSSEPSq 0DEP diSSDSq d0()iiLLBlII d0()iLLBMlI d01()iiSSESqq 0(1)eDE0rDEE (1)re 0ePE

11、mMH 0(1)mBH (1)rm 0rBHH 13cbadH 例例1. 长直螺线管内充满均匀磁介质长直螺线管内充满均匀磁介质 r, 单位长度上单位长度上 上的匝数为上的匝数为n, 通有电流通有电流I 。 求求: 管内的管内的B, 磁化强度磁化强度M及表面束缚电流密度及表面束缚电流密度i 。解：解：IabnHab HnI 0rBH mMH HMm 顺磁质顺磁质，1 r 抗磁质抗磁质, 1 r nI nIr) 1( M B I根据安培环路定理，取图示的回路，根据安培环路定理，取图示的回路，. .14diLLHlI (1)rinI 则有则有又又niMe iI /iI 对称场有磁介质时对称场有磁介质

12、时,只需将只需将 “B” 中中 的的 0 即可。即可。解题一般步骤解题一般步骤由由I传传HBMHB HMm 15注：毕毕萨定律有萨定律有真空真空d0024rI leBr d24rI leBr 介质空间介质空间例：例：无限长载流直导线的磁场无限长载流直导线的磁场02IBr 无限长直导线周围充满介质时无限长直导线周围充满介质时2IBr i niM e diLiHlI 解解: 设螺绕环设螺绕环通通有有电流电流 I0, 单位单位 长度上的匝数为长度上的匝数为n.diLLHlI 02 rHNI 0HnI 000BnI 又空心螺绕环的磁感应强度又空心螺绕环的磁感应强度00BH 0BHM 0000BHMBM

13、 例例2.已知空心螺绕环的磁感应强度为已知空心螺绕环的磁感应强度为 , 充满磁介充满磁介 质后质后,介质的磁化强度为介质的磁化强度为 ,求螺绕环内的磁感求螺绕环内的磁感 应强度应强度 = ?M B 0B . . . .or 如图如图取取平均半径平均半径r的同的同心圆为积分环路心圆为积分环路L, 则则L而而161.磁化曲线磁化曲线装置装置：环形螺绕环，用铁磁质环形螺绕环，用铁磁质 充满环内空间充满环内空间,并被磁化。并被磁化。2NIHR 用高斯计测量螺绕环磁隙用高斯计测量螺绕环磁隙处处的的BHr 00rBBBH 由由（1）铁磁质的）铁磁质的 r不是个常数不是个常数, 它是它是H 的函数。的函数。

14、三、三、铁磁质的磁效应铁磁质的磁效应原理：原理：根据安培定理根据安培定理, 由传导由传导 电流得环内的磁场电流得环内的磁场IHr 得出得出曲线曲线17结论结论. . . .铁铁磁磁质质R高斯计高斯计B的变化落后于的变化落后于H, 从而具有从而具有剩磁剩磁磁滞效应磁滞效应每个每个H 对应不同的对应不同的B与磁化的历史有关。与磁化的历史有关。1 起始磁化曲线起始磁化曲线3 剩磁剩磁Br2 饱和磁感应强度饱和磁感应强度BS4 矫顽力矫顽力HC（2）磁滞回线）磁滞回线（3）在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高）在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高 磁滞损耗磁滞损耗BrBCH HsB磁滞损耗磁滞损耗

15、与与磁滞回线磁滞回线所包围的面积成正比。所包围的面积成正比。sB 18铁磁体在交变场的作用下形状会随之变化铁磁体在交变场的作用下形状会随之变化 磁致伸缩磁致伸缩（4）当温度升高到一定程度时，每种铁磁介质的当温度升高到一定程度时，每种铁磁介质的 高磁导率、磁滞、磁致伸缩等特性全部消失，高磁导率、磁滞、磁致伸缩等特性全部消失， 而变为顺磁性。而变为顺磁性。如：铁为如：铁为 1040K，钴为，钴为 1390K， 镍为镍为 630K不同铁磁质具有不同的转变温度不同铁磁质具有不同的转变温度(相变温度相变温度Tc) 这个转变温度叫这个转变温度叫临界温度临界温度或称或称居里点居里点2.常见的几种常见的几种铁

16、磁质铁磁质（1）软磁材料）软磁材料 r大大，CH CH特点特点：矫顽力矫顽力(HC)小；小；易磁化、易退磁易磁化、易退磁BH 如如: :纯铁、纯铁、 硅钢硅钢磁滞回线的面积窄而长磁滞回线的面积窄而长损耗小（损耗小（HB面积小）面积小） 适用于变压器、继电器、电机、以及各种适用于变压器、继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。高频电磁元件的磁芯、磁棒。19（2） 硬磁材料硬磁材料钨钢、碳钢、钨钢、碳钢、矫顽力矫顽力(HC)大大剩磁剩磁Br大大磁滞回线的面积大磁滞回线的面积大适合做电子仪表、耳机、扬声器中的永久磁铁适合做电子仪表、耳机、扬声器中的永久磁铁20BHCH CH特点：特点：如：如

17、：（3） 矩磁材料矩磁材料剩磁剩磁接近饱和值接近饱和值 Br BS娇顽力娇顽力HC不大不大磁滞回线是矩形磁滞回线是矩形锰镁铁氧体、锂锰铁氧体锰镁铁氧体、锂锰铁氧体CH CHBH特点：特点：如：如：两剩磁状态可控翻转两剩磁状态可控翻转,用于计算机儲存元件用于计算机儲存元件.交换力交换力: :电子之间的交换作用使其在自旋平行电子之间的交换作用使其在自旋平行 排列时能量较低排列时能量较低, 这是一种这是一种量子效应量子效应。磁畴磁畴: :原子间电子交换原子间电子交换 耦合作用很强耦合作用很强, 使其自旋磁矩平使其自旋磁矩平 行排列形成行排列形成磁畴磁畴。铁磁性主要来源于电子的自旋磁矩铁磁性主要来源于电子的自旋磁矩!3. 铁磁质磁化的微观机制铁磁质磁化的微观机制自发的磁化区域自发的磁化区域21磁畴磁畴H =0 0自自 HH 0自自 H )( 自自 自自 自自 22磁畴的变化可用金相显微镜观测磁畴的变化可用金相显微镜观测H自发磁化方向与自发磁化方向与外磁场方向相近外磁场方向相近的磁畴扩大体积的磁畴扩大体积, 磁畴壁发生移动，磁畴壁发生移动，铁磁质的磁矩急铁磁质的磁矩急剧增加剧增加磁畴的自磁畴的自发磁化方发磁化方向转向外向转向外磁场方向，磁场方向，磁矩继续磁矩继续增加增加全部磁全部磁畴均转畴均转向外磁向外磁场方向，场方向，达到磁达到磁饱和饱和.各磁畴