大学物理第15章 磁介质的磁化

1、1课程指导课四课程指导课四第第15章章 磁介质的磁化磁介质的磁化1 磁介质的磁化磁介质的磁化 磁化强度矢量磁化强度矢量2 磁场强度磁场强度 有磁介质时的安培有磁介质时的安培 环路定理环路定理3 铁磁质铁磁质教师：郑采星教师：郑采星大学物理大学物理2基本要求基本要求教学基本内容、基本公式教学基本内容、基本公式第第4章振动章振动理解磁介质的磁化、磁化强度、磁场强度矢量。理解理解磁介质的磁化、磁化强度、磁场强度矢量。理解B、H、M三个矢量之间的关系，磁介质中的安培环路定律。了解顺磁性与三个矢量之间的关系，磁介质中的安培环路定律。了解顺磁性与抗磁性。铁磁质的特性。理解磁场能量，磁场能量密度。抗磁性。铁

2、磁质的特性。理解磁场能量，磁场能量密度。 1. 磁介质磁介质磁介质磁介质: :实体物质在磁场作用下呈现磁性实体物质在磁场作用下呈现磁性, ,该物体称磁介质。该物体称磁介质。磁介质的三种类型：磁介质的三种类型：顺磁质、抗磁质、铁磁质。顺磁质、抗磁质、铁磁质。顺磁质：顺磁质：, 1r如氧、铝、钨、铂、铬等。如氧、铝、钨、铂、铬等。, 1r抗磁质：抗磁质：, 1r铁磁质：铁磁质：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，32. 2. 磁介质磁化磁介质磁化 结构模型和分子磁矩结构模型和分子磁矩原子中电子参与两种运动：自旋及绕核的轨道运动，原子中电子参与两种

3、运动：自旋及绕核的轨道运动，对应有轨道磁矩和自旋磁矩。对应有轨道磁矩和自旋磁矩。用等效的分子电流的磁效应来表示各个电子对外界用等效的分子电流的磁效应来表示各个电子对外界磁效应的总合，称为分子固有磁矩。磁效应的总合，称为分子固有磁矩。Imp* *电子的进动：电子的进动：在外磁场作用下，每个电子除在外磁场作用下，每个电子除了保持环绕原子核的运动和电子本身的自旋了保持环绕原子核的运动和电子本身的自旋以外，还要以外，还要附加附加电子磁矩电子磁矩以以外磁场方向为轴外磁场方向为轴线的转动线的转动。0BLpeLmp进动进动B3.3.磁化强度磁化强度M单位体积内所有分单位体积内所有分子固有磁矩的矢量子固有磁矩

4、的矢量和加上附加磁矩的和加上附加磁矩的矢量和矢量和.VppMmm反映磁介质磁化程度的物理量。反映磁介质磁化程度的物理量。44.4.有磁介质时的安培环路定理有磁介质时的安培环路定理IlHLdHMmHHBr0顺磁质0m抗磁质0m5.5.铁磁质铁磁质磁化曲线、磁化曲线、磁滞回线磁滞回线RIIHrHB HrB, r非线性非线性、磁饱和磁饱和剩磁、矫顽力剩磁、矫顽力软磁材料软磁材料、硬磁材料、矩磁材料硬磁材料、矩磁材料5单晶磁畴结构示意图单晶磁畴结构示意图多晶磁畴结构示意图多晶磁畴结构示意图 在铁磁质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的在铁磁质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的交换耦合作用，这个相

5、互作用促使相邻原子中电子的自旋交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子中电子的自旋磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的微磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域称为小区域，这些自发磁化的微小区域称为磁畴磁畴。磁畴磁畴 在没有外磁场作用时在没有外磁场作用时，磁体体内磁矩排列杂，磁体体内磁矩排列杂乱，任意物理无限小体积内的乱，任意物理无限小体积内的平均磁矩为零平均磁矩为零。6H 在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能将低于磁矩与外磁反向排列时的磁能，结果是将低于磁矩与外磁反向排列时的磁能，结果是

6、自发磁化磁自发磁化磁矩和外磁场成小角度的磁畴处于有利地位矩和外磁场成小角度的磁畴处于有利地位，这些磁畴体积，这些磁畴体积逐渐扩大，而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度的磁畴体逐渐扩大，而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。积逐渐缩小。 随着外磁场的不断增强，随着外磁场的不断增强，取向与外磁场成较大角度的取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失，留存的磁畴将向外磁场的方向旋转。磁畴全部消失，留存的磁畴将向外磁场的方向旋转。 以后再继续增加磁场，以后再继续增加磁场，所有磁畴都沿外磁场方向整齐所有磁畴都沿外磁场方向整齐排列，这时磁化达到饱和。排列，这时磁化达到饱和。71.圆柱形无限长载流直导线

7、置于均匀无限大磁介质之中，若导线圆柱形无限长载流直导线置于均匀无限大磁介质之中，若导线中流过的稳恒电流为中流过的稳恒电流为I，磁介质的相对磁导率为，磁介质的相对磁导率为 r( r1)，则与导，则与导线接触的磁介质表面上的磁化电流为线接触的磁介质表面上的磁化电流为(A)(1- r)I(B)( r-1)I(C) rI(D) rI答案：答案：(B) 参考解答：有介质时的安培环路定理说明；磁场强度沿任一闭合路径的参考解答：有介质时的安培环路定理说明；磁场强度沿任一闭合路径的环流等于该闭合路径所包围的传导电流的代数和。环流等于该闭合路径所包围的传导电流的代数和。由安培环路定理，可以得到：由安培环路定理，

8、可以得到： ,2 rIH.200rIBHBrrB B 由由稳恒电流稳恒电流I与磁化电流共同决定。与磁化电流共同决定。稳恒电流稳恒电流I在空间产生的在空间产生的磁场磁场 ,201rIB磁化电流在空间产生的磁场磁化电流在空间产生的磁场 ,202rIB.21BBB,222000rIrIrIr.) 1(IIr82.一铁环的中心线周长为一铁环的中心线周长为0.3m，横截面积为，横截面积为1.010-4m2，在环上，在环上密绕密绕300匝表面绝缘的导线，当导线通有电流匝表面绝缘的导线，当导线通有电流3.210-2A时，通过时，通过环的横截面的磁通量为环的横截面的磁通量为2.010-6Wb求：求：(1)铁环

9、内部的磁感强度；铁环内部的磁感强度；(2)铁环内部的磁场强度；铁环内部的磁场强度；(3)铁的磁化率；铁的磁化率；(4)铁环的磁化强度铁环的磁化强度解：解：(1) 22 10TBS1300(2)1000m0.3nrNIlHd32A/ m2NIHnIr (3)相对磁导率相对磁导率 4970HBr 磁化率磁化率 (4)磁化强度磁化强度 M = mH1.59104 A/m1496mr 93. 顺磁质和铁磁质的磁导率明显地依赖于温度，而抗磁质的磁导率则顺磁质和铁磁质的磁导率明显地依赖于温度，而抗磁质的磁导率则几乎与温度无关，为什么？几乎与温度无关，为什么？参考解答：参考解答： 顺磁质的磁性主要来源于分子

10、的固有磁矩沿外磁场方向的取向排顺磁质的磁性主要来源于分子的固有磁矩沿外磁场方向的取向排列。当温度升高时，由于热运动的缘故，这些固有磁矩更易趋向混乱，列。当温度升高时，由于热运动的缘故，这些固有磁矩更易趋向混乱，而不易沿外磁场方向排列，使得顺磁质的磁性因磁导率明显地依赖于而不易沿外磁场方向排列，使得顺磁质的磁性因磁导率明显地依赖于温度。温度。 铁磁质的磁性主要来源于磁畴的磁矩方向沿外磁场方向的取向排铁磁质的磁性主要来源于磁畴的磁矩方向沿外磁场方向的取向排列。当温度升高时，各磁畴的磁矩方向易趋向混乱而使铁磁质的磁性列。当温度升高时，各磁畴的磁矩方向易趋向混乱而使铁磁质的磁性减小，因而铁磁质的磁导率

11、会明显地依赖于温度。当铁磁质的温度超减小，因而铁磁质的磁导率会明显地依赖于温度。当铁磁质的温度超过居里点时，其磁性还会完全消失。过居里点时，其磁性还会完全消失。 至于抗磁质，它的磁性来源于抗磁质分子在外磁场中所产生的与至于抗磁质，它的磁性来源于抗磁质分子在外磁场中所产生的与外磁场方向相反的感生磁矩，不存在磁矩的方向排列问题，因而抗磁外磁场方向相反的感生磁矩，不存在磁矩的方向排列问题，因而抗磁质的磁性和分子的热运动情况无关，这就是抗磁质的磁导率几乎与温质的磁性和分子的热运动情况无关，这就是抗磁质的磁导率几乎与温度无关的原因。度无关的原因。104.在实际问题中用安培环路定理在实际问题中用安培环路定理计算由铁磁质组成的计算由铁磁质组成的闭合环路，在得出闭合环路，在得出H后，如何进一步求出对应的后，如何进一步求出对应的B值呢？值呢？0dIlHL参考解答参考解答: 由于铁磁质的由于铁磁质的 r不是一个常数，因此不能用不是一个常数，因此不能用B= r 0H来进行来进行计算，而是应当查阅手册中该铁磁材料的计算，而是应当查阅手册中该铁磁材料的BH曲线图，找出对应于计曲线图，找出对应于计算值算值H的磁感强度的磁感强度B值值5.在铁环上绕有在铁环上绕有N200匝的一层线圈，若电流强度匝的一层线圈，若电流强度I2.5A，铁环横截，铁环横截面的磁通量为面的磁通量为 510-4Wb，且铁环横截