大学物理——11.7磁介质

1、本章基本要求：本章基本要求：了解了解三种磁介质：抗磁质、顺磁质、铁磁质；三种磁介质：抗磁质、顺磁质、铁磁质；了解了解磁介质的磁化现象及其微观解释；磁介质的磁化现象及其微观解释；了解了解磁场强度的概念以及在各向同性介质中磁场强度的概念以及在各向同性介质中 H 和和 B 的关系。的关系。理解理解 H 的环路定理，并能求解有理想磁介质存在的环路定理，并能求解有理想磁介质存在时恒定电流的磁场分布；时恒定电流的磁场分布；讨论磁场和磁介质的相互作用：讨论磁场和磁介质的相互作用：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、铁磁质磁介质对磁场的影响磁介质对磁场的影响磁场强度及其规

2、律磁场强度及其规律铁磁质的特性铁磁质的特性磁介质主要内容磁介质主要内容运动电荷运动电荷磁磁 铁铁电电 流流电电 流流运动电荷运动电荷磁磁 铁铁磁磁场场一、磁介质及其分类一、磁介质及其分类1. 磁介质对磁场的影响磁介质对磁场的影响0BBrr 相对磁导率相对磁导率 反映磁介质性质反映磁介质性质11.7 磁介质0B磁磁介介质质B2. 磁介质的分类磁介质的分类(2)顺磁质顺磁质（ 锰、铬、铂、氧）锰、铬、铂、氧）(1)抗磁质抗磁质（ 锌、铜、水银、铅）锌、铜、水银、铅）r1减弱原场减弱原场0BB r1增强原场增强原场0BB (3) 铁磁质铁磁质r1通常不是常数通常不是常数具有显著的增强原磁场的性质具有

3、显著的增强原磁场的性质强磁性物质强磁性物质弱弱磁磁性性物物质质BBB0在物质的分子中在物质的分子中电子绕原子核作轨道运动电子绕原子核作轨道运动轨道磁矩轨道磁矩；电子有自旋电子有自旋 自旋磁矩自旋磁矩。分子内所有电子的全部磁矩的矢量和，称为分分子内所有电子的全部磁矩的矢量和，称为分子的固有磁矩子的固有磁矩分子磁矩分子磁矩。分子磁矩可以用一个分子磁矩可以用一个等效的圆电流等效的圆电流来表示。来表示。1、分子电流和分子磁矩、分子电流和分子磁矩二、抗磁质与顺磁质的磁化二、抗磁质与顺磁质的磁化ISmP当没有外磁场作用时当没有外磁场作用时 ： 抗磁质分子：抗磁质分子：固有磁矩固有磁矩Pm = 0， Pm

4、= = 0 介质介质不显磁性；不显磁性；顺磁质分子：顺磁质分子：固有磁矩固有磁矩Pm 0，由于热运动仍有，由于热运动仍有 Pm= 0也不显磁性。也不显磁性。 0mmPP互互抵抵消消没没有有分分子子磁磁矩矩轨轨道道磁磁矩矩与与自自旋旋磁磁矩矩相相抗抗磁磁物物质质互互加加强强形形成成分分子子磁磁矩矩轨轨道道磁磁矩矩与与自自旋旋磁磁矩矩相相顺顺磁磁物物质质：分子圆电流和磁矩分子圆电流和磁矩 mpI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sI0BBB顺顺磁质内磁场：磁质内磁场：2、顺磁质和抗磁质的磁化：、顺磁质和抗磁质的磁化： 无外磁场时抗磁质分子磁矩为零无外磁场时抗磁质

5、分子磁矩为零 0mP0BBB抗抗磁质内磁场磁质内磁场qv0B0B， 同同向时向时qv0B， 反反向时向时0BFmPFmPmPmP抗磁质的磁化抗磁质的磁化抗磁质的磁化抗磁质的磁化 附加磁场附加磁场B/的方向的方向与与外磁场外磁场B0方向方向相反，这就是抗磁相反，这就是抗磁效应效应 ( (抗磁质的磁化与无极分子电介质的极化过程类抗磁质的磁化与无极分子电介质的极化过程类似似) ) 。B/完全由完全由Pm产生，因为产生，因为Pm总是总是与与B0反向，反向， 所以所以B/与与B0反方向。反方向。 顺磁质的磁化顺磁质的磁化 0BPMm即分子磁矩受到一个磁力矩：即分子磁矩受到一个磁力矩： 因为分子固有磁矩因

6、为分子固有磁矩Pm 附加磁矩附加磁矩 P Pm m （相差两个（相差两个数量级）数量级）, ,Pm可以忽略不计可以忽略不计,所以所以,此时的磁化主要此时的磁化主要是外磁场是外磁场B0使使Pm转向效应。转向效应。 mpmp0B0B1.1.磁化（束缚）电流磁化（束缚）电流 以长直螺线管为例：以长直螺线管为例： 介质磁化以后，由于分子磁矩的有序排列，其介质磁化以后，由于分子磁矩的有序排列，其宏观效果是在介质横截面边缘出现环形电流，这宏观效果是在介质横截面边缘出现环形电流，这种电流称为种电流称为“磁化电流磁化电流”（Is ）。）。三、磁介质中的安培环路定理三、磁介质中的安培环路定理SISIB抗抗磁磁质

7、质顺顺磁磁质质SISI0B0B抗抗磁磁质质0B束缚电流束缚电流束束缚缚电电流流L LB顺顺磁磁质质0B2.磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 将安培环路定理用到磁介将安培环路定理用到磁介质中，质中， 并取以并取以r为半径的闭合同心为半径的闭合同心圆周圆周 为积分路径，则有：为积分路径，则有：drLBBB0LsINIl dB0其中：其中：在理想磁介质中，有对称性可知半径在理想磁介质中，有对称性可知半径r的圆周上的圆周上B大小相等方大小相等方向沿圆周切线，得向沿圆周切线，得:sINIrB02另外一方面有：另外一方面有：NIl dBrL0NIrB002NIINIBBsr0r0可得：可得：代

8、入磁介质中的安培环路定理可得：代入磁介质中的安培环路定理可得：令：令：NIINIrs即：Il dBLr0定义磁场强度定义磁场强度 ：0BHr 磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 IlHld单位：A/mIl dBL磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理例例11.13一根一根“无限长无限长”的直圆柱形铜的直圆柱形铜导线，外包一层相对磁导率为导线，外包一层相对磁导率为r的圆筒形的圆筒形磁介质，导线半径为磁介质，导线半径为R1，磁介质的外半径，磁介质的外半径为为R2，导线内有电流，导线内有电流I通过，电流均匀分通过，电流均匀分布在横截面上，铜的相对磁导率可取布在横截面上，铜的相对磁导率

9、可取1求：求：(1)介质内外的磁场强度分布，并画出介质内外的磁场强度分布，并画出H-r图，加以说明图，加以说明(r是磁场中某点到圆柱轴线是磁场中某点到圆柱轴线的距离的距离)；(2)介质内外的磁感应强度分布，并画出介质内外的磁感应强度分布，并画出B-r图，加以图，加以说明说明.解解(1)求求H-r关系由于电流分布的轴对称性，因关系由于电流分布的轴对称性，因而磁场分布也有轴对称性，因此可用安培环路定理而磁场分布也有轴对称性，因此可用安培环路定理求解求解.在垂直于轴线的平面上，选择积分回路在垂直于轴线的平面上，选择积分回路L为以为以圆柱轴线为圆心、圆柱轴线为圆心、r为半径的圆周，由式为半径的圆周，由

10、式(9.60)可得可得当当rR1时，时， 2LH dlrHI 12HIr212211122IIHrrrRR当当R1rR2时，时， 22IHr当当rR2时，时， 32IHr画出画出H-r曲线，如图所示曲线，如图所示.(2)求求B-r关系由已求出的介质内外的磁场强度分关系由已求出的介质内外的磁场强度分布，再根据布，再根据BH0rH确定介质内外的磁感应确定介质内外的磁感应强度分布强度分布.当当rR1，该区域在金属导体内，可作为真空处理，该区域在金属导体内，可作为真空处理，r1，故，故 0101212IBHrR当当R1rR2，该区域是相对磁导率为，该区域是相对磁导率为r的磁介质内，的磁介质内，故故 2

11、202rIBHr 当当rR2，该区域为真空，故，该区域为真空，故 03032IBHr画出画出B-r曲线，如图所示曲线，如图所示.可见，在边界可见，在边界rR1和和rR2处，磁感应强度处，磁感应强度B不连续不连续. 铁磁质具有高磁导率、非线性（铁磁质具有高磁导率、非线性（不是常数）；存不是常数）；存在在“磁滞现象磁滞现象”；存在居里温度等三个显著特征。；存在居里温度等三个显著特征。 四、铁磁质四、铁磁质1 1） r11（即（即BB0 0）且）且 r不是常数：不是常数：而是而是H（亦即电流（亦即电流I）的函数，即）的函数，即r=r H) =r H(I)。因此，这时因此，这时B与与H间无简单线性关系

12、。间无简单线性关系。2）存在）存在“磁滞现象磁滞现象”(如如:在外场撤除后有剩磁在外场撤除后有剩磁)：3）居里温度：）居里温度： 对应于每一种铁磁物质都有一个临界温度（居里对应于每一种铁磁物质都有一个临界温度（居里点），超过这个温度，铁磁物质就变成了顺磁物质。点），超过这个温度，铁磁物质就变成了顺磁物质。如铁的居里温度为如铁的居里温度为1034K。1 1、磁化曲线、磁化曲线1 1）研究铁磁质特性的实验：）研究铁磁质特性的实验：NSRqBnIH,原理原理-铁芯中铁芯中装置装置-原线圈原线圈A（待测铁磁质（待测铁磁质做铁芯）副线圈做铁芯）副线圈B。 ABGkeH是电流为是电流为I 时，铁心时，铁心

13、中的磁场强度；中的磁场强度；B是电流为电流为I 时，铁心中的磁感应强度；时，铁心中的磁感应强度；q是电流从是电流从0到到I时、通过电流计时、通过电流计G的电量；的电量；R是副线圈的电阻；是副线圈的电阻；N是副线圈的总匝数；是副线圈的总匝数；S为环形铁心的横截面积。为环形铁心的横截面积。 2 2）起始磁化特性曲线：）起始磁化特性曲线： 即，即，B与与H不成线性关系，即铁磁质的磁导率不成线性关系，即铁磁质的磁导率不再不再是常数、而是与是常数、而是与H有关。有关。 在在B-H曲线（磁化规律）中曲线（磁化规律）中 Om段段-B随随H增长增长较慢；较慢； mn段段-B随随H 迅速增长；迅速增长； na段

14、段-B随随H增长变慢；增长变慢；当当H = s以后，以后，B不随不随H 增长，增长，磁化达到饱和。磁化达到饱和。 0BHsHanmmB不同磁介质的磁化曲线比较不同磁介质的磁化曲线比较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)(00BHo矫顽力矫顽力cH 当外磁场由当外磁场由 逐渐减小时，这种逐渐减小时，这种 B的变化落后于的变化落后于H的变的变化的现象，叫做化的现象，叫做磁滞磁滞现象现象 ，简称，简称磁滞磁滞.mH 由于磁滞，由于磁滞， 时，时，磁感强度磁感强度 ， 叫做剩余磁感强叫做剩余磁感强度度( (剩磁剩磁) ).0H0BrBmBmHPrBcHmHPmBHBO磁滞回线磁滞回

15、线Q2 2、磁滞回线、磁滞回线 （1 1）剩磁）剩磁Br： 磁化曲线下降时的磁化曲线下降时的B值比起始磁化曲线中同一值比起始磁化曲线中同一H 所对应的所对应的B 值为高，当值为高，当H 减少到零时，减少到零时，B不为零，而不为零，而出现一个剩磁出现一个剩磁 Br。（2 2）矫顽力）矫顽力HC要使磁铁完全去磁，必须加上反向外场，只有反向要使磁铁完全去磁，必须加上反向外场，只有反向外场外场HC C到某一值才能完全去磁，到某一值才能完全去磁，为去掉剩磁而加上的反向磁场为去掉剩磁而加上的反向磁场HC 就称为矫顽力。就称为矫顽力。 （4 4） 磁滞损耗：磁滞损耗： 可以证明可以证明 ：B-H 曲线所围的

16、面积正比于反复磁化的曲线所围的面积正比于反复磁化的一个周期中单位体积的磁介质中损耗的能量。一个周期中单位体积的磁介质中损耗的能量。（3 3）磁滞回线：）磁滞回线：如果继续加大反向磁场，将其反向磁化，并达到如果继续加大反向磁场，将其反向磁化，并达到反向饱和，若这时逐渐撤除反向外场反向饱和，若这时逐渐撤除反向外场, ,其同样出现反其同样出现反向剩磁，要去掉反向剩磁则必须加上正向矫顽力；向剩磁，要去掉反向剩磁则必须加上正向矫顽力；再正向磁化，其又可达正向饱和，这样就组成了一再正向磁化，其又可达正向饱和，这样就组成了一个封闭曲线，这个封闭曲线就叫磁滞回线。个封闭曲线，这个封闭曲线就叫磁滞回线。改变改变

17、H时、磁介质反复磁化，分子振动加剧、温度时、磁介质反复磁化，分子振动加剧、温度升高，产生升高，产生H的电流提供的热损耗称为磁滞损耗。的电流提供的热损耗称为磁滞损耗。3 3、磁畴、磁畴1 1）磁畴）磁畴 即即铁磁质中铁磁质中原子磁矩自发高度有序排列的磁饱和小原子磁矩自发高度有序排列的磁饱和小区。区。 铁磁质内部相邻原子的铁磁质内部相邻原子的磁矩会在一个微小的区域内磁矩会在一个微小的区域内形成方向一致、排列非常整形成方向一致、排列非常整齐的齐的 “ “自发磁化区自发磁化区”，称，称为为磁畴磁畴。 磁畴大小：磁畴大小：3810m1010每个磁畴所含分子数：每个磁畴所含分子数： 21171010 磁畴

18、的几何线度从微米至毫米、体积约磁畴的几何线度从微米至毫米、体积约10-12m3 ，包含包含10171021个原子。无外磁场时、磁畴的磁矩排个原子。无外磁场时、磁畴的磁矩排列杂乱无章，铁磁质宏观不显磁性。列杂乱无章，铁磁质宏观不显磁性。 量子理论指出：铁磁质中相邻原子由于电子轨道的量子理论指出：铁磁质中相邻原子由于电子轨道的交叠而产生一种交叠而产生一种“交换耦合效应交换耦合效应”使使原子磁矩能自发原子磁矩能自发地有序排列，地有序排列，于是于是形成坚固的平行排列的大小不等的形成坚固的平行排列的大小不等的自发饱和磁化区。自发饱和磁化区。2 2）铁磁质磁化解释）铁磁质磁化解释： 磁饱和：磁饱和： 加上

19、外场后，铁磁质中总是有些磁畴内分子固有磁加上外场后，铁磁质中总是有些磁畴内分子固有磁矩的取向与外场相同或相近。这些自发磁化方向与外矩的取向与外场相同或相近。这些自发磁化方向与外场相同的磁畴的边界在外场的作用下将不断地蚕食扩场相同的磁畴的边界在外场的作用下将不断地蚕食扩大，而那些自发磁化方向与外磁方向不同的磁畴的边大，而那些自发磁化方向与外磁方向不同的磁畴的边界就逐步缩小，故开始时磁化增长较慢，而后增长很界就逐步缩小，故开始时磁化增长较慢，而后增长很快，直到所有磁畴被外场快，直到所有磁畴被外场“同化同化”而达磁饱和。而达磁饱和。 mn段对应磁畴界壁快速跳跃移动、使一些缩小的磁段对应磁畴界壁快速跳

20、跃移动、使一些缩小的磁畴消失，这是不可逆过程、引起了磁滞；畴消失，这是不可逆过程、引起了磁滞； na段对应留存的磁畴转向外磁场方向、直到饱和。段对应留存的磁畴转向外磁场方向、直到饱和。 在起始磁化特性曲线中，在起始磁化特性曲线中，Om段对应自发磁化区磁矩段对应自发磁化区磁矩方向与外磁场方向相近的磁畴的扩大、自发磁化区磁方向与外磁场方向相近的磁畴的扩大、自发磁化区磁矩方向与外磁场方向相反的磁畴的缩小；矩方向与外磁场方向相反的磁畴的缩小； 剩磁：剩磁： 在退磁时，由于磁畴边界的移动是不可逆的，因在退磁时，由于磁畴边界的移动是不可逆的，因此，磁化过程和退磁过程也是不可逆的。即在去掉此，磁化过程和退磁

21、过程也是不可逆的。即在去掉外场后，磁畴在磁化过程中的某种排列被保留下来，外场后，磁畴在磁化过程中的某种排列被保留下来，这就是剩磁现象这就是剩磁现象振动和加热可以促进退磁也能振动和加热可以促进退磁也能证实这一点。证实这一点。居里点：居里点：30%的坡莫合金居里温度的坡莫合金居里温度 tc = 70C； 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。原因是在高温下磁畴瓦解了。原因是在高温下磁畴瓦解了。 如铁、钴、镍的居里点分别为如铁、钴、镍的居里点分别为770、1115、358。 磁介质达到某一温度时，铁磁性

22、消失、介质显顺磁介质达到某一温度时，铁磁性消失、介质显顺磁性磁性, ,这一温度称为居里点。当温度低于这一温度称为居里点。当温度低于 tc 时，又由时，又由顺磁质转变为铁磁质。顺磁质转变为铁磁质。 4 4、铁磁质的分类及其应用、铁磁质的分类及其应用1 1）硬磁质）硬磁质 磁滞回线较粗，剩磁很大，磁滞回线较粗，剩磁很大，这种材料充磁后不易退磁，适这种材料充磁后不易退磁，适合做永久磁铁。合做永久磁铁。BHo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、耳机以及雷达中可用在磁电式电表、永磁扬声器、耳机以及雷达中的磁控等。的磁控等。2 2）软磁质）软磁质磁滞回线

23、细长，剩磁很小。磁滞回线细长，剩磁很小。BHo象软铁、坡莫合金、硒钢片、象软铁、坡莫合金、硒钢片、铁铝合金、铁镍合金等。铁铝合金、铁镍合金等。由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，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、电动机转子、定子都是用如变压器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软磁材料制成。软磁材料制成。3 3）非金属氧化物）非金属氧化物-铁氧体铁氧体 磁滞回线呈矩形，又称矩磁滞回线呈矩形，又称矩磁材料，剩磁接近于饱和磁磁材料，剩磁接近于饱和磁感应强度，具有高磁导率、感应强度，具有高磁导率、高电阻率。高电阻率。 它是由它是由Fe2O3和其他二价的金属氧化物（如和其他二价的金属氧化物（如NiO，ZnO等等)粉末混合烧结而成。粉末混合烧结而成。可作磁性记忆元件。可作磁性记忆元件。BHo1. .加热法加热法 当铁磁质的温度升高到某一温度时，磁性消失，由铁磁当铁磁质的温度升高到