福州物理系 电磁学 磁介质PPT课件

1、 磁场 磁介质 磁化 后果影响外场。000BMI 当一块介质放在外磁场中将会与磁场发生相互作用，产生一种所谓的“磁化”现象，介质中出现附加磁场。我们把这种在磁场作用下磁性发生变化的介质称为“磁介质”。磁介质被磁化后，会产生附加磁场，从而改变原来空间磁场的分布。第1页/共54页把分子或原子看作一个整体，分子或原子中各电子对外产生磁效应的总和，可等效于一个圆电流，称为“分子电流”。分子电流的磁矩称为“分子磁矩”表示为 。m+-+各电子磁矩imim+-分子磁矩m第2页/共54页mm0B00BBBB磁化场；对应电流为励磁电流第3页/共54页磁化电流磁化电流 介质对磁场作用的响应介质对磁场作用的响应产产

2、生生磁化电流磁化电流 磁化电流不能传导，束缚在介磁化电流不能传导，束缚在介质内部，也叫束缚电流。质内部，也叫束缚电流。 它也能产生磁场，满足毕奥它也能产生磁场，满足毕奥- -萨萨伐尔定律，可以产生附加场伐尔定律，可以产生附加场B 附加场反过来要影响原来空间附加场反过来要影响原来空间的磁场分布。的磁场分布。 各向同性的磁介质只有介质表各向同性的磁介质只有介质表面处，分子电流未被抵销，形面处，分子电流未被抵销，形成磁化电流成磁化电流第4页/共54页磁化电流与传导电流磁化电流与传导电流 传导电流传导电流 载流子的定向流动，是电荷迁移的结果，载流子的定向流动，是电荷迁移的结果，产生焦耳产生焦耳热热，产

3、生磁场，遵从电流产生磁场规律，产生磁场，遵从电流产生磁场规律 磁化电流磁化电流 磁介质受到磁场作用后被磁化的后果，是大量分子磁介质受到磁场作用后被磁化的后果，是大量分子电流叠加形成的在宏观范围内流动的电流，是电流叠加形成的在宏观范围内流动的电流，是大量大量分子电流统计平均的宏观效果分子电流统计平均的宏观效果 相同之处：相同之处：同样可以产生磁场，遵从电流产生同样可以产生磁场，遵从电流产生磁场规律磁场规律 不同之处不同之处：电子都被：电子都被限制限制在分子范围内运动，在分子范围内运动，与因电荷的宏观迁移引起的传导电流不同；分与因电荷的宏观迁移引起的传导电流不同；分子电流运行无阻力，即子电流运行无

4、阻力，即无热效应无热效应 第5页/共54页磁化的描绘磁化的描绘 磁化强度矢量磁化强度矢量 M 为了描述磁介质的磁化状态（磁化方向和强度），引入磁化强度矢量为了描述磁介质的磁化状态（磁化方向和强度），引入磁化强度矢量M的的概念概念 磁化后在介质内部任取一宏观体元，体元内的分子磁矩的矢量和磁化后在介质内部任取一宏观体元，体元内的分子磁矩的矢量和 m分子分子 0 磁化程度越高，矢量和的值也越大磁化程度越高，矢量和的值也越大 M:单位体积内分子磁矩的矢量和单位体积内分子磁矩的矢量和 Vm分分子子M第6页/共54页磁化的后果磁化的后果 三者从不同角度定量地描绘同一物理现象三者从不同角度定量地描绘同一物理

5、现象 磁化，磁化，之间必有联系，这些关系之间必有联系，这些关系磁磁介质磁化遵循的规律介质磁化遵循的规律描描绘绘磁磁化化0BBBIM磁化强度矢量磁化强度矢量M与磁化电流与磁化电流I关系关系 磁化强度矢量磁化强度矢量M沿任意闭合回路沿任意闭合回路L的积分等于的积分等于通过以通过以L为周界的曲面为周界的曲面S的磁化电流的代数和，的磁化电流的代数和，即即LLIldM内通过以L为界S面内全部分子电流的代数和第7页/共54页 把每一个宏观体积内的分子看成是完全一样的电流环即用把每一个宏观体积内的分子看成是完全一样的电流环即用平均平均分子磁矩代替每一个分子的真实磁矩分子磁矩代替每一个分子的真实磁矩 aIm分

6、子n设单位体积内的分子环设单位体积内的分子环流数为流数为n，则单位体积内则单位体积内分子磁矩总和为分子磁矩总和为 ManIm分子n设想在磁介质中划出任意宏观面设想在磁介质中划出任意宏观面S来考察：来考察：令其周界线为令其周界线为L，则介质中的分子环流分为三，则介质中的分子环流分为三类类 第8页/共54页 不与不与S相交相交A 整个为整个为S所切割，即分子电所切割，即分子电 流与流与S相交两次相交两次B 被被L穿过的分子电流，即与穿过的分子电流，即与 S相交一次相交一次C A与与B对对S面总电流无贡献，面总电流无贡献， 只有只有C有贡献有贡献 n在在L上取一线元上取一线元, ,以以dl为轴线，为

7、轴线，a为底，为底，作一圆柱体作一圆柱体 n体积为体积为 V=adlcos ，凡是中心处在，凡是中心处在 V内的分子环流都为内的分子环流都为dl所穿过所穿过 ， V内共有分子数内共有分子数l dannadlVnNcos第9页/共54页沿闭合回路沿闭合回路L L积分得普遍关系积分得普遍关系LLIldM内通过以L为界S面内全部分子电流的代数和积分形式l dannadlVnNcosnN个分子总贡献个分子总贡献 l dMl danIINI上式反应磁介质中磁化电流与磁化强度之间联系的普遍公式第10页/共54页M与介质表面磁化电流的关系与介质表面磁化电流的关系 证明 在介质表面取闭合回路 穿过回路的磁化电

8、流 iMinMt或或面磁化电流密度 liI Laddccbbal dMl dMl dMl dMldMbatdlMbc、da1，其数量级为，其数量级为102106以上以上 当当M与与H无无单值关系时，不再引用单值关系时，不再引用 m、 的概念了的概念了 地位和作用类似于地位和作用类似于 e 第20页/共54页例 ：长直螺线管半径为 R ，通有电流 I，线圈密度为 n , , 管内插有半径为 r ,相对磁导率为 r 磁介质，求介质内和管内真空部分的磁感应强度 B B 。解：由螺线管的磁场分布可知，管内的场各处均匀一致，管外的场为0；IB BRHHr第21页/共54页1. .介质内部 作 abcda

9、 矩形回路，回路内的传导电流代数和为：IabnIc dacdbcabddddl lH Hl lH Hl lH Hl lH H在环路上应用介质中的环路定理：l lH HdIB BRHHrabcd第22页/共54页bcdl lH H在bc和da段路径上 , l lH Hd其中0cddl lH H因为 cd 段处在真空中，真空中的 M M = 0= 0；B B = 0= 0 ，所以 H H = 0 0 ；且dadl lH H00cosNoImageIB BRHHrabcd第23页/共54页abddl lH Hl lH HcosHdlabIabnIabHc nIH 由H HB Br0有nIBr0abH

10、abdlHcIIB BRHHrabcd第24页/共54页2. .管内真空中作环路 abcda ; ; 在环路上应用介质中的安培环路定理，同理有：nIH 由H HB Br0有1r和真空中nIHB00IB BRHHr第25页/共54页抗磁质和顺磁质电子绕原子核的轨道运动的效果相当于一个电流环，这一环形电流产生的磁矩称为轨道磁矩； 与电子的自旋相联系的磁矩叫做自旋磁矩。2222eeITSrermISn 环形电流面积磁矩第26页/共54页1.顺磁效应起源于电子的自旋磁矩。当加上外磁场后，电子的自旋 磁矩将转向外磁场方向，各分子磁矩在一定程度上沿外场方向排列，这便是顺磁效应顺磁质的来源。paramagn

11、etisium说明两个问题：一是不是所有物质都具有顺磁性()；二是在任何强度的外磁场的作用下，电子的自旋不可能都会转向外磁场方向。第27页/共54页2. 抗磁质220204Zemrr没有外磁场时02220020202200(1)442()22BZee rBmrrZeerBerBrmrmrmreBeBmm 与同向将带入可得或第28页/共54页002222(2)2224BeBmermere rmBmMB 与同向此时仍有对于磁介质整体来说宏观上便有磁化强度矢量与 反向，这就是抗磁效应的来源。第29页/共54页 铁磁质的磁化规律0001.IHnIBBMH 当通电流 时，； 用冲击电流计测 ， 则起始磁

12、化曲线第30页/共54页00()BHMHBHMMBHMH也可以作出曲线，由于铁磁质中，故，曲线与曲线差不多。initial magnetization cur eOSvSMHM饱和磁化强度起始磁化曲作出 曲线， 称为， 曲线称 为线()。第31页/共54页I(M)OmrrrMHBHMBHHH( )曲线和曲线上任一点表示一个磁化状态，这一点与 的连线的斜率为或，刚好是该状态下的磁化率和绝对磁导率做出曲线，叫做，叫做起始（相对）磁导率最大（相对）磁导率。第32页/共54页2hysteresis loopRRMHBHOSSRRMB当铁磁质的磁化达到饱和后，如果将磁化场逐渐减小，关系曲线和关系曲线并不

13、沿返回，而是.磁滞沿在它上面的曲线退回。 点对应的和称剩余磁化强度剩余回线(磁感为)和 应强度。第33页/共54页coerciveforcedemagnetization curveRRCCMBHHHRCMB 若称为这种材料的矫顽力()，曲线称为退磁曲线要使和变为零，必须加反向( 磁场。当时，和 才变为零，)。第34页/共54页magnetichysteressiCSHS R C SSRCS R C S介质退磁后，继续加大反向磁场，将沿达到反向饱和状态。此后若将逐渐变到零再增大，则磁化状态沿曲线变化，磁滞回形成一条闭合曲线，称为。上面描述的线磁现象叫做滞现象()。第35页/共54页3.hyst

14、eresis lossBH铁磁材料处于交变磁场中时，在外磁场作用下介质反复磁化，外磁场做功并最终变为热量放磁滞损耗图中磁滞回线所包围的“面积”代表在一个反复磁磁出。这个化的过程过程的能中单位体量损耗叫积的铁芯滞损耗内损耗( 做。)的能量。第36页/共54页()()LLPPBddtdAIdtIdNHnIIdNSdBlHdANSdBSlHdBNldAdaHdBVadaHdB 磁滞回线磁滞回线磁化状态由 达到点， 发生变化，在线圈中产生感应电动势电源做功，电源克服感应电动势做功磁滞回线所包围的“面积”第37页/共54页铁磁材料 常用的铁磁材料可分为软磁材料(soft magnetic materia

15、l)和硬磁材料(hard magnetic material)两大类。ccRHHB软磁材料：矫顽力小，磁滞回线狭窄，磁滞损耗小； 有较高的相对磁导率和较高的电阻率；硬磁材料：矫顽力大，磁滞回线较宽，剩余磁感应 强度大，宜于制造永久磁铁。permanent magnet永磁体( )的作用是在它的缺口中产生一稳恒的磁场。如图：第38页/共54页maximum magnetic energy product()()RCMRCMBHBHBHBHBH除，外，标志硬磁材料性能好坏的另一个指标是它标志着储藏在磁铁中单位体积内的磁场能量的最大值。材料的与它的退磁曲线的形状有关。当和给定最大磁能积( )时，退磁

16、曲线越接近于，即磁铁内部的 和乘积的最矩形，材料的最大磁大值。能积越大。第39页/共54页* *磁场的边界条件1.BH （1）磁感应强度 的法向分量连续；（2）磁场强度 的切磁场的边界条件向分量连续。2121211()0()0SSnnB dSB dSB dSB dSB dSBBn SBBnBB ( )(上底面)(侧面)(下底面)( )证明：( )由高斯定理：或第40页/共54页12021212()0BCDAABCDttttttH dlH dlH dlH dlH dlH dlHHlIHHHH ( )由安培环路定理界面上无传导电流，即2H l1H ABCD分界面1介质2介质第41页/共54页121

17、11222111222112211221212121101220212111222cos,cossin,sincoscos,sinsintantan,ta2.ntantantannnttrrrrrrBBBBHHHHBBHHHHBBBH BH 磁感应线在介质边界面上界面两侧的磁感应线与界面法线的夹角分的“折射”别为 和 ，或第42页/共54页211211112222130008833cos0.0349cosrrnnBBBBBBB空气，设，如，算出，从以上结果得到两点启示：一是在靠近分界面的非铁磁质中，可以认为 是与分界面垂直；二是非铁磁质中磁感应强度远远小于铁磁质中的磁感应强度，即可认为高磁导率

18、的铁磁质能够把磁通量集中在其内部。第43页/共54页* *磁路定理magnetic circuit1.r如果把载流线圈绕在一个闭合的铁芯上，那么由于铁磁材料的相对磁导率很大，铁芯的边界就构成一个磁感应通常把磁感应管叫做管，在磁感应管中通过各截面的磁感应通量相等，因磁路定理磁路(此 ，)。第44页/共54页0000( )000i iBi iii iBiririiriiLiimiriiriii iBmimi iBmiiimmiiimmiBlllNIH dlH lSSllRSSNIH lRH lRRRRR 磁阻磁动势式中称作，记为称作，称作11串(磁化力)磁位降落磁路定理：闭合磁路的磁动势等于各段磁路上的磁位降落之和联磁路磁阻： 并联磁路磁阻：1n第45页/共54页2.在实际中，为了防止磁场的干扰，在不少场合需要把一部分空间用铁壳屏磁屏蔽蔽起来。第46页/共54页磁场的能量和能量密度22222111()2221212rrrrmrmmmn VLn