传导电流+磁化电流课件

1、顺磁质：2、抗磁质：3、铁磁质：4、超导体:磁介质的分类5、真空中:1、顺磁质：2、抗磁质：3、铁磁质：4、超导体:磁介质的分类1顺磁质和抗磁质磁化的微观机制不同抗磁质主是由分子产生感应磁矩形成——感应磁化顺磁质主要是由分子磁矩规则取向形成——取向磁化顺磁质和抗磁质磁化的微观机制不同抗磁质主是由分子产生感应磁矩2磁化强度磁介质中单位体积内分子磁矩的矢量和代表内第个i分子的磁矩抗磁质：是指分子磁矩；方向与同方向与同是指分子附加磁矩，方向与反方向与反顺磁质：磁化电流线密度与磁极化强度：磁化电流与磁极化强度关系：磁化强度磁介质中单位体积内分子磁矩的矢量和代表3

§3介质中的磁场磁场强度作用总是相互的，既然磁场对磁介质有磁化作用，那么被磁化后的介质反过来也将影响原来的磁场分布下面进一步讨论磁化后的介质对磁场产生的影响，以及有磁介质时如何描述磁场的规律，并介绍场量和磁化强度普遍关系介质中磁场的磁感应强度外磁场由磁化电流产生§3介质中的磁场磁场强度作用总是相互的，既然磁场对4一、介质中磁场的高斯定理二、介质中磁场的安培环路定理穿过以回路为边界的任一曲面的总电流(传导电流＋磁化电流)是导线中的传导电流激发的磁场和磁介质中的磁化电流产生的附加磁场的矢量和一、介质中磁场的高斯定理二、介质中磁场的安培环路定理穿过以回5困难所在：对比电介质学习：考虑无限长直电流情况困难所在：对比电介质学习：考虑无限长直电流情况6(磁场强度)SI中H之单位：A/m取闭合回路l剥去外围磁介质(磁场强度)SI中H之单位：A/m取闭合回路l剥去外围磁介质7物理意义：磁场强度沿闭合路径的线积分，等于环路所包围的传导电流的代数和。有介质时的安培环路定理注意：的环流只与传导电流有关，在形式上与磁介质无关H的单位：真空：A/m

（SI）；物理意义：磁场强度沿闭合路径的线积分，等于环路所包围的传导电8三、各向同性的磁介质表示了磁介质中任意点处磁感应强度、磁场强度和磁化强度之间的普遍关系可以写成各向同性磁介质，在外场不太强的情况下实验证明：与成正比只与介质的性质有关，称为磁介质的磁化率三、各向同性的磁介质表示了磁介质中任意点处可以写成各向同性磁9如果介质是不均匀的是空间位置的函数如果介质是均匀的是常数代入令磁介质的相对磁导率磁介质的磁导率顺磁性：抗磁性：如果介质是不均匀的是空间位置的函数如果介质是10r1

r2界面在两种不同的磁介质分界面两侧B和H一般要发生突变，但必须遵循一定的边界条件。在磁导率分别为r1和r2的分界面处作一扁平的柱状高斯面,对此高斯面运用磁场高斯定理S四、边界条件即或，表示从一种介质过渡到另一种介质，磁感应强度的法向分量不变。r1r2界面在两种不同的磁介质分界面两侧B和H一般要11在介质分界面处作一矩形的回路abcda，使两长边分别处于两种介质中与界面平行，短边很小即H1t=H2t，表示从一种介质过渡到另一种介质，磁场强度的切向分量不变。

假设在界面上不存在传导电流，根据安培环路定理有bacd取切向单位矢量t的方向沿界面向上。r1

r2界面l在介质分界面处作一矩形的回路abcda，使两长边分12利用磁高斯定理和安培环路定理可证明：在不同介质交界面两侧的磁场满足如下边界条件：利用磁高斯定理和安培环路定理可证明：在不同介质交界面两侧的磁13电介质中的高斯定理磁介质中的安培环路定理电介质中的高斯定理磁介质中的安培环路定理14

称为相对电容率或相对介电常量。

之间的关系

之间的关系

称为相对磁导率磁导率介电常数称为相对电容率之间的关系15静电场与静磁场的比较静电场静磁场（稳恒磁场）物理量高斯定理环路定理性质方程(各项同性且外场不太强）静电场与静磁场的比较静电场静磁场（稳恒磁场）物理量高斯定理环16例1：半径为R1的一无限长载流直导线，沿轴向有电流强度为I的均匀电流，其外包围一层半径为R2的磁介质，相对磁导率(2)介质内外界面上的束缚电流密度求解根据磁介质的安培环路定理(1)磁介质中的磁化强度和磁感应强度由磁化强度与束缚电流密度的关系内界面:外界面:例1：半径为R1的一无限长载流直导线，沿轴向有电流强度为I的17例2：有两个半径分别为r和R的“无限长”同轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁导率为r

的磁介质。当两圆筒通有相反方向的电流I时，试求：(1)磁介质中任意点P的磁感强度的大小；(2)圆柱体外面一点Q的磁感强度。解(1)这两个“无限长”的同轴圆筒，当有电流通过时，其磁场是柱对称分布的。例2：有两个半径分别为r和R的“无限长”同轴圆筒形导体，在它18磁介质中点P的磁感强度的大小：(2)圆柱体外面一点Q的其磁场仍是柱对称分布的。点Q的磁感强度的大小：磁介质中点P的磁感强度的大小：(2)圆柱体外面一点Q的其磁场19例3：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。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；RIBHrabcd1.介质内部

作abcda矩形回路。在环路上应用介质中的环路定理：回路内的传导电流代数和为：例3：长直螺线管半径为R，通有电流I，线圈密度为n20cd段处在真空中，有M=0；B=0，在bc和da段上RIBHrabcdcd段处在真空中，有M=0；B=0，在bc和da212.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：真空中RIBHrabcd2.管内真空中作环路abcda;在环路上应用介质中的安22

§4铁磁性铁磁质主要特征在外磁场中，铁磁质可使原磁场大大增强。100－1000倍撤去外磁场后，铁磁质仍能保留部分磁性。铁磁质铁、钴、镍、镝及其合金或氧化物为代表的材料§4铁磁性铁磁质主要特征在外磁场中，铁磁质可使原磁场大2305101520磁强计A测量H测量B的探头（霍尔元件）电阻换向开关电流表螺绕环铁环狭缝测量磁滞回线的实验装置一、铁磁质的磁滞回线——铁磁质的磁化规律05101520磁强计A测量H测量B的探头电阻换电流表螺绕2405101520磁强计A....BHabcos饱和磁感应强度BsBsBsH铁磁质的磁化规律初始磁化曲线B-H曲线形成过程从磁强计中可以测得B根据电流的测量再由式可得到H05101520磁强计A....BHabcos饱和磁感应强度25Br剩余磁感应强度Br.d.es..HcB..BHabco铁磁质的磁化规律矫顽力cH05101520磁强计A从磁强计中可以测得B根据电流的测量再由式可得到HBr剩余磁感应强度Br.d.es..HcB..BHabco铁2605101520磁强计As....cHrBB..BHcHabcdeof.矫顽力剩余磁感应强度饱和磁感应强度sBrB从磁强计中可以测得B根据电流的测量再由式可得到H铁磁质的磁化规律05101520磁强计As....cHrBB..BHcHab2705101520磁强计As...cH...cHrBB..BHcHabcdef.rBgo矫顽力剩余磁感应强度饱和磁感应强度sBrB从磁强计中可以测得B根据电流的测量再由式可得到H铁磁质的磁化规律05101520磁强计As...cH...cHrBB..BH2805101520磁强计AcsrHB.......cHrBB..BH磁滞回线cHabcdefgo矫顽力剩余磁感应强度饱和磁感应强度磁滞现象：sBrB从磁强计中可以测得B根据电流的测量再由式可得到H05101520磁强计AcsrHB.......cHrBB.29铁磁质中不是线性关系(1)实验证明：各种铁磁质的磁化曲线都是“不可逆”的，具有磁滞现象。讨论(2)不同材料，矫顽力不同。

剩磁矫顽力(3)铁磁质温度高于某一温度TC时,铁磁质转化为顺磁质,此临界温度称为居里点。铁磁质中不是线性关系(1)实验证明：各种铁磁质的磁化曲线都30顺磁质非常数，铁磁质抗磁质顺磁质非常数，铁磁质抗磁质31二、铁磁质的理论解释磁畴(magneticdomain)

：原子间电子交换耦合作用很强，促使其自旋磁矩平行排列形成磁畴－－自发的磁化区域。体积约为10-10~10-8m3。磁畴在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁质不显磁性；在外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场迅速增加，在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。Bo铁磁性主要来源于电子的自旋磁矩。

二、铁磁质的理论解释磁畴(magneticdomain)32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。磁饱和状态HBoabcd起始磁化曲线饱和磁化强度MS等于每个磁畴中原来的磁化强度，该值很大，这就是铁磁质磁性r大的原因。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33磁滞

(hysteresis)现象是由于掺杂和内应力等的作用，当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状，而表现出来。磁滞伸缩(magnetostriction)是因磁畴在外磁场中的取向，改变了晶格间距而引起的。当温度升高时，热运动会瓦解磁畴内磁矩的规则排列；在临界温度（相变温度Tc）时，铁磁质完全变成了顺磁质。居里点Tc(CuriePoint)铁磁体于铁电体类似；在交变场的作用下，它的形状会随之变化，称为磁致伸缩（10-5数量级）它可用做换能器，在超声及检测技术中大有作为。如：铁为1040K，钴为1390K，镍为630K不同铁磁质具有不同的转变温度磁滞(hysteresis)现象是由于掺杂和内应力等的作34纯铁硅铁钴磁畴纯铁硅铁钴磁畴35Si-Fe单晶(001)面的磁畴结构箭头表示磁化方向0.1mmSi-Fe单晶箭头表示0.1mm36单晶磁畴结构示意图多晶磁畴结构示意图单晶磁畴结构多晶磁畴结构37根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的“交换耦合作用”使得在无外磁场作用时，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列形成自发磁化达到饱和状态的微小区域，这些区域称为“磁畴”。用磁畴理论可以解释铁磁质的磁化过程、磁滞现象、磁滞损耗以及居里点。1892年罗辛格首先提出磁畴的形成是由于磁偶极子间非磁性的相互作用*深入认识磁畴根据现代理论，铁磁质相邻原子的用381926年海森堡用量子力学中的交换力解释了磁偶极子间相互作用的起源1926年海森堡用量子力学中的交换力解391935年朗道和栗佛希兹从磁场能量的观点说明了磁畴的成因1935年朗道和栗佛希兹从磁场能量的40二、铁磁材料的应用①作变压器的软磁材料。纯铁，硅钢、坡莫合金(Fe，Ni)，铁氧体等。特点：r大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。饱和磁感应强度大，矫顽力(HC)小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小（磁滞回线所围的面积小）。用于继电器、电机、以及高频电磁元件的磁芯、磁棒。BH二、铁磁材料的应用①作变压器的软磁材料。纯铁，硅钢、坡莫合金41②作永久磁铁的硬磁材料钨钢，碳钢，铝镍钴合金特点：矫顽力(HC)大（>102A/m)，剩磁Br大,磁滞回线的面积大，损耗大。用于磁电式电表中的永磁铁。耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。②作永久磁铁的硬磁材料钨钢，碳钢，铝镍钴合金特点：矫顽力(H42③作存储元件的矩磁材料特点：Br=BS,HC不大，磁滞回线是矩形。锰镁铁氧体，锂锰铁氧体用于记忆元件，当+脉冲产生H>HC使磁芯呈+B态，则–脉冲产生H<–HC使磁芯呈–B态，可做为二进制的两个态。磁化时极性的反转构成了“0”与“1”③作存储元件的矩磁材料特点：Br=BS,HC不大，磁滞回43这种磁性排列的记忆也出现在突然材料中。当闪电通过一条条曲折的路线把电流送到地面，电流产生的强磁场能够突然磁化周围石块中的任何铁磁质。由于磁滞，在闪电打击之后（电流消失之后）这些石块里的物质仍然具有一些磁化的记忆。经过后来的日晒、碎裂和风化变松，形成的石块碎片就是磁石。这种磁性排列的记忆也出现在突然材料中。当闪电通过一条条曲折的44你真的可以听到磁畴转向的声音：使一台录音机进入它的放音模式，但是不要录音带（或者放一个空白带）；把音量开到最大，然后拿一个强磁体放到录音磁头（它是铁磁质）上方。磁场使磁头中的磁畴突然转向，这使得通过绕在磁头上的一个线圈中的磁场突然改变。由此在线圈中突然感应的电流被放大并且传到扩音器，使之发出沙沙声。你真的可以听到磁畴转向的声音：使一台录音机进入它的放音模式，451、顺磁质：2、抗磁质：3、铁磁质：4、超导体:磁介质的分类5、真空中:1、顺磁质：2、抗磁质：3、铁磁质：4、超导体:磁介质的分类46顺磁质和抗磁质磁化的微观机制不同抗磁质主是由分子产生感应磁矩形成——感应磁化顺磁质主要是由分子磁矩规则取向形成——取向磁化顺磁质和抗磁质磁化的微观机制不同抗磁质主是由分子产生感应磁矩47磁化强度磁介质中单位体积内分子磁矩的矢量和代表内第个i分子的磁矩抗磁质：是指分子磁矩；方向与同方向与同是指分子附加磁矩，方向与反方向与反顺磁质：磁化电流线密度与磁极化强度：磁化电流与磁极化强度关系：磁化强度磁介质中单位体积内分子磁矩的矢量和代表48

§3介质中的磁场磁场强度作用总是相互的，既然磁场对磁介质有磁化作用，那么被磁化后的介质反过来也将影响原来的磁场分布下面进一步讨论磁化后的介质对磁场产生的影响，以及有磁介质时如何描述磁场的规律，并介绍场量和磁化强度普遍关系介质中磁场的磁感应强度外磁场由磁化电流产生§3介质中的磁场磁场强度作用总是相互的，既然磁场对49一、介质中磁场的高斯定理二、介质中磁场的安培环路定理穿过以回路为边界的任一曲面的总电流(传导电流＋磁化电流)是导线中的传导电流激发的磁场和磁介质中的磁化电流产生的附加磁场的矢量和一、介质中磁场的高斯定理二、介质中磁场的安培环路定理穿过以回50困难所在：对比电介质学习：考虑无限长直电流情况困难所在：对比电介质学习：考虑无限长直电流情况51(磁场强度)SI中H之单位：A/m取闭合回路l剥去外围磁介质(磁场强度)SI中H之单位：A/m取闭合回路l剥去外围磁介质52物理意义：磁场强度沿闭合路径的线积分，等于环路所包围的传导电流的代数和。有介质时的安培环路定理注意：的环流只与传导电流有关，在形式上与磁介质无关H的单位：真空：A/m

（SI）；物理意义：磁场强度沿闭合路径的线积分，等于环路所包围的传导电53三、各向同性的磁介质表示了磁介质中任意点处磁感应强度、磁场强度和磁化强度之间的普遍关系可以写成各向同性磁介质，在外场不太强的情况下实验证明：与成正比只与介质的性质有关，称为磁介质的磁化率三、各向同性的磁介质表示了磁介质中任意点处可以写成各向同性磁54如果介质是不均匀的是空间位置的函数如果介质是均匀的是常数代入令磁介质的相对磁导率磁介质的磁导率顺磁性：抗磁性：如果介质是不均匀的是空间位置的函数如果介质是55r1

r2界面在两种不同的磁介质分界面两侧B和H一般要发生突变，但必须遵循一定的边界条件。在磁导率分别为r1和r2的分界面处作一扁平的柱状高斯面,对此高斯面运用磁场高斯定理S四、边界条件即或，表示从一种介质过渡到另一种介质，磁感应强度的法向分量不变。r1r2界面在两种不同的磁介质分界面两侧B和H一般要56在介质分界面处作一矩形的回路abcda，使两长边分别处于两种介质中与界面平行，短边很小即H1t=H2t，表示从一种介质过渡到另一种介质，磁场强度的切向分量不变。

假设在界面上不存在传导电流，根据安培环路定理有bacd取切向单位矢量t的方向沿界面向上。r1

r2界面l在介质分界面处作一矩形的回路abcda，使两长边分57利用磁高斯定理和安培环路定理可证明：在不同介质交界面两侧的磁场满足如下边界条件：利用磁高斯定理和安培环路定理可证明：在不同介质交界面两侧的磁58电介质中的高斯定理磁介质中的安培环路定理电介质中的高斯定理磁介质中的安培环路定理59

称为相对电容率或相对介电常量。

之间的关系

之间的关系

称为相对磁导率磁导率介电常数称为相对电容率之间的关系60静电场与静磁场的比较静电场静磁场（稳恒磁场）物理量高斯定理环路定理性质方程(各项同性且外场不太强）静电场与静磁场的比较静电场静磁场（稳恒磁场）物理量高斯定理环61例1：半径为R1的一无限长载流直导线，沿轴向有电流强度为I的均匀电流，其外包围一层半径为R2的磁介质，相对磁导率(2)介质内外界面上的束缚电流密度求解根据磁介质的安培环路定理(1)磁介质中的磁化强度和磁感应强度由磁化强度与束缚电流密度的关系内界面:外界面:例1：半径为R1的一无限长载流直导线，沿轴向有电流强度为I的62例2：有两个半径分别为r和R的“无限长”同轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁导率为r

的磁介质。当两圆筒通有相反方向的电流I时，试求：(1)磁介质中任意点P的磁感强度的大小；(2)圆柱体外面一点Q的磁感强度。解(1)这两个“无限长”的同轴圆筒，当有电流通过时，其磁场是柱对称分布的。例2：有两个半径分别为r和R的“无限长”同轴圆筒形导体，在它63磁介质中点P的磁感强度的大小：(2)圆柱体外面一点Q的其磁场仍是柱对称分布的。点Q的磁感强度的大小：磁介质中点P的磁感强度的大小：(2)圆柱体外面一点Q的其磁场64例3：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。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；RIBHrabcd1.介质内部

作abcda矩形回路。在环路上应用介质中的环路定理：回路内的传导电流代数和为：例3：长直螺线管半径为R，通有电流I，线圈密度为n65cd段处在真空中，有M=0；B=0，在bc和da段上RIBHrabcdcd段处在真空中，有M=0；B=0，在bc和da662.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：真空中RIBHrabcd2.管内真空中作环路abcda;在环路上应用介质中的安67

§4铁磁性铁磁质主要特征在外磁场中，铁磁质可使原磁场大大增强。100－1000倍撤去外磁场后，铁磁质仍能保留部分磁性。铁磁质铁、钴、镍、镝及其合金或氧化物为代表的材料§4铁磁性铁磁质主要特征在外磁场中，铁磁质可使原磁场大6805101520磁强计A测量H测量B的探头（霍尔元件）电阻换向开关电流表螺绕环铁环狭缝测量磁滞回线的实验装置一、铁磁质的磁滞回线——铁磁质的磁化规律05101520磁强计A测量H测量B的探头电阻换电流表螺绕6905101520磁强计A....BHabcos饱和磁感应强度BsBsBsH铁磁质的磁化规律初始磁化曲线B-H曲线形成过程从磁强计中可以测得B根据电流的测量再由式可得到H05101520磁强计A....BHabcos饱和磁感应强度70Br剩余磁感应强度Br.d.es..HcB..BHabco铁磁质的磁化规律矫顽力cH05101520磁强计A从磁强计中可以测得B根据电流的测量再由式可得到HBr剩余磁感应强度Br.d.es..HcB..BHabco铁7105101520磁强计As....cHrBB..BHcHabcdeof.矫顽力剩余磁感应强度饱和磁感应强度sBrB从磁强计中可以测得B根据电流的测量再由式可得到H铁磁质的磁化规律05101520磁强计As....cHrBB..BHcHab7205101520磁强计As...cH...cHrBB..BHcHabcdef.rBgo矫顽力剩余磁感应强度饱和磁感应强度sBrB从磁强计中可以测得B根据电流的测量再由式可得到H铁磁质的磁化规律05101520磁强计As...cH...cHrBB..BH7305101520磁强计AcsrHB.......cHrBB..BH磁滞回线cHabcdefgo矫顽力剩余磁感应强度饱和磁感应强度磁滞现象：sBrB从磁强计中可以测得B根据电流的测量再由式可得到H05101520磁强计AcsrHB.......cHrBB.74铁磁质中不是线性关系(1)实验证明：各种铁磁质的磁化曲线都是“不可逆”的，具有磁滞现象。讨论(2)不同材料，矫顽力不同。

剩磁矫顽力(3)铁磁质温度高于某一温度TC时,铁磁质转化为顺磁质,此临界温度称为居里点。铁磁质中不是线性关系(1)实验证明：各种铁磁质的磁化曲线都75顺磁质非常数，铁磁质抗磁质顺磁质非常数，铁磁质抗磁质76二、铁磁质的理论解释磁畴(magneticdomain)

：原子间电子交换耦合作用很强，促使其自旋磁矩平行排列形成磁畴－－自发的磁化区域。体积约为10-10~10-8m3。磁畴在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁质不显磁性；在外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场迅速增加，在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。Bo铁磁性主要来源于电子的自旋磁矩。

二、铁磁质的理论解释磁畴(magneticdomain)77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。磁饱和状态HBoabcd起始磁化曲线饱和磁化强度MS等于每个磁畴中原来的磁化强度，该值很大，这就是铁磁质磁性r大的原因。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78磁滞

(hysteresis)现象是由于掺杂和内应力等的作用，当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状，而表现出来。磁滞伸缩(magnetostriction)是因磁畴在外磁场中的取向，改变了晶格间距而引起的。当温度升高时，热运动会瓦解磁畴内磁矩的规则排列；在临界温度（相变温度Tc）时，铁磁质完全变成了顺磁质。居里点Tc(CuriePoint)铁磁体于铁电体类似；在交变场的作用下，它的形状会随之变化，称为磁致伸缩（10-5数量级）它可用做换能器，在超声及检测技术中大有作为。如：铁为1040K，钴为1390K，镍为630K不同铁磁质具有不同的转变温度磁滞(hysteresis)现象是由于掺杂和内应力等的作79纯铁硅铁钴磁畴纯铁硅铁钴磁畴80Si-Fe单晶(001)面的磁畴结构箭头表示磁化方向0.1mmSi-Fe单晶箭头表示