第八章 恒定电流的磁场(磁介质中的磁场部分)

§8-12磁介质的磁化磁导率§8-13磁介质中的磁场有介质时的安培环路定律磁场强度§8-14铁磁质第八章恒定电流的磁场

（磁介质中的磁场部分）1.了解磁介质的磁化及其微观解释；2.理解磁介质中安培环路定理的意义；3.了解铁磁质的一些重要特性及应用。教学要求：§8-12磁介质的磁化磁导率在管内放入磁介质，磁场变为B，且：B≠B0对长直螺线管（管内无磁介质），通以电流I时，管内磁场：B0

=0nI⊙××××××××××××××××××××⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙I以上说明：磁介质放入外磁场B0中，要产生附加磁场B’，使外磁场发生变化——磁介质的磁化。r

反映了磁介质被磁化后对电流磁场的影响程度，称为磁介质的相对磁导率（是一纯数）。总磁场：B=r

B0=r

0

nI=nI

磁导率的单位：与

0

相同，即（Wb/A.m），或（T.m/A），或（N/A2）。磁介质中的总场为：

实验测知：B/B0=r

=

0

r——磁导率一、磁介质及其分类磁介质置于B0中，激发附加B：1、顺磁质

r>1、r

~1

、

~0，r、

一般是常数

可见B>B0

、B

与B

同向。如：锰（Mn）、铬（Cr）、铂（Pt）、氮（N2）等。2、抗磁质

r<1、r~1

、

~0，r、

一般是常数

可见B<B0

、B与B

反向。如：水银（Hg）、铜（Cu）、铋（Bi）、硫（S）、氢（H2）、银（Ag）、金（Au）、锌（Zn）、铅（Pb）等。3、铁磁质

r>>1、

>>0

，r、

不是常数

可见B>>B0

、B

与B

0不仅同向而且B

>>

B

0

。

如：天然铁磁质：铁（Fe）、镍（Ni）、钴（Co）等。人造铁磁质：铁氧体。二、分子电流和分子磁矩分子中电子和核的运动都能产生磁效应，分子对外界磁效应的总和可用一个等效的圆电流来代替，称为分子电流，其磁矩称为分子磁矩，用表示。抗磁性物质：各分子磁矩完全抵消而不存在固有磁矩。顺磁性物质：各分子磁矩不完全抵消而存在固有磁矩。但无外场时，由于分子电流的取向在各方向几率一样，因此对外不显磁性。

分子电流—分子或原子中各电子磁效应的总和所等效的一个圆电流。分子磁矩—分子电流环的磁矩，为分子中各电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。等效在外场作用下，原子或分子中各个电子因进动而产生附加磁矩，用表示。无论是抗磁物质还是顺磁物质总是与反向。1、抗磁质的磁化与的方向相反，与的方向相反，三、顺磁质和抗磁质磁化的微观机理磁介质在外场中受到两种作用：磁矩转向和电子进动。轨道角动量电子除作轨道运动和自旋外，还要以恒定角速度绕外场方向作进动，进动方向与外磁场方向成右手螺旋系。所以，电子进动电流环（负电）的磁矩与外场反向。B0B0电子轨道运动电子轨道运动电子进动转向电子进动转向电子磁矩电子磁矩电子角动量-e-ePmPm与的方向相同，与的方向相反，与的方向相同但故抗磁性显现不出来，2、顺磁质的磁化无序排列而不显磁性分子固有磁矩在外场中重新取向，产生磁场与外磁场同向。加外场时B0无外场时§8-13磁介质中的磁场有介质时的安环定律磁场强度抗磁质无外场时顺磁质无外场时结论：磁介质放入外磁场后，表面上会出现磁化电流。加外场后I

加外场后I

加外场后I

以I

表示环路内所包围的磁化电流，由安培环路定律，B的环流应为：一般不知道！磁场中充满均匀磁介质后，对磁场B0仍有：传导电流的代数和IIL——有介质时的安环定律其中H

称为磁场强度矢量代入（1）式得同时对磁化电流和附加磁场有：令得由B的环流还可求得磁化面电流I’

：磁介质存在时的安环定律：先求得H值，再由B=μH

求得B值。对具有对称性的磁场，可由H

的环流：H

的环流定律：B的环流定律：与传导电流和磁化电流均有关。只与传导电流有关。解：1、作矩形环路abcda

，则H的环流为：由有介质的安环定律即Hl=Inl

∴H=nI

即B=μH=μnI=μrμ0nI例1：长直螺旋管，单位长度的匝数为n

，通以电流I

，充满相对磁导率为μr>1均匀磁介质。求管内磁感应强度B和磁介质表面的磁化面电流密度j’。

Hr、Br

ba

cd由而方法二：传导电流的磁场B0=μ0nI

磁化电流的磁场B

’

=μ0j’

有磁介质时的总磁场即B=B0+B’

=μ0nI+μ0j

’

而B=μrB0=μrμ0nI

即μrμ0nI=μ0nI+μ0j

’∴j

’=（μr-1）nI2、求磁化面电流：方法一：即Bl=（Inl+j’

l）

B=In+j’

又B=μrμ0nI∴j’

=（μr-1）nI例2、磁导率为μ1的无限长圆柱体，半径为R1，通有电流I

。在它外面有同轴圆柱面，半径为R2

，通以相反的电流I

。二者之间充满磁导率为μ2的均匀磁介质。（1）求以下各处的磁感应强度B：（a）r<R1

（b）R1<r<R2

（c）r>R2

（2）求μ2的磁化面电流IS

。∴解：（a）r<R1

以r为半径作环路L1有

（b）R1<r<R2

以r为半径作环路L2

有

I

I

R1R2rr（c）r>R2

以r为半径作环路L3有已知总场在μ2中作安培环路L（2）求μ2的磁化面电流I

S

。设μ2内表面磁化面电流为I

S

。∴H3=0B3=0即II⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙×××××××××××××××××××××××××I

SII∵B=0

在μ2

介质外表面上的磁化面电流为I’S

。由∴⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙×××××××××××××××××××××××××I

SIII’SL3一、铁磁质的特征1.r

>>1，产生特强附加磁场B。2.r与磁化的过程有关，r、

不是常数，而是与H有关，B与

H

非线性。3.磁滞现象：B的变化落后于外磁场H的变化。磁化场H取消后，仍有剩磁存在。4.居里温度：铁磁材料存在一特定的临界温度，称为居里点，当温度高于居里点时，铁磁质铁磁质转化为顺磁质。§8-14

铁磁质特点：1.起始磁化曲线非线性（H—B）

随H变化二、磁化曲线、磁滞回线HBOB—H饱和磁感应强度Bm起始磁导率起始磁化曲线最大磁导率μmr—HμI实验测量：通常把铁磁质试样做成环状，外面绕上若干线圈电流计测量I，磁通计测量

B，得到试样的H～B曲线。A外磁场撤去后,仍能保留部分磁性存在，这种现象称为剩磁现象。铁磁质的初始磁化、消磁、反向磁化过程构成一图所示的闭合曲线，称为磁滞回线。由闭合曲线看到，B的变化总是落后于H的变化。这种现象称为磁滞现象。2.磁滞回线及磁滞现象HB磁滞回线

Bm：饱和磁感应强度

Br

：剩磁

（H=0）

Hc：矫顽力

（B=0）

bc段称为退磁曲线反复磁化时能量的损失称为磁滞损耗。磁滞回线面积大小表示磁滞损耗的大小。磁滞回线B

Bm

Br

-Hc

Habf0ced

三、

铁磁质的分类

不同铁磁性物质的磁滞回线有很大差异。图示三种铁磁材料的磁滞回线。b）硬磁材料a）软磁材料c）矩磁铁氧体材料HBHBHB

1、软磁质：矫顽力Hc小，回线细窄，损耗小。容易磁化也容易退磁。如：软铁、硅钢、玻莫合金等。用途：适用于交变磁场。各种电感元件、变压器、镇流器、电机、继电器、电磁铁的铁心。a）软磁材料Hc

~1（A/m）

HB2、硬磁质：矫顽力Hc大，回线宽，剩磁大，不易退磁。如：碳钢和特种钢。用途：适用于作永磁体。各种电表表头、扬声器、拾音器、耳机、电话机、录音机等。Hc

~104-106（A/m）

b）硬磁材料HB标志硬磁质材料性能好坏的指标是Br和Hc，在Br和Hc已知时，退磁曲线越接近矩形，最大磁能积（BH）m就越大，越不易退磁。c）矩磁铁氧体材料HB(BH)m四、铁磁质的微观结构、磁畴铁磁质的磁性主要来源于电子的自旋磁矩，按照量子力学理论，电子的自旋沿平行方向排列时能量较低。因此，铁磁质的自旋磁矩可在小范围内平行排列，从而在铁磁质的内部形成了一些自发磁化的小区域———磁畴.每一磁畴中，各原子排列很整齐，因此具有很强的磁性。但不同的磁畴排列方向彼此不同，所以没有外磁场时，各磁畴磁矩相互抵消，对外不显磁性。加上外磁场

：各磁畴磁矩取向趋于一致，且与外磁场方向相同，所以在不强的外磁场下，铁磁质会表现出很强的磁性。通常铁磁质产生的附加磁场要比外磁场要大好几个数量级。显出宏观磁性的过程称为技术磁化。Si-Fe单晶001面的磁畴结构技术磁化过程：无外场时H加外场（1）壁移：磁矩方向与外场接近的磁畴的边界扩大。这一过程是突然进行的。（2）转向：磁矩转向外场方向。磁畴转向时要受到摩擦阻力的作用。（3）饱和：所有磁畴都转向外场方向HH技术磁化过程：

存在居里点的原因：高温时，铁磁质中的自发磁化区域磁畴受到剧烈的分子热运动的破坏，磁畴被瓦解,铁磁质的特性消失,过渡到顺磁质.不同的铁磁质居里温度亦不同.

铁磁质的磁滞及剩磁原因：用于磁畴的转向需要克服阻力（来自磁畴间的摩擦），因此当外磁场减弱或消失时磁畴并不按原来的变化规律退回原状，因而表现磁滞现象。当外磁场停止作用后，磁畴的某种排列被保留下来，使得铁磁质仍能保留磁性。

碰撞也会改变磁畴的有序排列，因此，永磁体切忌摔、砸，以防退磁。

铁磁质在磁化时，磁畴中磁化方向的改变会引起介质晶格间距的改变，从而长度和体积会发生变化，这种现象称为磁致伸缩。铁磁质的实际应用——

磁记录把铁磁质材料制成粉状，用粘结剂涂敷在特制的带、圆柱、或圆盘的表面，称为磁带、磁鼓