《电磁学》第6章 第6.3 介质的磁化规律(2学时)

华侨大学信息科学与工程学院电子科学与技术系Email：zllin@林志立《电磁学》第六章磁介质（6学时）QQ群：200310752内容概要第六章磁介质（6学时）§6.1分子电流观点（1学时）*§6.2等效的磁荷观点（自学）§6.3介质的磁化规律（2学时）§6.4边界条件和磁路定理（2学时）§6.5磁场的能量和能量密度（1学时）§6.3介质的磁化规律6.3.1磁化率和磁导率实验表明：各向同性非铁磁质中每点

与成线性关系，

其中为磁介质的磁化率，反映介质内每点处的磁特性。（1）磁化规律§6.3介质的磁化规律6.3.1磁化率和磁导率（2）将代入可得：

一些教材写为一些教材写为在一般情况下均成立；而仅在线性磁介质

中成立。说明(2)§6.3介质的磁化规律6.3.1磁化率和磁导率（2）应用：将和结合，可求解对称、特殊分布的磁介质结构中的磁场问题。[例1]充满各向同性均匀磁介质的螺绕环中的磁场填充磁介质后，磁场被放大了μ倍。μ§6.3介质的磁化规律6.3.1磁化率和磁导率[例2]轴对称系统无限长金属载流线，半径为r0，电流强度为I0，外部包裹有各向同性均匀磁介质，磁导率为，半径为R，求B的空间分布。§6.3介质的磁化规律6.3.1磁化率和磁导率[例3]介质中闭合回路L所套连的磁化电流为：证明：L任取，且可无限缩小，故I0

=0处I=0L磁介质若无传导电流处，也无磁化电流。试证明在各向同性均匀磁介质内部，§6.3介质的磁化规律6.3.2顺磁质和抗磁质（1）磁介质分类顺磁质抗磁质§6.3介质的磁化规律铁磁质抗磁质顺磁质6.3.2顺磁质和抗磁质§6.3介质的磁化规律抗磁质(m分子＝0）磁化微观机制顺磁质（

m分子≠0）磁化微观机制（2）弱磁质磁化的微观机制（a）分子无固有磁矩，组成抗磁质的物质分子磁矩：（b）电子轨道磁矩对外磁场的响应（简单说明）在顺磁性物质中，分子具有固有磁矩。无外磁场时，由于热运动，各分子磁矩的取向无规，在每个宏观体积元内合成的磁矩为0，不产生磁场。在外磁场中每个分子磁矩受到一个力矩，各分子磁矩在一定程度上沿外场排列起来，产生磁化磁场。温度高，磁性下降。6.3.2顺磁质和抗磁质§6.3介质的磁化规律外加磁场B0→fL（与f库伦同向）→f向心增加→轨道线速度V增加(f向心=mv2/r）(r=c)→轨道磁矩m增加→→→产生抗磁外加磁场，多了洛伦兹力，r不变库伦力附加磁矩与外磁场反向6.3.2顺磁质和抗磁质§6.3介质的磁化规律外加磁场→fL（与f库伦反向）→f向心减小→轨道线速度V降低(f向心=mv2/r）(r=c)→轨道磁矩m减小→→

产生抗磁→→△ω总与B的方向一致，从而感生的附加磁矩△m总与B的方向相反。附加磁矩与外磁场反向6.3.2顺磁质和抗磁质§6.3介质的磁化规律6.3.3铁磁质的磁化规律（1）铁磁质定义：铁磁质是指以铁为代表的一类磁性很强（χm很大）的物质。

通常为过渡金属（铁，钴、镍）、稀土元素(如钆、镝、钬）；或铁与其他金属或非金属的合金：如铷铁硼、氧化铁、铁氧体。这些磁性材料不一定具有永久磁性。

（2）铁磁质磁化规律和性质：铁氧体材料§6.3介质的磁化规律6.3.3铁磁质的磁化规律IBH铁磁质霍耳器件探头螺绕环0-+高斯计测B电流计测IHI()80-+饱和剩磁矫顽力铁磁质磁化研究的示意图高斯计（霍尔效应）or冲击电流计（电磁感应）改变电流测出：M~H,B~H曲线§6.3介质的磁化规律6.3.3铁磁质的磁化规律起始点：H=0(I0=0)，B=0,M=0磁化曲线特征：①

起始磁化曲线（第一次加磁场）（d）结果

为什么两曲线性状类似？abcsabcs饱和磁化强度饱和磁感应强度起始磁化曲线M-H起始磁化曲线B-H§6.3介质的磁化规律6.3.3铁磁质的磁化规律②abcs起始(相对）磁导率：起始磁化率：最大磁化率：最大(相对）磁导率：§6.3介质的磁化规律6.3.3铁磁质的磁化规律③磁滞回线问题：外加电流降低，H变小，M如何变化？起始磁化反向退磁正向充磁正向退磁§6.3介质的磁化规律6.3.3铁磁质的磁化规律③磁滞回线起始磁化反向退磁正向充磁正向退磁磁滞回线§6.3介质的磁化规律6.3.3铁磁质的磁化规律

“磁滞”的含义指：M,B的大小变化滞后于H（或I0）④有关解释及性质磁滞回线“回线”M=0,B是否也同时为零？非线性、非单值关系铁磁质的M~H，B~H关系性质：不但非线性，而且非单值。M,B的数值除了与H（I0）数值有关外，还决定于介质的磁化历史。§6.3介质的磁化规律6.3.3铁磁质的磁化规律问题：充磁后如何恢复到M=0,B=0的状态？即如何消磁？录音磁带的交流消磁方法：先把磁带放在交流磁场中，然后渐渐移出．§6.3介质的磁化规律6.3.4磁滞损耗铁芯在交变磁场中有能量损耗——铁损。铁损包括两个方面：铁磁介质的磁滞损耗分析：§6.3介质的磁化规律6.3.4磁滞损耗电源做功计算：§6.3介质的磁化规律6.3.4磁滞损耗电源做功计算：正功负功净功做功分析：§6.3介质的磁化规律6.3.4磁滞损耗一个周期后，铁心螺线管的自感磁能不变，但电源做正功。

A=ΔWm(=0)+

ΔW？

图中磁滞回线所包围“面积”代表在一个磁化循环中单位体积的铁芯内损耗的能量。磁畴摩擦--热能讨论:

线性磁介质没有磁滞，回线面积为零，没有对应磁化损耗。§6.3介质的磁化规律6.3.5铁磁质的分类三类常见的铁磁材料及其磁滞回线形状HBOHBOHBO软磁材料硬磁材料（永磁体）矩磁材料矫顽力小,易充、退磁.如纯铁硅钢等.用于电机变压器继电器等的铁芯.矫顽力大,剩磁也大.如锰镁铁氧体等用于电磁仪表扬声器等的永久磁铁.剩磁值接近饱和值.如碳钢钡铁氧体等.两剩磁态可控翻转,用于计算机儲存元件.磁化损耗小§6.3介质的磁化规律6.3.6铁磁质的微观结构铁磁性产生的条件：①原子本征磁矩不为零，原子内部要有末填满的电子壳层。对于过渡族金属，原子的3d的状态与s态能量相差不大，因此它们的电子云也将重叠，引起s、d状态电子的再分配。这种交换便产生一种交换能Eex(与交换积分有关)，这种相邻原子的电子交换效应，其本质仍是静电力迫使相邻原子内d层末抵消的自旋磁矩同向排列起来。②要有一定的晶体结构，并且原子核之间的距离Rab与参加交换作用的电子距核的距离(电子壳层半径)的比值r之比要大于3，使交换积分A为正。量子力学计算表明，当磁性物质内部相邻原子的电子交换积分为正时(A＞0)，相邻原子磁矩将同向平行排列，从而实现自发磁化。这就是铁磁性产生的原因。量子理论解释：铁磁性的产生机理§6.3介质的磁化规律6.3.6铁磁质的微观结构磁畴(MagneticDomain)所谓磁畴，是指铁磁体材料在自发磁化的过程中为降低静磁能而产生分化的方向各异的小型磁化区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同，如图所示。

各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，它也就不能吸引其它磁性材料。也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。

磁畴理论使得可用量子理论从微观上说明铁磁质的磁化机理。§6.3介质的磁化规律6.3.6铁磁质的微观结构纯铁硅铁钴§6.3介质的磁化规律6.3.6铁磁质的微观结构铁磁性的产生机理在没有外磁场的条件下，相邻原子中的电子自旋磁矩，可以自发地平行排列，形成一个个小的自发磁化微区-----磁畴。(畴：已耕作的田地，被沟垄划分成块)

各种材料磁畴的线度相差较大：微米--毫米。一个磁畴中约有1012--1015个原子。(由电子自旋磁矩引起)

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

无外磁场：各磁畴磁化方向杂乱无章----对外不显磁性§6.3介质的磁化规律6.3.6铁磁质的微观结构加大外磁场时：磁场较弱：自发磁化方向与外磁场方向相同或相近的磁畴的体积逐渐增大，反之则逐渐缩小(畴壁运动)磁场较强：缩小着的磁畴消失，其它磁畴的磁化方向转向外场方向。外场越强，转向越充分。所有磁畴都沿外磁场方向排列时则达到饱和磁化状态。H0HHHH§6.3介质的磁化规律6.3.6铁磁质的微观