大学物理下第12章磁场中的磁介质

磁场中的磁介质第十二章12-1

磁介质磁化强度磁介质——能与磁场产生相互作用的物质磁化——磁介质在磁场作用下所发生的变化一、物质磁性的概述RI无磁介质时：RI磁介质加入磁介质后附加磁场根据的大小和方向可将磁介质分为四大类RI锰、铬、氮气----1）此种磁介质称为顺磁质RI银、铜、氢….2）此种磁介质称为抗磁质弱磁质RI铁、钴、镍及其合金3）此种磁介质称为铁磁质强磁质4)超导体B=0二、分子电流与分子磁矩电子绕核的轨道运动电子本身自旋等效于圆电流——分子电流分子磁矩分子磁矩在外磁场中受到磁力矩作用，使它向磁场方向偏转物质的抗磁性：分子磁矩受到的力矩角动量定理绕磁场进动产生一附加磁矩与原磁场方向相反1、顺磁质分子的固有磁矩不为零无外磁场作用时，由于分子的热运动，分子磁矩取向各不相同,整个介质不显磁性。三、磁介质的顺磁性与抗磁性有外磁场时，分子磁矩要受到一个力矩的作用，使分子磁矩转向外磁场的方向。分子磁矩产生的磁场方向和外磁场方向一致，顺磁质磁化结果，使介质内部磁场增强。（顺磁质）得多,忽略不计。因此磁介质中的磁场是加强了。指出一点：附加磁矩与相比要小2、抗磁质分子的固有磁矩为零在外磁场作用下产生附加磁矩电子的附加磁矩总是削弱外磁场的作用。抗磁性是一切磁介质共同具有的特性。总与外磁场方向反向任一体积元中3、介质磁化的过程如下：在外场中顺磁质抗磁质在外场中四、磁化强度与磁化电流1、定义磁化强度：在被磁化的磁介质中，单位体积内分子磁矩的矢量和。分子的固有磁矩的矢量和附加磁矩的矢量和讨论：在磁介质被磁化后也可以不同，非均匀磁化（1）可以相同，均匀磁化（2）对于顺磁质：附加磁场与原磁场同向对于抗磁质：附加磁场与原磁场反向磁化电流分子电流的宏观表现Is——磁化面电流，安培表面电流αs——沿轴线单位长度上的磁化电流（磁化面电流密度）2、磁化强度与磁化电流的关系取如图所示的积分环路abcda:磁化强度对闭合回路L的线积分，等于穿过以L为周界的任意曲面的磁化电流的代数和。磁化强度M在量值上等于磁化面电流密度。adcbS一、磁介质中的高斯定理通过磁场中任一闭合曲面的总磁通量为零磁介质中的高斯定理12-2介质中的磁场磁场强度真空中二、磁介质中的安培环路定理定义磁场强度在稳恒磁场中，磁场强度矢量沿任一闭合路径的线积分（即环流）等于包围在环路内各传导电流的代数和，而与磁化电流无关。单位：安培/米(A/m)几点说明：1）是一辅助物理量，描述磁场的基本物理量仍然是（名称张冠李戴了）3）是一普遍关系式，可以写成：2）的单位是A/m（SI制）三、各向同性的磁介质介质的磁导率令：称为相对磁导率电介质中的高斯定理磁介质中的安培环路定理

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量例1一环形螺线管，管内充满磁导率为μ，相对磁导率为μr的顺磁质。环的横截面半径远小于环的半径。单位长度上的导线匝数为n。

求：环内的磁场强度和磁感应强度解：例2一无限长载流圆柱体，通有电流I，设电流

I

均匀分布在整个横截面上。柱体的磁导率为μ，柱外为真空。求：柱内外各区域的磁场强度和磁感应强度。解：IR在分界面上H

连续,B

不连续IR练习一磁导率为1的无限长圆柱形直导线，半径为R1，其中均匀地通有电流I。在导线外包一层磁导率为2

的圆柱形不导电的磁介质，其外半径为

R2，如图所示。求磁场强度和磁感应强度的分布。21IR2R1解：由安培环路定律21IR2R1练习一电缆由半径为R1的长直导线和套在外面的内、外半径分别为R2和R3的同轴导体圆筒组成，其间充满相对磁导率为µr的各向同性非铁磁质。电流I由中心导体流入，由外面圆筒流回。求磁场分布。解：由介质中的安培环路定理无限长直电流的磁场圆电流中心的磁场长螺线管电流中部的磁场环形长螺线管中部的磁场无限大均匀磁介质中磁场的毕-萨定律静电场与静磁场的比较静电场静磁场（稳恒磁场）对应量高斯定理环路定理性质方程1、铁磁质的特性12-3

铁磁质一、铁磁质的磁化规律（1）能产生特别强的附加磁场,使磁介质中的远大于,其值可达几百、甚至几千以上（2）铁磁质的磁导率不是常量，与不是线性关系（3）磁化强度随外磁场而变，其变化落后于外磁场的变化，而且在外磁场停止作用后，仍保留部分磁性里点，当温度超过居里点时，铁磁质转变为顺磁质。（4）一定的铁磁材料存在一特定的临界温度—居2、磁化曲线磁强计测量B,如用感应电动势测量或用小线圈在缝口处测量；由得出曲线铁磁质的不一定是个常数，它是的函数原理:

励磁电流I;

用安培定理得H05101520磁强计AB和H也不是线性关系初始磁化曲线.......矫顽力饱和磁感应强度磁滞回线剩磁3、磁滞回线

B的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应。磁滞回线--不可逆过程在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高的磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。①磁化过程不可逆④存在损耗②M、B、H不是线性关系，且非单值每个H对应不同的B，与磁化的历史有关。③去磁在没有达到饱和值之前，减小外磁场，反复进行二、铁磁质内的磁畴结构根据现代理论，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”。相互间有一很薄的过渡层称为畴壁。多晶磁畴结构示意图1、自发磁化和磁畴2、铁磁质的磁化机理（1）无外磁场时，各磁畴的磁化方向不同，对外不显磁性。（2）在外磁场作用下，磁畴发生变化。A

外磁场较弱时，凡磁矩方向与外磁场相同或相近的磁畴都要扩大（畴壁向外移动）。B

随着外磁场的不断增强，取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失，留存的磁畴将向外磁场的方向转向，再增大外磁场，所有磁畴沿外场方向整齐排列，这时磁化达到饱和。（3）

畴壁的外移及磁畴磁矩的取向是不可逆的，当外磁场减弱或消失时磁畴不按原来变化规律逆着退回原状。这解释了磁滞的原因。（4）既然磁畴起因于电子自旋磁矩的自发有序排列，而热运动是有序排列的破坏者，因而当温度高于某一临界时，磁畴就不复存在，铁磁质就变为普通顺磁质。这一临界温度叫居里点。把一块有剩磁的铁磁质加热至居里点以上再冷却，其剩磁会完全消失。例如，铁的居里点是1043K。顺磁性

来自分子的固有磁矩。抗磁性

起因于电子的轨道运动在外磁场作用的变化。铁磁性

起因于电子自旋磁矩的自发有序排列。三种磁介质起因的比较显示磁畴结构的铁粉图形纯铁硅铁钴三种铁磁性物质的磁畴Si-Fe单晶(001)面的磁畴结构箭头表示磁化方向三、铁磁质的应用1、软磁材料特点：①矫顽力小，（）磁滞特性不明显，磁滞损耗低，磁滞回线成细长条。②大，易磁化，也易退磁用途：适用于交变磁场中电子设备中的各种电感元件、变压器、镇流器，电动机和发电机中的铁芯等。继电器、电磁铁的铁芯也用软磁材料。纯铁，硅钢坡莫合金(Fe，Ni)，铁氧体等。2、硬磁材料——作永久磁铁钨钢，碳钢，铝镍钴合金3、矩磁材料——作存储元件Br=BS

，Hc不大，磁滞回线是矩形。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。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。锰镁铁氧体，锂锰铁氧体例1、图示为三种不同的磁介质的B~H关系曲线，其中虚线表示的是B=oH的关系。a、b、c各代表哪一类磁介质的B~H关系曲线：a代表的B~H关系曲线。铁磁质b代表的B~H关系曲线。c代表的B~H关系曲线。顺磁质抗磁质抗磁质和顺磁质的B和H间是线性关系,相对磁导率r与1相差不大。在一般性(精度要求不高)的问题中，可以把抗磁质和顺磁质的相对磁导率r看作是1。BHabc对铁磁质，B和H间是非线性的,相对磁导率r>>1。

例2、一矩磁材料具有矩形磁滞回线，如图（1）所示，外加磁场一超过矫顽力，磁化方向就立即翻转。矩磁材料可以用于制作电子计算机中存储元件的环形磁芯。图（2）为这样的磁芯，其外直径为0.8mm，内直径为0.5mm，高为0.3mm，若磁芯原来已被磁化，方向如图。现需使磁芯中自内到外的磁化方向全部翻转，长直导线中脉冲电流im的峰值至少需多大？设磁芯矩磁材料的矫顽力为（1）（2）解：假定磁芯中的磁感应线为与磁芯共轴的同心圆，则由安培环路定理则载流直导线在磁芯中产生的磁场强