chapter11磁场的磁介质2014

第11章磁场中的磁介质

11.1

磁介质的磁化

11.2

有磁介质时的高斯定理和安培环路定理

11.3

铁磁质

2/25

物质放在电场中→电场作用→被极化；反过来，极化→影响物质中电场的分布。～电介质

研究了电介质的极化机制、极化规律以及在电介质中电场的分布。

物质放在磁场中→磁场作用→被磁化；反过来，磁化→影响物质中磁场的分布。～磁介质

采用研究电介质相同的思路来研究磁介质。束缚(极化)电荷；电极化强度→电位移矢量→有电介质的高斯定理束缚(极化)电流；磁化强度→磁场强度→有磁介质的安培环路定理3/2511.1磁介质的磁化一、介绍磁介质：讨论磁场与物质相互作用时，磁场中的物质

磁化：磁介质在磁场作用下内部状态的变化称为磁化。物质的磁性：分子、原子的电结构不同，对磁场的影响不同，即不同磁性。

设磁化后空间任一点的磁感应强度为原磁场与磁化后产生的附加磁场的矢量和。

附加磁场真空中磁场磁介质总磁场4/25

相对磁导率μr

：描述磁介质由于本身性质决定磁化程度的物理量。对均匀磁介质，电介质：极化束缚电荷极化强度电位移

磁介质：磁化束缚电流磁化强度磁场强度5/252

顺磁质:1

抗磁质:3

铁磁质:如锌,铜,水银,铅如锰,铬,氧,氮如铁,钴,镍等说明：2）对铁磁质，μr

为变量3）对铁磁质中的永磁体，μr∞，不再采用该量1）对弱磁性物质（顺磁质或抗磁质），μr

为常量二、磁介质的分类6/25三、磁介质的磁化机理1、电子磁矩和分子磁矩分子由原子组成；电子的自旋环绕原子核的高速旋转原子核电子→原子一个电子电流环磁矩定义：电子轨道磁矩+自旋磁矩为电子磁矩分子中所有电子(～不是自由电子)电流环的对外产生磁效应的总效果等效为一个电流环～分子电流分子(固有)磁矩：7/25顺磁质:分子固有磁矩不为零。(类似电介质中有极分子)当时当分子磁矩受外磁场磁力距作用分子磁矩倾向于沿外磁场方向排列，磁矩的矢量和沿外磁场方向有一定量值，即2、顺磁质的磁化（无序有序）8/25有序排列的分子磁矩，在宏观上形成束缚电流，它产生附加磁场，

固有磁矩外磁场附加磁场9/25产生附加磁矩与反向。ee⊙抗磁质：分子固有磁矩为零。3、抗磁质的磁化10/25外磁场附加磁场分子感应磁矩在宏观上形成束缚电流，它产生附加磁场。说明：抗磁效应普遍存在。顺磁质中也有，只是顺磁质的磁化效应大于抗磁效应，宏观就表现为顺磁性。铁磁质的磁化机制类似于顺磁质。铁磁质中存在一种天然磁化单元——磁畴（在一个微观较大的区域里分子固有磁矩同向排列）。在外磁场的作用使磁畴的排列趋向于磁场方向，由于有序性很强，宏观上表现强磁化。11/25

介质表面出现磁化电流顺磁质抗磁质12/25四、磁化强度和磁化电流1、引入单位体积内的分子磁矩的矢量和,描述磁介质磁化程度2、定义

磁介质中单位体积内所有分子磁矩的矢量和3、单位安培/米(A/m)4、说明磁化强度是描述磁介质的宏观量与介质特性、温度与统计规律有关顺磁质M与B0同向，所以B'与B0同方向抗磁质反向，所以反方向13/25理论上可以证明：

束缚面电流密度与磁化强度的关系为：实验证明：

均匀、各向同性的弱磁介质被磁化时，有磁化场强度的环流等于与回路相套的

束缚电流的电流强度：磁导率：14/2511.2有磁介质时的高斯定理和安培环路定理一、磁介质中的高斯定理

磁介质中的高斯定理磁感线无头无尾。穿过任何一个闭合曲面的磁通量为零。S磁感应强度是外加磁场与介质内束缚电流产生的的合场强.15/25二、磁介质中的安培环路定理引入磁场强度得的环路定理于是有定理：沿任一闭合路径磁场强度的环路积分等于与该闭合路径相套的自由电流的代数和。自由电流束缚电流16/25对均匀、各向同性的磁介质：绝对磁导率：í磁场强度是一个辅助量，它本身无物理意义。与类似í利用的环路定理可以在有对称性的情况下，求出；进而求出的分布（均匀、各向同性介质）。17/25引进磁场强度的物理意义在磁介质中，磁场强度的环流为在均匀、各向同性磁介质中，磁感应强度的环流为毕一萨定律18/25计算有磁介质存在时的磁感应强度B求出磁场强度H后由B=μH求磁感应强度B

。例1、长直螺旋管内充满均匀磁介质(μr)，设励磁电流I0，单位长度上的匝数为n。求管内的磁感应强度。解：因管外磁场为零，取如图所示安培回路19/25例2、长直单芯电缆的芯是一根半径为R

的金属导体，它与外壁之间充满均匀磁介质，电流从芯流过再沿外壁流回。求介质中磁场分布。方向沿圆的切线方向解：取如图所示安培回路20/2511.3铁磁质铁磁质的特性1．在外磁场作用下能产生很强的磁感应强度；2．当外磁场停止作用时，仍能保持其磁化状态；3．B与H之间不是简单的线性关系；4．铁磁质都有一临界温度。在此温度之上，铁磁性完全消失而成为顺磁质——居里温度或居里点。铁——10430C镍——6300C钴——13900C铁磁质的起因可以用“磁畴”理论来解释。21/25一、磁化曲线装置环形螺绕环实验测量B。原理励磁电流I；用安培定理得H磁化曲线铁磁质m

很大，且随外磁场而变化，B与H之间为非线性关系。oHBABCS22/25初始磁化曲线O→M，H

增加，B

增加M→N，H

变大，B

急剧增大，N→P，H增加，B增加，增加十分缓慢P，H增加，B到饱和状态当全部磁畴都沿外磁场方向时，铁磁质的磁化就达到饱和状态。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。磁化曲线的重要性根据B~H之间的关系，若已知一个量可求出另一个量。在设计电磁铁，变压器以及一些电气设备时，磁化曲线是很重要的实验依据。HBOMNB~HP23/25B的变化落后于H的变化的现象，叫做磁滞现象，简称磁滞剩磁Br：当磁场强度减小到零时，磁感应强度并不等于零，而是仍有一定的数值Br

，Br叫做剩余磁感应强度，简称剩磁。饱和磁感应强度BS：所有磁畴都与外场方向一致。相应的磁场强度称为饱和磁场强度，磁感应强度称为饱和磁感应强度。矫顽力HC：当H=-Hc时，铁磁质的剩磁就消失了，铁磁质不显磁性。通常把Hc叫做矫顽力。铁磁质在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高的，要损失能量，称为磁滞损耗，磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。磁滞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。二、磁滞回线24/25软磁材料：

特点：相对磁导率和饱和B一般都较大，但矫顽力小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小。易磁化、易退磁。例子：如纯铁，硅钢坡莫合金，铁氧体等。应用：适宜制造电磁铁、变压器、交流发电机、继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒等。1、金属磁性材料BHo三、铁磁性材料25/25硬磁材料：特点：剩磁和矫顽力比较大，磁滞回线所围的面积大，磁滞损耗大，磁滞特性非常显著例子：钨钢，碳钢，铝镍钴合金等。应用：适合作永久磁铁，磁电式电表中的永磁铁，耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。铁氧体，又叫铁淦氧，是由三氧化二铁和其它二价的金属氧化物的粉末混合烧结而成，常称为磁性瓷。如锰镁铁氧体、锂锰铁氧体等2、非金属磁性材料——矩磁材料：BHoBHo特点：Br=BS

，Hc不大，磁滞回线是矩形。用途：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。26/25磁学基本规律2）毕-萨-拉定律（稳恒电流产生的磁场）1）运动电荷在磁场中受到洛仑磁力。3）运动电荷产生的磁场4）磁场的叠加原理27/21载流导线在磁场中的受力、力矩和功安培环路定理安培力磁力距磁力距的功磁场高斯定理28/211.如图弯成半圆形的细导线紧密排列，可以认为电流连续分布，在半径方向单位长度内导线的根数为n，每根导线内通过的电流为I，求O点的磁场强度。解:由半圆形导线在圆心处的磁场公式通过磁场叠加原理计算圆心处总的磁场IR2R29/492.均匀带电刚性细杆AB，电荷线密度为λ，绕垂直于图面的轴O(O

点在细杆BA的延长线上）以角速度ω匀速转动，求:（1）Ｏ点的磁感应强度Bo;

（2）磁矩pm；bABOaωdq解：（1）（2）dq旋转产生的磁矩30/213.一圆线圈的半径为R

，载有电流

I

，置于均匀外磁场B

中（如图所示）。在不考虑载流线圈本身所激发的磁场的情况下，求线圈导线上的张力（已知载流圆线圈的法线方向与B

的方向相同）。

解:半圆弧bca上任一电流元Idl

受到的磁场力为

OIxyRabc故张力31/21变化：半径为R的半圆线圈ACD通有电流I2，置于电流为I1的无限长直流电流的磁场中，直线电流I1恰过