大学物理学电子教案磁介质

大学物理学电子教案武警学院教学课件磁介质12-1磁介质、磁化强度12-2磁介质中的安培环路定理磁场强度12-3铁磁质第一页，共24页。讨论磁场和磁介质的相互作用：磁介质的三种类型：顺磁质、抗磁质、铁磁质磁介质对磁场的影响磁场强度、磁化强度及其规律铁磁质的特性第十二章磁场中的磁介质运动电荷磁铁电流电流运动电荷磁铁磁场第二页，共24页。12-1磁介质、磁化强度一、磁介质1、什么是磁介质能够磁化的物质称作磁介质。2、磁介质的磁化磁介质在磁场的作用所发生的变化——磁介质的磁化真空中的磁感应强度为B0，磁介质磁化而产生的附加磁场为B'，磁感应强度为B，则B'的方向，随磁介质的不同而不同。第三页，共24页。3、磁介质的分类标准——B'与B0方向顺磁质B'与B0同向，B>B0，如氧、铝、钨、铂、铬等抗磁质B'与B0反向，B<B0，如氮、水、铜、银、金、铋等。超导体——理想的抗磁体。铁磁质B'与B0同向，B>B0，B>>B0，如铁、钴、镍等。顺磁质和抗磁质又称为弱磁质。第四页，共24页。在物质的分子中电子绕原子核作轨道运动——轨道磁矩；电子有自旋——自旋磁矩。分子内所有电子的全部磁矩的矢量和，称为分子的固有磁矩——分子磁矩。分子磁矩可以用一个等效的圆电流来表示。二、磁介质的磁化1、分子电流和分子磁矩第五页，共24页。2、顺磁质磁化机理——来自分子的固有磁矩无外磁场：分子的无规则热运动分子磁矩取向混乱物质并不显磁性——未磁化状态加外磁场：分子固有磁矩受外磁场的作用分子磁矩沿外磁场方向排列产生附加的磁场第六页，共24页。3、抗磁质磁化机理——电子轨道在外磁场作用下发生变化无外磁场：分子中每个的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和不为零，但分子的固有磁矩等于零，所以不显磁性。加外磁场：分子中电子的轨道运动将受到影响——引起与外磁场的方向相反的附加的轨道磁矩——出现与外磁场方向相反的附加磁场——磁感应强度比外磁场的度要略小一点。

第七页，共24页。三、磁化强度1、引入：用单位体积内的分子磁矩的矢量和来描述磁介质磁化的程度。2、定义：磁介质中单位体积内的合磁矩的矢量和，称为磁化强度。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，所以反方向第八页，共24页。12-2磁介质中的安培环路定理磁场强度一、磁介质中的安培环路定律1、问题：长直螺线管管中充满磁化强度为M的各向同性的均匀磁介质线圈中的电流为I计算螺线管内磁介质中的磁感应强度。取闭合回路ABCDA分布电流传导电流第九页，共24页。2、分布电流（磁化电流）r圆电流①——没有贡献，在闭合路径之外圆电流②——有贡献圆电流③——无贡献，流出流入代数和为0只有分子圆电流中心距直线AB的距离小于r的分子圆电流才对IS有贡献。第十页，共24页。3、磁介质中的安培环路定律磁介质中的安培环路定理：磁场强度沿任何闭合回路的线积分，等于通过该回路所包围的传导电流的代数和。磁场强度4、说明磁场强度是一个辅助物理量。单位：A·m-1

的环流只与穿过闭合回路的传导电流有关，而与磁化电流无关。第十一页，共24页。电介质中的高斯定理磁介质中的安培环路定理第十二页，共24页。二、磁场强度与磁感应强度的关系1、定义式2、磁场强度与磁感应强度的关系实验规律磁化率相对磁导率绝对磁导率顺磁质：кm>0，μr>1，M与B同向抗磁质：кm<0，μr<1，M与B反向第十三页，共24页。3、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磁介质中，磁感应强度的环流为毕一萨定律第十四页，共24页。三、安培环路定律的应用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第十五页，共24页。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第十六页，共24页。12-3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。第十七页，共24页。一、磁畴概念：铁磁质内的电子之间因自旋引起的相互作用非常强烈，在铁磁质内部形成了一些微小区域，叫做磁畴。每一个磁畴中，各个电子的自旋磁矩排列得很整齐。磁畴大小约为1017－1021个原子/10-18米3。磁畴的显示：磁畴的变化可用金相显微镜观测在无外磁场的作用下磁畴取向平均抵消，能量最低，不显磁性。第十八页，共24页。二、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。oHBABCS第十九页，共24页。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~HP第二十页，共24页。B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。三、磁滞回线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。第二十一页，共24页。四、铁磁性材料软磁材料：

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第二十二页，共24页。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：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。BHoBHo第二十三页，共24页。小结磁介质、磁化强度磁介质磁介质的磁化