10-1,2,3_磁介质.ppt

1、磁场中的磁介质,第十章,本讲：磁介质,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,10-1 磁介质的磁化 磁化强度矢量,一、磁介质,1、什么是磁介质,2、实验磁介质的磁化,现在将一个长螺线管通电流 I，内部造成一个均匀磁场,再将磁介质充满磁场（保持电流不变）。,能够影响磁场分布的物质称作磁介质。,发现磁介质中的磁场：,磁介质上有磁化电流，,实验发现：充各种磁介质，磁介质内的磁场 有的比真空时弱， 有的比真空时强。,该磁介质的相对磁导率,磁介质的磁导率。,顺磁质 BB0， B与B0同向 如氧、铝、钨、铂、

2、铬等,抗磁质 B 与B0反向，BB0， 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，BB0，BB0， 如铁、钴、镍等。,顺磁质和抗磁质又称为弱磁质。,3、磁介质的分类,磁介质内部:,铁磁质又称为强磁质。,把分子或原子看作一个整体，则其对外所产生的磁效益的总和可以等效为一个圆电流，称为分子电流。 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。,二、磁介质的磁化,1、分子电流和分子磁矩,顺磁质与抗磁质的磁化,分子磁矩,电子绕核的轨道运动,电子本身自旋,（1）顺磁质及其磁化,分子

3、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。,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。,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,（2）抗磁质及其磁化,分子的固有磁矩为零,在外磁场中，抗磁质分子会产生附加磁矩,电子绕核的轨道运动电子本身自旋,外磁场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。,抗磁质内磁场:,抗磁质的磁化,加外磁场： 分子中电子的轨道运

4、动将受到影响产生进动 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,抗磁性是一切磁介质共同具有的特性。,2. 介质表面出现磁化电流,(面电流、束缚电流、等效电流),单位,意义 磁介质中单位体积内分子的合磁矩.,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：,Is磁化电流,js沿轴线单位长度上的磁化电流（磁化面电流密度）,磁化强度 M 在量值上等于磁化面电流密度。,3. 与磁化电流的关系：(以顺磁质为例),当有磁介质存在的时候,一、磁介质中的高斯定理,10-2 有磁介质时的磁场的基本规律,有磁介质时的高斯定理，磁场的普遍公

5、式,定义:磁场强度,求,二、磁介质中的安培环路定理,有,当无磁介质时，上式就过渡到真空时的环路定理。, 的环路定理,说明 磁场强度是一个辅助物理量。 单位：A m-1 磁场强度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。,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。,三、磁场强度与磁感应强度的关系,顺磁质：m0，r1，M与B同向 抗磁质：m0，r1，M与B反向,由,例 有两个半径分别为 和 的“无限长”同轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁导率为 的磁介质.当两圆筒通有相反方向的电流 时，试 求（1）磁介质中任意点 P 的磁感应强度

6、的 大小;（2）圆柱体外面一点 Q 的 磁感强度.,解 对称性分析,三、安培环路定律的应用,同理可求,10-3 铁磁质,铁磁质的特性：,2. 非线性 相对磁导率r要随磁场的强弱发生变化，因此B和H的关系是非线性的。 作为信号传输器件时，如变压器铁芯，要尽量工作在线性段，以减小信号的失真。,3. 有磁滞有剰磁现象,一般说来，抗磁质和顺磁质在外磁场消失时，磁性也消失。但铁磁质不同，外磁场消失后，还会保留部分磁性，这就是磁滞现象。,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1043 镍 630 钴1390 铁磁质的起因可以用“磁畴”理论来解释。,一、磁化曲

7、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。,初始磁化曲线： OM，H 增加，B 增加 MN，H 变大，B 急剧增大， NP，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BH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。,B的变化落后于H的变化的现象，

8、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。,二、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。,磁滞回线,三、铁磁性材料,

9、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,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

10、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HHC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。,五 磁屏蔽,把磁导率不同的两种磁介质放到磁场中，在它们的交界面上磁场要发生突变，引起了磁感应线的折射.,例(习题册第71题) 图示为三种不同的磁介质的BH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BH关系曲线：,a代表 的BH关系曲线。,铁磁质,b代表 的BH关系曲线。,c代表 的BH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)

11、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。,对铁磁质，B和H间是非线性的, 相对磁导率r1 。,代入数据：,得：,r很大且与I有关，非常数，说明该磁介质非顺磁质,也非抗磁质，而是铁磁质。,超导体,1911年，荷兰物理学家HK 昂纳斯及其助手首先发现在温度降至液氦的沸点（4.2K）以下时，水银的电阻为0。 在低温下某些物质失去电阻的性质，为超导体。 1913年昂纳斯因他在低温物理和超导领域所做的杰出贡献，获诺贝尔物理学奖。,1.超导体的基本性质：,1.零电阻率,超导体在临界温度以下时，电阻为零，所以它可以通过很大的电流，而几乎无热损耗。,2.迈斯纳效应 完全抗磁性,1933年德国物

12、理学家W.迈斯纳发现，将超导体放入磁场中，,表面产生超导电流，超导电流产生的磁场与外磁场抵消，使超导体内的磁感应强度为 0。,超导体在磁场中由于超导电流产生的磁场与外磁场的斥力作用，使超导体可悬浮在空中。,由于超导体内电阻为0，超导电流不会产生热量，超导电流也就不会消失，超导体一直会悬浮在磁场中。,利用这种现象可制成超导重力仪，用来预测地震，当地震发生之前，地表面的重力场会发生变化，超导球的位置也会发生变化，由此来预测地震。,还可制造超导磁悬浮列车，世界上最快的磁悬浮列车时速超过500公里/小时。,2.超导体的应用,美国在 磁谱仪中，将采用超导磁铁产生强磁场，2003 年再次送入地球轨道，观察暗物质和反物质。,高温超导现已达到 -153C。,产生强磁场因超导体无热损耗，可通过很大电流，如用超导芯线为Nb3Sn。其最大电流密度为 109 A/m2, 在承受相同电流的情况下，超导芯线可以细得多，超导磁铁不仅效率高，而且可以做得很轻便。例如，一个能产生 5T 的中型电磁铁的重量可达 20 吨，而超导磁铁的重量不过几公斤。,无损耗输电传统输电过程中总要产生一部分焦