大学物理磁介质的磁化省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

本章主要内容 磁介质磁化 有介质时安培环路定理 三种磁介质第第1515章章 磁介质磁化磁介质磁化第第1页页磁介质磁介质:实体物质在磁场作用下展现磁性实体物质在磁场作用下展现磁性,该物体称磁介质。该物体称磁介质。电介质极化：电介质极化：磁介质磁化：磁介质磁化：总磁感强度总磁感强度外加磁感强度外加磁感强度附加磁感强度附加磁感强度磁化磁化:磁介质在磁场中展现磁性磁介质在磁场中展现磁性(在磁场作用下产生附加磁在磁场作用下产生附加磁场场)现象称为磁化。现象称为磁化。磁介质三种类型：磁介质三种类型：顺磁质、抗磁质、铁磁质顺磁质、抗磁质、铁磁质。电学与磁学电学与磁学类比：类比：15.1 磁介质磁化磁介质磁化 磁化强度矢量磁化强度矢量第第2页页试验发觉试验发觉：有、无磁介质螺旋管内：有、无磁介质螺旋管内磁感应强度比值，可表征它们在磁磁感应强度比值，可表征它们在磁场中性质。场中性质。相对磁导率相对磁导率:顺磁质：顺磁质：如氧、铝、钨、铂、铬等。如氧、铝、钨、铂、铬等。磁介质磁介质抗磁质：抗磁质：铁磁质：铁磁质：如氮、水、铜、银、金、铋等。如氮、水、铜、银、金、铋等。如铁、钴、镍等，如铁、钴、镍等，超导体是理想抗磁体。超导体是理想抗磁体。B 与与B0 同方向，同方向，B 与与B0 反方向，反方向，B 与与B0 同方向，同方向，1.磁介质分类：磁介质分类：1.磁介质分类：磁介质分类：第第3页页1).1).分子电流模型和分子磁矩分子电流模型和分子磁矩 原子中电子参加两种运动：自原子中电子参加两种运动：自旋及绕核轨道运动，对应有轨道磁旋及绕核轨道运动，对应有轨道磁矩和自旋磁矩。矩和自旋磁矩。用等效分子电流磁效应来用等效分子电流磁效应来表示各个电子对外界磁效应总合，表示各个电子对外界磁效应总合，称为分子固有磁矩。称为分子固有磁矩。抗磁质抗磁质：顺磁质：顺磁质：未加外磁场时未加外磁场时:类比：类比：电介质电介质微观图象微观图象有极分子、无极分子。有极分子、无极分子。不显磁性不显磁性2、顺磁质与抗磁质微观机制第第4页页加外磁场时加外磁场时:顺磁质：顺磁质：当外磁场存在时，各分子当外磁场存在时，各分子固有固有磁矩受磁场力矩作用，或多磁矩受磁场力矩作用，或多或少地转向磁场方向或少地转向磁场方向 顺磁质顺磁质磁化。磁化。怎么解释抗磁质：怎么解释抗磁质：B B0，B 与与B0 反方向反方向!54 顺磁质磁化1ok.swf2).2).顺磁质磁化顺磁质磁化第第5页页*电子进动：电子进动：在外磁场作用下，每个电子除了保持围绕原子在外磁场作用下，每个电子除了保持围绕原子核运动和电子本身自旋以外，还要附加电子磁矩核运动和电子本身自旋以外，还要附加电子磁矩以以外磁场外磁场方向为轴线转动方向为轴线转动。进动进动方向一致!进动进动 能够证实：能够证实：不论电子原来磁矩与磁场方向之间夹角是何不论电子原来磁矩与磁场方向之间夹角是何值，这种值，这种进动进动等效圆电流等效圆电流附加磁矩附加磁矩 L方向永远与方向永远与B0 方向相方向相反。反。抗磁质：抗磁质：第第6页页53 电子拉莫进动.swf在有外磁场时轨道角动量绕磁场旋进，电子附加一个与磁感强在有外磁场时轨道角动量绕磁场旋进，电子附加一个与磁感强度相反磁矩，分子中各电子因进动而产生磁效应总和度相反磁矩，分子中各电子因进动而产生磁效应总和,称分子称分子附附加加磁矩磁矩,方向与外磁场反向方向与外磁场反向,决定了分子决定了分子抗抗磁性磁性.3).3).抗磁质磁化抗磁质磁化第第7页页B）不论哪种介质，在无外场时，对外不显磁性）不论哪种介质，在无外场时，对外不显磁性.电子进动产生附加磁矩电子进动产生附加磁矩 总是减弱外磁场总是减弱外磁场.与与 相差两个数量级。所以顺磁质中磁场是加强了。相差两个数量级。所以顺磁质中磁场是加强了。C)3.磁化强度磁化强度:单位体积内分子磁矩矢量和。单位体积内分子磁矩矢量和。它带来附加磁场它带来附加磁场 贡献。贡献。注意：注意：A）抗磁质固有磁矩为零，抗磁质固有磁矩为零，并不意味着电子不自旋，并不意味着电子不自旋，电子不绕原子核运动。电子不绕原子核运动。分子中全部电子轨道磁矩和自分子中全部电子轨道磁矩和自旋磁矩矢量和为零。旋磁矩矢量和为零。第第8页页注意：注意：1）要宏观无限小，要宏观无限小，微观无限大。微观无限大。2）顺磁质中，顺磁质中，M与外场方与外场方 向一致，抗磁质中，向一致，抗磁质中，M 与外场方向相反。与外场方向相反。4）物理含义）物理含义-描述物质磁化程度与状态。描述物质磁化程度与状态。3）M单位：单位：显然，磁化越厉害，分子磁矩矢量和越大。显然，磁化越厉害，分子磁矩矢量和越大。对外磁场影响也越大。（加强或减弱）对外磁场影响也越大。（加强或减弱）抗磁质抗磁质第第9页页磁化面电流磁化面电流LR顺磁质顺磁质L大小：单位长度磁介质表面流过磁化面电流大小：单位长度磁介质表面流过磁化面电流方向：该处磁化面电流方向。方向：该处磁化面电流方向。4 磁化强度与磁化电流间关系磁化强度与磁化电流间关系面电流密度面电流密度 对于各向同性均匀介质，介质内部各分子电流相互抵消，对于各向同性均匀介质，介质内部各分子电流相互抵消，而在介质表面，未被抵消分子电流相互拼接，在磁化圆柱表而在介质表面，未被抵消分子电流相互拼接，在磁化圆柱表面出现一层电流，称为磁化面电流。面出现一层电流，称为磁化面电流。第第10页页普通言之：介质表面磁化面电流密度普通言之：介质表面磁化面电流密度LSM式中：式中：为磁化强度为磁化强度为介质表面外法线为介质表面外法线单位矢量。单位矢量。（微分关系）（微分关系）取一长为取一长为 l 面积为面积为S磁介质。则：磁介质。则：第第11页页abcda作闭合回路作闭合回路求积分求积分abcd积分关系积分关系 磁化强度对闭合回路线积分磁化强度对闭合回路线积分等于经过回路所包围面积内总磁等于经过回路所包围面积内总磁化电流。化电流。磁化强度与磁化面电流关系，即使是从特例给磁化强度与磁化面电流关系，即使是从特例给出，不过普遍成立。出，不过普遍成立。第第12页页无磁介质时无磁介质时有磁介质时有磁介质时定义磁场强度定义磁场强度 磁磁介介质质中中安安培培环环路路定定理理：磁磁场场强强度度沿沿任任意意闭闭合合路路径径线线积积分分等等于于穿穿过过该该路路径径全全部部传传导导电电流流代代数数和和，而而与与磁化电流无关。磁化电流无关。15.2 有介质时安培环路定理有介质时安培环路定理磁化电流磁化电流传导电流传导电流有磁介质总场有磁介质总场第第13页页 试试验验证证实实：对对于于各各向向同同性性介介质质，在在磁磁介介质质中中任任意一点磁化强度和磁场强度成正比。意一点磁化强度和磁场强度成正比。式中式中m称为磁介质称为磁介质磁化率磁化率，是一个纯数。，是一个纯数。磁导率磁导率=0 r第第14页页说明：说明：1）是一辅助物理量，描述磁场基本物理量是一辅助物理量，描述磁场基本物理量 依然是依然是3）是一普遍关系式是一普遍关系式在各向同性介质中：在各向同性介质中：在电流和磁介质分布有对称性时，经过在电流和磁介质分布有对称性时，经过先求先求H，再经过，再经过B=0 r H求求 B.2）单位是单位是A/m（SI制）制）第第15页页例：长直螺旋管内充满均匀磁介质例：长直螺旋管内充满均匀磁介质 r，设电流设电流 I0 0，单位长度单位长度上匝数为上匝数为 n。求管内磁感应强度求管内磁感应强度。解：因管外磁场为零，取如图所表解：因管外磁场为零，取如图所表示安培回路示安培回路第第16页页例例:在均匀密绕螺绕环内充满均匀顺磁介质，已知螺绕环中传导在均匀密绕螺绕环内充满均匀顺磁介质，已知螺绕环中传导电流为电流为I，单位长度内匝数单位长度内匝数n，环横截面半径比环平均半径小得环横截面半径比环平均半径小得多，磁介质相对磁导率和磁导率分别为多，磁介质相对磁导率和磁导率分别为 r r和和，求环内磁场强度求环内磁场强度和磁感应强度。和磁感应强度。解：解：在环内任取一点，过该点作在环内任取一点，过该点作一和环同心、半径为一和环同心、半径为 r 圆形回路。圆形回路。式中式中N为螺绕环上线圈总匝数。由对称性可知，在所取圆形回为螺绕环上线圈总匝数。由对称性可知，在所取圆形回路上各点磁场强度大小相等，方向都沿切线。路上各点磁场强度大小相等，方向都沿切线。当环内充满均匀介质时当环内充满均匀介质时第第17页页例例：如如图图所所表表示示，二二分分之之一一径径为为R1无无限限长长圆圆柱柱体体（导导体体 0）中中均均匀匀地地通通有有电电流流I，在在它它外外面面有有半半径径为为R2无无限限长长同同轴轴圆圆柱柱面面，二二者者之之间间充充满满着着磁磁导导率率为为 均均匀匀磁磁介介质质，在在圆圆柱柱面面上上通通有有相相反反方方向向电电流流I。试试求求(1)(1)圆圆柱柱体体外外圆圆柱柱面面内内一一点点磁磁场场；(2)(2)圆圆柱体内一点磁场；柱体内一点磁场；(3)(3)圆柱面外一点磁场。圆柱面外一点磁场。解解:(1)(1)当当两两个个无无限限长长同同轴轴圆圆柱柱体体和和圆圆柱柱面面中中有有电电流流经经过过时时，它它们们所所激激发发磁磁场场是是轴轴对对称称分分布布，而而磁磁介介质质亦亦呈呈轴轴对对称称分分布布，因因而而不不会会改改变变场场这这种种对对称称分分布布。设设圆圆柱柱体体外外圆圆柱柱面面内内一一点点到到轴轴垂垂直直距距离离是是r1，以以r1为为半半径径作作一一圆圆，取取此圆为积分回路，依据安培环路定理有此圆为积分回路，依据安培环路定理有IIIR1R2r1第第18页页IIIR1R2r1r2(2)设设在在圆圆柱柱体体内内一一点点到到轴轴垂垂直直距距离离是是r2，则则以以r2为为半半径径作作一一圆圆，依据安培环路定理有依据安培环路定理有(3)在在圆圆柱柱面面外外取取一一点点，它它到到轴轴垂垂直直距距离离是是r3，以以r3为为半半径径作作一一圆圆，依依据据安安培培环环路路定定理理,考考虑虑到到环环路路中中所所包包围围电电流流代代数数和和为为零零，所所以得以得r3第第19页页装置：装置：螺绕环螺绕环;铁磁质铁磁质冲击电流计测量冲击电流计测量B铁磁质铁磁质 r 非线性；非线性；15.3 铁磁质铁磁质原理原理:励磁电流励磁电流 I;用安培定理得用安培定理得H一一 磁磁化化规规律律起始磁化曲线；起始磁化曲线；磁饱和现象磁饱和现象第第20页页B改变落后于改变落后于H，从而含有剩磁，即磁滞效应，从而含有剩磁，即磁滞效应起始磁化曲线；起始磁化曲线；剩磁剩磁饱和磁感应强度饱和磁感应强度矫顽力矫顽力磁滞回线磁滞回线-不可逆过程不可逆过程当温度升高到一定程度时，高磁导率、磁滞、磁致当温度升高到一定程度时，高磁导率、磁滞、磁致伸缩等一系列特殊状态全部消失，而变为顺磁性。伸缩等一系列特殊状态全部消失，而变为顺磁性。这温度称铁磁质居里点这温度称铁磁质居里点。如：铁为如：铁为 1040K，钴为，钴为 1390K，镍为镍为 630K.第第21页页2）有剩磁，去磁要有矫顽力）有剩磁，去磁要有矫顽力Hc 3）含有使铁磁质性质消失）含有使铁磁质性质消失“居里点居里点”。1）B、H含有非线性关系，含有非线性关系，数值都很大。数值都很大。铁磁性材料特点铁磁性材料特点：装置如图所表示：将悬挂着镍片移近永久装置如图所表示：将悬挂着镍片移近永久磁铁，即被吸住，说明镍片在室温下含有磁铁，即被吸住，说明镍片在室温下含有铁磁性。用酒精灯加热镍片，当镍片温度铁磁性。用酒精灯加热镍片，当镍片温度升高到超出一定温度时，镍片不再被吸引，升高到超出一定温度时，镍片不再被吸引，在重力作用下摆回平衡位置，说明镍片铁在重力作用下摆回平衡位置，说明镍片铁磁性消失，变为顺磁性。移去酒精灯，稍磁性消失，变为顺磁性。移去酒精灯，稍待片刻，镍片温度下降到居里点以下恢复待片刻，镍片温度下降到居里点以下恢复铁磁性，又被磁铁吸住。铁磁性，又被磁铁吸住。第第22页页作变压器作变压器软磁材料软磁材料。纯铁，硅钢坡莫合金纯铁，硅钢坡莫合金(Fe，Ni)，铁氧体等。，铁氧体等。r大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。饱和磁感应强度大，饱和磁感应强度大，矫顽力矫顽力(Hc)小，磁滞小，磁滞回线面积窄而长，损耗小。回线面积窄而长，损耗小。用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件磁芯、磁棒。用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件磁芯、磁棒。作永久磁铁作永久磁铁硬磁材料硬磁材料钨钢，碳钢，铝镍钴合金钨钢，碳钢，铝镍钴合金矫顽力矫顽力(Hc)大（大（10102 2A/m)，剩磁，剩磁Br大大磁滞回线面积大，损耗大。磁滞回线面积大，损耗大。用于磁电式电表中永磁铁。用于磁电式电表中永磁铁。耳机中永久磁铁，永磁扬声器。耳机中永久磁铁，永磁扬声器。二二 铁铁 磁磁 质质 应应 用用第第23页页作存放元件作存放元件矩磁材料矩磁材料Br=BS，Hc不大，磁滞回线是矩形。不大，磁滞回线是矩形。用于记忆元件，当用于记忆元件，当+脉冲产生脉冲产生H Hc使使磁芯呈磁芯呈+B态，则态，则脉冲产生脉冲产生H Hc使使磁芯呈磁芯呈 B态，可做为二进制两个态。态，可做为二进制两个态。锰镁铁氧体，锂锰铁氧体锰镁铁氧体，锂锰铁氧体压磁材料含有较强磁致伸缩效应压磁材料含有较强磁致伸缩效应.BHO磁致伸缩有一定固有频率磁致伸缩有一定固有频率当外磁场改变频率和固有频率一致发生共振当外磁场改变频率和固有频率一致发生共振惯用于制造激振器、超声波发生器。惯用于制造激振器、超声波发生器。第第24页页磁畴磁畴(10 4m)三、铁磁质磁化微观机理三、铁磁质磁化微观机理成因：一个量子作用成因：一个量子作用-电子轨道交叠产生一电子轨道交叠产生一个交换耦合作用，使电子自旋取一致平行排个交换耦合作用，使电子自旋取一致平行排列，形成自发磁化区域列，形成自发磁化区域-磁畴。磁畴。纯铁纯铁硅铁硅铁钴钴Si-Fe单晶单晶(001)面面磁畴结构磁畴结构箭头表示箭头表示磁化方向磁化方向0.1mm第第25页页 在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时磁能将低于在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时磁能将低于磁矩与外磁反向排列时磁能，结果是磁矩与外磁反向排列时磁能，结果是自发磁化磁矩和外磁场成自发磁化磁矩和外磁场成小角度磁畴处于有利地位，这些磁畴体积逐步扩大，小角度磁畴处于有利地位，这些磁畴体积逐步扩大，而自发磁而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度磁畴体积逐步缩小。伴随外磁场不化磁矩与外磁场成较大角度磁畴体积逐步缩小。伴随外磁场不停增强，取向与外磁场成较大角度磁畴全部消失，留存磁畴将停增强，取向与外磁场成较大角度磁畴全部消失，留存磁畴将向外磁场方向旋转，以后再继续增加磁场，全部磁畴都沿外磁向外磁场方向旋转，以后再继续增加磁场，全部磁畴都沿外磁场方向整齐排列，这时磁化到达饱和。场方向整齐排列，这时磁化到达饱和。在没有外磁场作用时，磁体体内磁矩排列杂乱，任意在没有外磁场作用时，磁体体内磁矩排列杂乱，任意物理无限小体积内平均磁矩为零。物理无限小体积内平均磁矩为零。第第26页页顺磁质和铁磁质磁导率显著地依赖于温度，而抗磁顺磁质和铁磁质磁导率显著地依赖于温度，而抗磁质磁导率则几乎与温度无关，为何？质磁导率则几乎与温度无关，为何？答答：顺磁质磁性主要起源于分子固有磁矩沿外磁场方向顺磁质磁性主要起源于分子固有磁矩沿外磁场方向取向排列取向排列。当温度升高时，因为热运动缘故，这些固有当温度升高时，因为热运动缘故，这些固有磁矩更易趋向混乱，而不易沿外磁场方向排列，使得顺磁矩更易趋向混乱，而不易沿外磁场方向排列，使得顺磁质磁性因磁导率显著地依赖于温度。磁质磁性因磁导率显著地依赖于温度。铁磁质磁性主要起源于磁畴磁矩方向沿外磁场方向取铁磁质磁性主要起源于磁畴磁矩方向沿外磁场方向取向排列。向排列。当温度升高时，各磁畴磁矩方向易趋向混乱当温度升高时，各磁畴磁矩方向易趋向混乱而使铁磁质磁性减小，因而铁磁质磁导率会显著地依而使铁磁质磁性减小，因而铁磁质磁导率会显著地依赖于温度。赖于温度。当铁磁质温度超出居里点时，其磁性还会当铁磁质温度超出居里点时，其磁性还会完全消失。完全消失。至于至于抗磁质，它磁性起源于抗磁质分子在外磁场中所产生抗磁质，它磁性起源于抗磁质分子在外磁场中所产生与外磁场方向相反感生磁矩，与外磁场方向相反感生磁矩，不存在磁矩方向排列问题，不存在磁矩方向排列问题，因而抗磁质磁性和分子热运动情况无关，这就是抗磁质磁因而抗磁质磁性和分子热运动情况无关，这就是抗磁质磁导率几乎与温度无关原因。导率几乎与温度无关原因。第第27页页