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112-112-1 磁介质磁介质磁介质磁介质 磁化强度磁化强度磁化强度磁化强度磁介质磁介质能与磁场产生互相作用物质能与磁场产生互相作用物质磁化磁化磁介质在磁场作用下所发生改变磁介质在磁场作用下所发生改变一、一、物质磁性概述物质磁性概述第十二章第十二章第十二章第十二章 磁场中磁场中磁场中磁场中磁介质磁介质磁介质磁介质 RI无磁介质时：无磁介质时：第1页第1页2 RI RI RI RI磁介质磁介质锰、铬、氮气锰、铬、氮气-银、铜、氢银、铜、氢.铁、钴、镍及其合金铁、钴、镍及其合金充有磁介质，充有磁介质，有三种情况有三种情况1）2）3）此种磁介质称此种磁介质称为为顺磁质顺磁质此种磁介质称此种磁介质称为为抗磁质抗磁质此种磁介质称此种磁介质称为为铁磁质铁磁质第2页第2页3（1）顺磁质）顺磁质（3）铁磁质）铁磁质（2）抗磁质）抗磁质依据依据 大小和方向可将磁介质分为四大类大小和方向可将磁介质分为四大类 附加磁场附加磁场二二、分子电流与分子磁矩分子电流与分子磁矩分子磁矩分子磁矩轨道磁矩轨道磁矩自旋磁矩自旋磁矩电子绕核轨道运动电子绕核轨道运动电子本身自旋电子本身自旋等效于圆电流等效于圆电流分子电流分子电流(4)超导体超导体 B=0第3页第3页4轨道角动量与磁矩关系：轨道角动量与磁矩关系：电子磁矩受到力矩电子磁矩受到力矩角动量定理角动量定理绕磁场进动附加一磁矩绕磁场进动附加一磁矩 与外场与外场 反向。反向。第4页第4页51、顺磁质、顺磁质分子固有磁矩不为零分子固有磁矩不为零无外磁场作用时，由无外磁场作用时，由于分子热运动，分子于分子热运动，分子磁矩取向各不相同磁矩取向各不相同,整整个介质不显磁性。个介质不显磁性。三、三、磁介质磁介质顺磁性与抗磁性顺磁性与抗磁性第5页第5页6 有外磁场时，分子磁矩要有外磁场时，分子磁矩要受到一个力矩作用，使分子磁受到一个力矩作用，使分子磁矩转向外磁场方向。矩转向外磁场方向。分子磁矩产生磁场方向和外磁场方向一致，顺分子磁矩产生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。磁质磁化结果，使介质内部磁场增强。第6页第6页7指出一点：附加磁矩指出一点：附加磁矩 与与 相比要小得多，相比要小得多，相差两个数量级。因此磁介质中相差两个数量级。因此磁介质中磁场是加强了。磁场是加强了。（顺磁质）（顺磁质）第7页第7页82、抗磁质、抗磁质分子固有磁矩为零分子固有磁矩为零在外磁场中，抗磁质分子会产生附加磁矩在外磁场中，抗磁质分子会产生附加磁矩电子绕核轨道运动电电子绕核轨道运动电子本身自旋子本身自旋外磁场场作用下产生外磁场场作用下产生附加磁矩附加磁矩电子附加磁矩总是削弱外磁场作用。电子附加磁矩总是削弱外磁场作用。抗磁性是一切磁介质共同含有特性。抗磁性是一切磁介质共同含有特性。总与外磁场总与外磁场方向方向反向反向第8页第8页93.介质磁化过程下列：介质磁化过程下列：在外场中在外场中在外场中在外场中顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质第9页第9页10定义定义:磁化强度磁化强度四、四、磁化强度与磁化电流磁化强度与磁化电流Is磁化电流磁化电流 s沿轴线单位长度上磁化电流沿轴线单位长度上磁化电流（磁化面电流密度）（磁化面电流密度）磁化强度磁化强度M在量值上等于磁化面电流密度。在量值上等于磁化面电流密度。第10页第10页11式中：式中：为磁化强度为磁化强度为介质表面外法线单位矢。为介质表面外法线单位矢。abcd取如图所表示积分环路取如图所表示积分环路abcda:磁化强度对闭合回路磁化强度对闭合回路L线积分，等于穿过以线积分，等于穿过以L为周界任意曲面磁化电流代数和。为周界任意曲面磁化电流代数和。第11页第11页12S一一、磁介质中高斯定理磁介质中高斯定理通过磁场中任一闭合曲面总磁通量为零通过磁场中任一闭合曲面总磁通量为零磁介质中高斯定理磁介质中高斯定理12-212-2 介质中磁场介质中磁场介质中磁场介质中磁场 磁场强度磁场强度磁场强度磁场强度第12页第12页13二、二、磁介质中安培环路定理磁介质中安培环路定理定义定义磁场强度磁场强度 在稳恒磁场中，磁场强度矢量沿任一闭合路径在稳恒磁场中，磁场强度矢量沿任一闭合路径线积分（即环流）等于包围在环路内各传导电流电线积分（即环流）等于包围在环路内各传导电流电流代数和，而与磁化电流无关。流代数和，而与磁化电流无关。单位单位：安培：安培/米米(A/m)第13页第13页14几点阐明：几点阐明：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 仍然是仍然是（名称张冠李戴了）名称张冠李戴了）2）单位是单位是A/m（SI制）制）3）是一普遍关系式，能够写成：是一普遍关系式，能够写成：第14页第14页15三三 各向同性磁介质各向同性磁介质介质磁导率介质磁导率令：令：称为相对磁导率称为相对磁导率第15页第15页16电介质中电介质中高斯定理高斯定理磁介质中磁介质中安培环路定理安培环路定理第16页第16页17 称为相对电容率称为相对电容率或相对介电常量或相对介电常量之间关系之间关系之之间关系间关系称为相对磁导率称为相对磁导率磁导率磁导率第17页第17页18例例1 一环形螺线管，管内充斥磁导率为一环形螺线管，管内充斥磁导率为，相对磁导，相对磁导率为率为r顺磁质。环横截面半径远小于环半径。单位长顺磁质。环横截面半径远小于环半径。单位长度上导线匝数为度上导线匝数为n。求：环内磁场强度和磁感应强度求：环内磁场强度和磁感应强度解：解：第18页第18页19例例2 一无限长载流圆柱体，通有电流一无限长载流圆柱体，通有电流I，设电流，设电流 I 均匀分布在整个横截面上。柱体磁导率为均匀分布在整个横截面上。柱体磁导率为，柱外，柱外为真空。为真空。求：柱内外各区域磁场强度和磁感应强度。求：柱内外各区域磁场强度和磁感应强度。解：解：IR第19页第19页20在分界面上在分界面上H 连续连续,B 不连续不连续IR第20页第20页21练习练习 一磁导率为一磁导率为 1无限长圆柱形直导线，半径为无限长圆柱形直导线，半径为 R1，其中均匀地通有电流，其中均匀地通有电流 I。在导线外包一层磁导率。在导线外包一层磁导率为为 2 圆柱形不导电磁介质，其外半径为圆柱形不导电磁介质，其外半径为 R2，如图所，如图所表示。求磁场强度和磁感应强度分布。表示。求磁场强度和磁感应强度分布。2 1IR2R1第21页第21页22解：由安培环路定律解：由安培环路定律 2 1IR2R1第22页第22页23无限长直电流磁场无限长直电流磁场圆电流中心磁场圆电流中心磁场长螺线管电流中部磁场长螺线管电流中部磁场环形长螺线管中部磁场环形长螺线管中部磁场无限大均匀磁介质中磁场毕无限大均匀磁介质中磁场毕-沙伐定律沙伐定律第23页第23页24静电场与静磁场比较静电场与静磁场比较静电场静电场静磁场静磁场静磁场静磁场（稳恒磁场）稳恒磁场）稳恒磁场）稳恒磁场）相应量相应量相应量相应量高斯定理高斯定理高斯定理高斯定理环路定理环路定理环路定理环路定理性质方程性质方程性质方程性质方程第24页第24页25测量磁滞回线试验装置测量磁滞回线试验装置0510 1520磁强计磁强计磁强计磁强计A测量测量H测量测量B 探头探头（霍尔元件）（霍尔元件）电阻电阻电流表电流表螺绕环螺绕环铁环铁环狭缝狭缝换换向向开开关关12-3 12-3 铁磁质铁磁质铁磁质铁磁质一一铁磁质磁化规律铁磁质磁化规律第25页第25页261、磁化曲线磁化曲线磁强计磁强计测量测量B,如用感应电动势如用感应电动势测量测量或用小线圈在缝口处测量；或用小线圈在缝口处测量；由由 得出得出 曲线曲线铁磁质铁磁质 不一定是个常数，不一定是个常数，它是它是 函数函数原理原理:励磁电流励磁电流 I;用安培定理得用安培定理得H05 10 1520磁强计磁强计磁强计磁强计A第26页第26页27铁磁质磁化规律铁磁质磁化规律铁磁质磁化规律铁磁质磁化规律BHo.1.2.c a.初始磁化曲线初始磁化曲线饱和磁感应强度饱和磁感应强度饱和磁感应强度饱和磁感应强度BssBsBsH.rB BbrB B剩余磁感应强度剩余磁感应强度剩余磁感应强度剩余磁感应强度.ccHHcH矫顽力矫顽力矫顽力矫顽力.dsBcHH.rB Be磁磁 滞滞 回回 线线磁滞现象磁滞现象：B 滞后于滞后于 H 改变改变2、磁滞回线磁滞回线第27页第27页28初始磁初始磁化曲线化曲线.矫顽力矫顽力饱和磁感应强度饱和磁感应强度磁滞回线磁滞回线剩剩 磁磁第28页第28页29 （1）依据当代理论，铁磁质相邻原子电子之间）依据当代理论，铁磁质相邻原子电子之间存在很强存在很强“互换耦合作用互换耦合作用”，使得在，使得在无外磁场无外磁场作用作用时，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列，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微小区域。形成自发磁化达到饱和状态微小区域。这些区域称为这些区域称为“磁畴磁畴”多晶磁畴结构多晶磁畴结构 示意图示意图二、二、铁磁质内铁磁质内铁磁质内铁磁质内磁畴磁畴结构结构第29页第29页30（2）在外磁场作用下，磁畴发生改变。分两步：在外磁场作用下，磁畴发生改变。分两步：A 外磁场较弱时，凡磁矩方向与外磁场相同或外磁场较弱时，凡磁矩方向与外磁场相同或相近磁畴都要扩大（畴壁向外移动）。相近磁畴都要扩大（畴壁向外移动）。B 外磁场较强时，每个磁畴磁矩方向都程度不同地向外磁场方向靠拢（即取向）。外磁场越强，取向作用也越强。此上两种改变都造成单位物理小体积内磁矩矢量此上两种改变都造成单位物理小体积内磁矩矢量和和(即磁化强度即磁化强度M)从零逐步增大，其方向与外场从零逐步增大，其方向与外场相同。外磁场越强，相同。外磁场越强，M也越强，这便是起始磁化也越强，这便是起始磁化曲线成因。曲线成因。第30页第30页31当再加外磁场时，当再加外磁场时，M不再增长，磁化达到饱和。不再增长，磁化达到饱和。（3）畴壁外移及磁畴磁矩取向是不可逆，畴壁外移及磁畴磁矩取向是不可逆，当外当外磁场削弱或消失时磁畴不按本来改变规律逆着退回磁场削弱或消失时磁畴不按本来改变规律逆着退回原状。这解释了磁滞原因。原状。这解释了磁滞原因。（4）既然既然磁畴起因于电子自旋磁矩自发有序排列磁畴起因于电子自旋磁矩自发有序排列，而热运动是有序排列破坏者，因而当温度高于某一而热运动是有序排列破坏者，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。这一临界温度叫质。这一临界温度叫居里点居里点。第31页第31页32把一块有剩磁铁磁质加热至居里点以上再冷却，其把一块有剩磁铁磁质加热至居里点以上再冷却，其剩磁会完全消失。剩磁会完全消失。顺磁性顺磁性 来自分子固有磁矩。来自分子固有磁矩。抗磁性抗磁性 起因于电子轨道运动在外磁场作用起因于电子轨道运动在外磁场作用改变。改变。铁磁性铁磁性 起因于电子自旋磁矩自发有序排列。起因于电子自旋磁矩自发有序排列。比如，铁居里点是比如，铁居里点是1043K。三种磁介质起因比较三种磁介质起因比较第32页第32页33显示磁畴结构铁粉图形显示磁畴结构铁粉图形第33页第33页34纯铁纯铁硅铁硅铁钴钴三种铁磁性物质磁畴三种铁磁性物质磁畴第34页第34页35Si-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第35页第35页363.有剩磁、磁饱和及磁滞现象。有剩磁、磁饱和及磁滞现象。铁磁质特性铁磁质特性铁磁质特性铁磁质特性2.有很大磁导率。有很大磁导率。放入线圈中时能够使磁场增强放入线圈中时能够使磁场增强102 104倍。倍。4.温度超出居里点时，铁磁质转变为顺磁质。温度超出居里点时，铁磁质转变为顺磁质。1.磁导率磁导率不是一个常量，它值不但决定于原线不是一个常量，它值不但决定于原线 圈中电流，还决定于铁磁质样品磁化历史。圈中电流，还决定于铁磁质样品磁化历史。B 和和H 不是线性关系。不是线性关系。第36页第36页37三三 铁磁质应用铁磁质应用软磁材料作变压器。软磁材料作变压器。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）。饱和磁大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。饱和磁感应强度大，感应强度大，矫顽力矫顽力(Hc)小，磁滞回线面积窄而长，小，磁滞回线面积窄而长，损耗小（损耗小（HdB面积小）。面积小）。还用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件磁还用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件磁芯、磁棒。芯、磁棒。(1)软磁材料软磁材料第37页第37页38(2)硬磁材料硬磁材料作永久磁铁作永久磁铁钨钢，碳钢，铝镍钴合金钨钢，碳钢，铝镍钴合金(3)矩磁材料矩磁材料作存储元件作存储元件Br=BS ，Hc不大，磁滞回线是矩形。不大，磁滞回线是矩形。用于用于记忆元件记忆元件，当，当+脉冲产生脉冲产生HHC使使磁芯呈磁芯呈+B态，态，则则脉冲产生脉冲产生H102A/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。还用于磁电式电表中永磁铁。还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。锰镁铁氧体，锂锰铁氧体锰镁铁氧体，锂锰铁氧体第38页第38页39第39页第39页
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