第14章物质的磁性.ppt

单击此处编辑母版标题样式,第,14,章,物质的磁性,14-1,磁介质的磁化,1.,磁介质,磁 化：,磁场对磁场中的物质的作用称为磁化。,磁介质：,在磁场中影响原磁场的物质称为磁介质。,总磁感强度,附加磁感强度,外加磁感强度,磁化后介质内部的磁场与附加磁场和外磁场的关系：,抗磁质,(,铜、铋、硫、氢、银等,),铁磁质,(,铁、钴、镍等,),顺磁质,(,锰、铬、铂、氧、氮等,),定义,在介质均匀充满磁场的情况下,相对,磁导率,磁介质的分类,磁 介 质,磁导率,2.,分子电流和分子磁矩,分子电流：,把分子或原子看作一个整体，分子或原子中各个电子对外界所产生磁效应的总和，可用一个等效的圆电流表示，统称为分子电流。,分子磁矩：,把分子所具有的磁矩统称为分子磁矩，用符号 表示。,电子的进动：,在外磁场 的作用下，分子或原子中和每个电子相联系的磁矩都受到磁力矩的作用，由于分子或原子中的电子以一定的角动量作高速转动，这时，每个电子除了保持环绕原子核的运动和电子本身的自旋以外，还要附加电子磁矩以外磁场方向为轴线的转动，称为电子的进动。,电子自身的自旋,电子同时参与两种运动,环绕原子核的轨道运动,轨道磁矩,u,自旋磁矩,u,B,玻尔磁子,3.,磁化强度,M,描述磁介质的磁化程度和磁化方向,单位体积内分子磁矩,m,分,的矢量和,单位,:,A/m,4.,磁介质的磁化,1.,顺磁质的磁化,在外磁场,B,0,作用下,m,分,=0,m,分,大小不变,方向倾向外磁场方向排列,M,方向与外磁场方向,B,0,一致,磁化后的附加磁场,B,的方向与,B,0,的方向相同,2.,抗磁质的磁化,在外磁场,B,0,作用下,m,分,=0,产生,m,分,大小与,B,0,成正比,;,方向与外磁场方向相反,.,M,方向与外磁场方向,B,0,相反,磁化后的附加磁场,B,的方向与,B,0,的方向相反,磁化强度 磁化电流,5.,磁化电流,对于各向同性的均匀介质，介质内部各分子电流相互抵消，而在介质表面，各分子电流相互叠加，在磁化圆柱的表面出现一层电流，好象一个载流螺线管，称为,磁化面电流（或安培表面电流,）,。,设介质表面沿轴线方向单位长度上的磁化电流为 （面磁化电流密度），则长为,l,的一段介质上的磁化电流强度,I,S,为,磁化电流,若为非均匀磁介质，磁化后不仅在介质的表面，而且在介,质的体内还有未被抵消的分子电流形成的磁化电流,注意,:,磁化体电流,附加磁场,磁化电流产生的磁场,14-2,磁介质中的磁场 磁场强度,无磁介质时,有磁介质时,1,、磁场强度,定义,为,磁场强度,表明：,磁场强度矢量的环流和传导电流,I,有关，而在形式上与磁介质的磁性无关。其单位在国际单位制中是,A/m,.,磁介质中的安培环路定理：,磁场强度沿任意闭合路径的线积分等于穿过该路径的所有传导电流的代数和，而与磁化电流无关。,有磁介质时的安培环路定理,磁介质中的安培环路定理,实验证明：对于各向同性的介质，在磁介质中任意一点磁化强度和磁场强度成正比。,式中 只与磁介质的性质有关，称为磁介质的,磁化率,，是一个纯数。如果磁介质是均匀的，它是一个常量；如果磁介质是不均匀的，它是空间位置的函数。,磁场强度,相对磁导率,磁导率,值得注意：,为研究介质中的磁场提供方便而不是反映磁场性质的基本物理量，才是反映磁场性质的基本物理量。,磁场强度,2.,有介质时的安培环路定理和高斯定理,有介质时的安培环路定律,有磁介质时的高斯定律,3.,磁介质中的磁场的能量密度,例,14-1,在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质，已知螺绕环中的传导电流为,I,，单位长度内匝数 ，环的横截面半径比环的平均半径小得多，磁介质的相对磁导率和磁导率分别为 和 。求环内的磁场强度和磁感应强度。,解：,在环内任取一点，过该点作一和环同心、半径为 的圆形回路。,式中 为螺绕环上线圈,的总匝数。由对称性可知，在所取圆形回路上各点的磁感应强度的大小相等，方向都沿切线。,磁介质中的安培环路定理,当环内是真空时,当环内充满均匀介质时,磁介质中的安培环路定理,例,14-2,如图所示，一半径为,R,1,的无限长圆柱体（导体,0,）中均匀地通有电流,I,，,在它外面有半径为,R,2,的无限长同轴圆柱面，两者之间充满着磁导率为,的均匀磁介质，在圆柱面上通有相反方向的电流,I,。,试求1,）圆柱体外圆柱面内一点的磁场；（,2,）圆柱体内一点磁场；（,3,）圆柱面外一点的磁场。,解,（,1,）当两个无限长的同轴圆柱体和圆柱面中有电流通过时，它们所激发的磁场是轴对称分布的，而磁介质亦呈轴对称分布，因而不会改变场的这种对称分布。设圆柱体外圆柱面内一点到轴的垂直距离是,r,1,，以,r,1,为半径作一圆，取此圆为积分回路，根据安培环路定理有,I,I,I,R,1,R,2,r,2,r,1,r,3,磁介质中的安培环路定理,（,2,）设在圆柱体内一点到轴的垂直距离是,r,2,，,则以,r,2,为半径作一圆，根据安培环路定理有,式中 是该环路所包围的电流部分，由此得,磁介质中的安培环路定理,由,B,H,，,得,（,3,）在圆柱面外取一点，它到轴的垂直距离是,r,3,，以,r,3,为半径作一圆，根据安培环路定理,考虑到环路中所包围的电流的代数和为零，所以得,即,或,磁介质中的安培环路定理,与弱磁质相比，铁磁质具有以下特点：,(1),在外磁场的作用下能产生很强的附加磁场。,(2),外磁场停止作用后，仍能保持其磁化状态。,(4),具有临界温度,T,c,。在,T,c,以上，铁磁性完全消失而成为顺磁质，,T,c,称为居里温度或居里点。不同的铁磁质有不同的居里温度,T,c,。,纯铁：,770,C,，,纯镍：,358,C,。,(3),相对磁导率和磁化率不是常数，而是随外磁场的变化而变化；具有磁滞现象，之间不具有简单的线性关系。,14-4,铁磁质,居 里,A,R,1,2,K,接磁通计,把未磁化的均匀铁磁质充满一螺绕环，如图：,线圈中通入电流,(,励磁电流,),后，铁磁质就被磁化。,根据有介质时的安培环路定理，当励磁电流为,I,时，,环内的磁场强度：,1.,磁介质,A,R,1,2,K,接磁通计,铁芯中的,B,由磁通计上的次级线圈测出，这样，通过改变励磁电流，可得到对应的一组,B,和,H,的值，从而给出一条关于试样,BH,的关系曲线（磁化曲线）。,O,H,A,C,B,S,磁 介 质,O,H,A,C,B,S,使励磁电流从零开始，此时,B,=,H,=0,，,然后逐渐增大电流，以增大,H,测得,B,与,H,的对应关系如图所示：,随,H,的增大，,B,先缓慢增大,(,OA,段,),，然后迅速增大,(,AB,段,),，过,B,点,过后，,B,又缓慢增大,(,BC,段,),。,从,S,开始，,B,几乎不随,H,的增大而增大，介质的磁化达到饱和。与,S,对应的,H,S,称饱和磁场强度，相应的,B,S,称饱和磁感应强度。,根据 ，可以求出不同,H,值对应的,r,值，由此可见铁磁质,BH,显著的非线性特点。,磁 介 质,2.,磁滞回线,当铁磁质达到饱和状态后，缓慢地减小,H,，,铁磁质中的,B,并不按原来的曲线减小，并且,H,=,0,时，,B,不等于,0,，具有一定值，这种现象称为,剩磁,。,-,H,c,d,H,c,-B,r,e,f,B,r,c,b,B,H,a,O,要完全消除剩磁,B,r,，,必须加反向磁场，当,B,=0,时磁场的值,H,c,为铁磁质的,矫顽力,。,当反向磁场继续增加，铁磁质的磁化达到反向饱和。反向磁场减小到零，同样出现剩磁现象。不断地正向或反向缓慢改变磁场，磁化曲线为一闭合曲线,磁滞回线,。,B,的变化总落后于,H,的变化，称,磁滞现象,。,在反复磁化过程中能量的损失叫做,磁滞损耗,。,缓慢磁化过程，经历一次磁化过程损耗的能量与磁滞回线包围的面积成正比。,-,H,c,d,H,c,-B,r,e,f,B,r,c,b,B,H,a,O,铁磁体在交变磁化磁场的作用下它的形状随之改变，叫做,磁致伸缩效应,。,磁滞回线,3.,磁畴,单晶,磁畴结构示意图,多晶磁畴结构示意图,在铁磁质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子中电子的自旋磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域称为,磁畴,。,磁 畴,单晶,磁畴结构示意图,多晶磁畴结构示意图,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的,平均磁矩为零,。,在外磁场作用下,，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能将低于磁矩与外磁反向排列时的磁能，结果是自发磁化磁矩和外磁场成小角度的磁畴处于有利地位，这些,磁畴体积逐渐扩大,，而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度的,磁畴体积逐渐缩小,。随着外磁场的不断增强，取向与外磁场成较大角度的,磁畴全部消失,，留存的磁畴将向外磁场的方向旋转，以后再继续增加磁场，所有磁畴都沿外磁场方向整齐排列，这时,磁化达到饱和,。,磁 畴,B,H,O,B,H,O,矫顽力很小,(,H,c,10,2,A,m,-1,),，,磁滞回线窄，所围的面积小，磁滞损耗小。,软磁材料如纯铁、硅钢、坡莫合金、铁氧体等材料，适用于交变磁场中，常用作变压器、继电器、电动机、电磁铁和发动机的铁芯,。,矫顽力大，剩磁大、磁滞回线宽，所围的面积大，磁滞损耗大,。,4.,软磁材料,5.,硬磁材料,硬磁材料如碳钢、钨钢、铝镍钴合金等材料。磁化后能保持很强的磁性，适用于制成各种类型的永久磁铁。,矩磁材料,的磁滞回线接近于矩形，特点是剩磁,B,r,接近饱和值,B,S,。,B,H,O,压磁材料,具有较强的磁致伸缩效应，常用于制造超声波发生器。,硬磁材料,当矩磁材料在不同方向的外磁场磁化后，总是处于 和 两种剩磁状态，可作电子计算机的“记忆”元件。,