《磁介质中的磁场》PPT课件.ppt

8.8 8.8 磁介质中的磁场磁介质中的磁场磁介质中的磁场磁介质中的磁场 磁场强度磁场强度磁场强度磁场强度无磁介质时无磁介质时有磁介质时有磁介质时定义定义 为为磁场强度磁场强度 表明：表明：磁场强度矢量的环流和传导电流磁场强度矢量的环流和传导电流I有关，有关，而在形式上与磁介质的磁性无关。其单位在国际单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位制中是A/m.磁磁介介质质中中的的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的的线线积积分分等等于于穿穿过过该该路路径径的的所所有有传传导导电电流流的的代数和，而与磁化电流无关。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磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 实实验验证证明明：对对于于各各向向同同性性的的介介质质，在在磁磁介介质质中任意一点磁化强度和磁场强度成正比。中任意一点磁化强度和磁场强度成正比。式式中中 只只与与磁磁介介质质的的性性质质有有关关，称称为为磁磁介介质质的的磁磁化化率率，是是一一个个纯纯数数。如如果果磁磁介介质质是是均均匀匀的的，它它是是一一个个常常量量；如如果果磁磁介介质质是是不不均均匀匀的的，它它是是空空间位置的函数。间位置的函数。磁场强度磁场强度磁场强度磁场强度对比：相对磁导率磁导率 值值得得注注意意：为为研研究究介介质质中中的的磁磁场场提提供供方方便便而而不不是是反反映映磁磁场场性性质质的的基基本本物物理理量量，B B 才才是是反反映映磁磁场场性性质的基本物理量。质的基本物理量。磁场强度磁场强度磁场强度磁场强度对比：对比：例例1 1 在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质，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已知螺绕环中的传导电流为 ，单位长度内匝数，单位长度内匝数 ，环，环的横截面半径比环的平均半径小得多，磁介质的相对磁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导率和磁导率分别为 和和 。求环内的磁场强度和磁。求环内的磁场强度和磁感应强度。感应强度。解：解：在环内任取一点，在环内任取一点，过该点作一和环同心、过该点作一和环同心、半径为半径为 的圆形回路。的圆形回路。式中式中 为螺绕环上线圈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。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的应用磁介质中的安培环路定理的应用磁介质中的安培环路定理的应用磁介质中的安培环路定理的应用解：解：当环内是真空时当环内是真空时当环内充满均匀介质时当环内充满均匀介质时磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 例例2 2 在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质，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已知螺绕环中的传导电流为 ，单位长度内匝数，单位长度内匝数 ，环，环的横截面半径比环的平均半径小得多，磁介质的相对磁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导率和磁导率分别为 和和 。求环内的磁场强度和磁。求环内的磁场强度和磁感应强度。感应强度。例例3 如如图图所所示示，一一半半径径为为R1的的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的的无无限限长长同同轴轴圆圆柱柱面面，两两者者之之间间充充满满着着磁磁导导率率为为 的的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的的电电流流I。试试求求（1）圆圆柱柱体体外外圆圆柱柱面面内内一一点点的的磁磁场场；（2）圆圆柱柱体体内内一一点点磁磁场；（场；（3）圆柱面外一点的磁场。）圆柱面外一点的磁场。解解（1）当当两两个个无无限限长长的的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通通过过时时，它它们们所所激激发发的的磁磁场场是是轴轴对对称称分分布布的的，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的的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的的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，取取此此圆圆为为积积分回路，根据安培环路定理有分回路，根据安培环路定理有IIIR1R2r2r1r3磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理YINYONGYINYONGYINYONGYINYONG（2）设设在在圆圆柱柱体体内内一一点点到到轴轴的的垂垂直直距距离离是是r2，则则以以r2为半径作一圆，根据安培环路定理有为半径作一圆，根据安培环路定理有 式中式中 是该环路所包围的电流部分，由此得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的应用磁介质中的安培环路定理的应用磁介质中的安培环路定理的应用磁介质中的安培环路定理的应用由由B H，得，得 （3）在在圆圆柱柱面面外外取取一一点点，它它到到轴轴的的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，根根据据安安培培环环路路定定理理,考考虑到环路中所包围的电流的代数和为零，所以得虑到环路中所包围的电流的代数和为零，所以得即即或或磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理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：与弱磁质相比，铁磁质具有以下特点：与弱磁质相比，铁磁质具有以下特点：与弱磁质相比，铁磁质具有以下特点：(1)(1)在在外外磁磁场场的的作作用用下下能能产产生生很很强的附加磁场。强的附加磁场。(2)(2)外外磁磁场场停停止止作作用用后后，仍仍能能保保持其磁化状态。持其磁化状态。(4)(4)具具有有临临界界温温度度Tc。在在Tc以以上上，铁铁磁磁性性完完全全消消失失而而成成为为顺顺磁磁质质，Tc称称为为居居里里温温度度或或居居里里点点。不不同同的的铁铁磁磁质质有有不不同同的的居居里里温温度度Tc。纯纯铁铁：770C，纯纯镍：镍：358C。(3)(3)相相对对磁磁导导率率和和磁磁化化率率不不是是常常数数，而而是是随随外外磁磁场场的的变变化化而而变变化化；具具有有磁磁滞滞现现象象，之之间间不不具具有简单的线性关系。有简单的线性关系。8.98.9*铁磁质铁磁质铁磁质铁磁质居居 里里AR12K接接磁磁通通计计把未磁化的均匀铁磁质充满一螺绕环，如图：把未磁化的均匀铁磁质充满一螺绕环，如图：线圈中通入电流线圈中通入电流(励磁电流励磁电流)后，铁磁质就被磁化。后，铁磁质就被磁化。根根据据有有介介质质时时的的安安培培环环路路定定理理，当当励励磁磁电电流流为为I时，环内的磁场强度：时，环内的磁场强度：1.1.1.1.磁介质磁介质磁介质磁介质AR12K接接磁磁通通计计 铁铁芯芯中中的的B由由磁磁通通计计上上的的次次级级线线圈圈测测出出，这这样样，通通过过改改变变励励磁磁电电流流，可可得得到到对对应应的的一一组组B和和H的的值值，从从而而给给出出一一条条关关于于试试样样BH的的关关系系曲曲线线（磁磁化曲线）。化曲线）。OHACBS磁磁磁磁 介介介介 质质质质OHACBS 使使励励磁磁电电流流从从零零开开始始，此此时时B=H=0，然然后后逐逐渐渐增增大大电电流流，以以增增大大H 。测测得得B与与H的的对对应应关关系如图所示：系如图所示：随随H的的增增大大，B先先缓缓慢慢增增大大(OA段段)，然然后后迅迅速速增增大大(AB段段)，过过B点点过后，过后，B又缓慢增大又缓慢增大(BC段段)。从从S开开始始，B几几乎乎不不随随H的的增增大大而而增增大大，介介质质的的磁磁化化达达到到饱饱和和。与与S对对应应的的HS称称饱饱和和磁磁场场强强度度，相相应的应的BS称饱和磁感应强度。称饱和磁感应强度。根根据据 ，可可以以求求出出不不同同H值值对对应应的的 r r值，由此可见铁磁质值，由此可见铁磁质BH显著的非线性特点。显著的非线性特点。磁磁磁磁 介介介介 质质质质2.2.2.2.磁滞回线磁滞回线磁滞回线磁滞回线 当当铁铁磁磁质质达达到到饱饱和和状状态态后后，缓缓慢慢地地减减小小H，铁铁磁磁质质中中的的B并并不不按按原原来来的的曲曲线线减减小小，并并且且H=0时时，B不不等等于于0，具具有有一一定定值，这种现象称为值，这种现象称为剩磁剩磁。-HcdHc-BrefBrcbBHaO 要要完完全全消消除除剩剩磁磁Br，必必须须加加反反向向磁磁场场，当当B=0时时磁磁场场的的值值Hc为铁磁质的为铁磁质的矫顽力矫顽力。当当反反向向磁磁场场继继续续增增加加，铁铁磁磁质质的的磁磁化化达达到到反反向向饱饱和和。反反向向磁磁场场减减小小到到零零，同同样样出出现现剩剩磁磁现现象象。不不断断地地正正向向或或反反向向缓缓慢慢改改变变磁磁场场，磁磁化化曲曲线线为为一一闭闭合合曲线曲线磁滞回线磁滞回线。B的的变变化化总总落落后后于于H的的变变化化，称称磁滞现象磁滞现象。在反复磁化过程中能量的在反复磁化过程中能量的损失叫做损失叫做磁滞损耗磁滞损耗。缓慢磁化缓慢磁化过程，经历一次磁化过程损耗过程，经历一次磁化过程损耗的能量与磁滞回线包围的面积的能量与磁滞回线包围的面积成正比。成正比。-HcdHc-BrefBrcbBHaO 铁磁体在交变磁化磁场的作用下，它的形状铁磁体在交变磁化磁场的作用下，它的形状随之改变，叫做随之改变，叫做磁致伸缩效应磁致伸缩效应。磁滞回线磁滞回线磁滞回线磁滞回线3.3.3.3.磁畴磁畴磁畴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。磁磁磁磁 畴畴畴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在没有外磁场作用时，磁体体内磁矩排列杂乱，磁体体内磁矩排列杂乱，任意物理无限小体积内的任意物理无限小体积内的平均磁矩为零平均磁矩为零。在外磁场作用下在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时，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，这些地位，这些磁畴体积逐渐扩大磁畴体积逐渐扩大，而自发磁化磁矩与，而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度的外磁场成较大角度的磁畴体积逐渐缩小磁畴体积逐渐缩小。随着外磁。随着外磁场的不断增强，取向与外磁场成较大角度的场的不断增强，取向与外磁场成较大角度的磁畴全磁畴全部消失部消失，留存的磁畴将向外磁场的方向旋转，以后，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再继续增加磁场，所有磁畴都沿外磁场方向整齐排列，这时列，这时磁化达到饱和磁化达到饱和。磁磁磁磁 畴畴畴畴BHOBHO 矫矫顽顽力力很很小小(Hc102Am-1)，磁磁滞滞回线窄，所围的面积小，磁滞损耗小。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、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、电磁铁用作变压器、继电器、电动机、电磁铁和发动机的铁芯。和发动机的铁芯。矫矫顽顽力力大大，剩剩磁磁大大、磁磁滞滞回回线线宽，所围的面积大，磁滞损耗大宽，所围的面积大，磁滞损耗大。4.4.4.4.软磁材料软磁材料软磁材料软磁材料5.5.5.5.硬磁材料硬磁材料硬磁材料硬磁材料 硬硬磁磁材材料料如如碳碳钢钢、钨钨钢钢、铝铝镍镍钴钴合合金金等等材材料料。磁磁化化后后能能保保持持很很强强的的磁磁性性，适适用用于于制制成成各各种种类类型型的的永久磁铁。永久磁铁。矩矩磁磁材材料料的的磁磁滞滞回回线线接接近近于于矩矩形形，特特点点是是剩剩磁磁Br接近饱和值接近饱和值BS。BHO 压压磁磁材材料料具具有有较较强强的的磁磁致致伸伸缩缩效效应应，常常用用于于制制造造超超声声波波发生器。发生器。硬磁材料硬磁材料硬磁材料硬磁材料 当当矩矩磁磁材材料料在在不不同同方方向向的的外外磁磁场场磁磁化化后后，总总是是处处于于 和和 两两种种剩剩磁磁状状态态，可可作作电电子子计计算算机机的的“记忆记忆”元件。元件。硬硬磁磁材材料料如如碳碳钢钢、钨钨钢钢、铝铝镍镍钴钴合合金金等等材材料料。磁磁化化后后能能保保持持很很强强的的磁磁性性，适适用用于于制制成成各各种种类类型型的的永久磁铁。永久磁铁。矩矩磁磁材材料料的的磁磁滞滞回回线线接接近近于于矩矩形形，特特点点是是剩剩磁磁Br接近饱和值接近饱和值BS。BHO 压压磁磁材材料料具具有有较较强强的的磁磁致致伸伸缩缩效效应应，常常用用于于制制造造超超声声波波发生器。发生器。硬磁材料硬磁材料硬磁材料硬磁材料 当当矩矩磁磁材材料料在在不不同同方方向向的的外外磁磁场场磁磁化化后后，总总是是处处于于 和和 两两种种剩剩磁磁状状态态，可可作作电电子子计计算算机机的的“记忆记忆”元件。元件。