磁场中的磁介质.ppt

9.5 铁磁质铁磁质第九章第九章 磁场中的磁介质磁场中的磁介质9.1 磁介质对磁场的影响磁介质对磁场的影响9.2 原子的磁矩原子的磁矩9.3 磁介质的磁化磁介质的磁化9.4 H的环路定理的环路定理1、磁介质对磁场的影响、磁介质对磁场的影响真空中真空中介质中介质中实验表明：实验表明：磁场的测量磁场的测量相对磁导率相对磁导率磁导率磁导率、2 2 磁介质磁介质 原子磁矩原子磁矩磁介质分类：磁介质分类：顺磁质，顺磁质，抗磁质，抗磁质，铁磁质，铁磁质，电子绕核的轨道运动电子绕核的轨道运动电子自旋运动电子自旋运动都产生磁效应，都产生磁效应，都等效于微小圆电流都等效于微小圆电流核自旋运动核自旋运动原子内：原子内：其磁矩：其磁矩：估算电子绕核运动的轨道运动磁矩：估算电子绕核运动的轨道运动磁矩：电子绕核的轨道运动的角动量电子绕核的轨道运动的角动量此式对一个原子内所有电子的总轨道磁矩和此式对一个原子内所有电子的总轨道磁矩和总角动量也成立。总角动量也成立。2、原子的磁矩原子的磁矩量子力学：量子力学：1 1）电子的总轨道角动量是量子化的电子的总轨道角动量是量子化的例：氧原子的总轨道角动量的一个可能值：例：氧原子的总轨道角动量的一个可能值：电子的总轨道磁矩也是量子化的电子的总轨道磁矩也是量子化的例如氧原子的总轨道磁矩的一个可能值：例如氧原子的总轨道磁矩的一个可能值：电子的内禀自旋磁矩电子的内禀自旋磁矩：2 2）电子的内禀自旋角动量的大小：电子的内禀自旋角动量的大小：玻尔磁子：玻尔磁子：3 3）原子核也有磁矩，原子核也有磁矩，但比电子的磁矩小的多。但比电子的磁矩小的多。分子（固有）磁矩分子（固有）磁矩：分子内所有电子的轨道磁矩、自旋磁矩和核的分子内所有电子的轨道磁矩、自旋磁矩和核的自旋磁矩的矢量和自旋磁矩的矢量和顺磁质、铁磁质的分子有固有磁矩，顺磁质、铁磁质的分子有固有磁矩，抗磁质的分子没有固有磁矩抗磁质的分子没有固有磁矩 3、磁化机理磁化机理电子进动电子进动r1）电子进动电子进动当当 时，时，感生磁矩感生磁矩磁力矩磁力矩3 3）抗磁质的磁化抗磁质的磁化 在在外外磁磁场场的的作作用用下下，磁磁体体内内大大量量分分子子或或原原子子的的附附加加磁磁矩矩的的矢矢量量和和 有有一一定定的的量量值值，结结果果在在磁磁体体内内激激发发一一个个和和外外磁磁场场方方向向相相反反的的附附加加磁磁场场，这这就就是是抗抗磁磁性性的的起起源。它是一切磁介质所共有的性质。源。它是一切磁介质所共有的性质。2 2）顺磁质的磁化顺磁质的磁化 在在外外磁磁场场作作用用下下，磁磁体体内内分分子子固固有有磁磁矩矩力力图图转转向向与与外外磁磁场场方方向向一一致致，也也有有一一定定的的量量值值但但很很小小，可可以以忽忽略略不不计计，外外磁磁场场越越强强，分分子子磁磁矩矩排排列列越越整整齐齐，这这就就是是顺磁性的起源。顺磁性的起源。描述磁介质磁化程度的物理量描述磁介质磁化程度的物理量 1 1、磁化强度矢量磁化强度矢量9.3 9.3 磁介质的磁化磁介质的磁化顺磁质顺磁质 与与 同向；同向；抗磁质抗磁质 与与 反向。反向。注意：单位：注意：单位：A/m;A/m;不要不要 与磁力矩混淆。与磁力矩混淆。一般来说，各向同性的磁介质一般来说，各向同性的磁介质2 2、磁化电流磁化电流I I顺顺磁磁质质I I 对于各向同性的均匀线性介质，介质内部各分子电流相对于各向同性的均匀线性介质，介质内部各分子电流相互抵消，而在介质表面，各分子电流相互接合，在磁化圆柱的互抵消，而在介质表面，各分子电流相互接合，在磁化圆柱的表面出现一层电流，称为表面出现一层电流，称为面束缚电流或磁化面电流。面束缚电流或磁化面电流。抗磁质抗磁质I I与与I I反向。反向。顺磁质顺磁质I I与与I I同向，同向，3 3、束缚电流密度与磁化强度的关系（以顺磁质为例）束缚电流密度与磁化强度的关系（以顺磁质为例）而：而：与与dr dr 铰链的总分子电流为铰链的总分子电流为设每个分子的分子电流为设每个分子的分子电流为分子圆电流面积为分子圆电流面积为a2aa2 2 L LdIdI1 1）磁介质内任意闭合路径）磁介质内任意闭合路径L L套链的总束缚电流套链的总束缚电流2 2）磁介质表面的磁化面电流）磁介质表面的磁化面电流矢量式：矢量式：面束缚电流密度：面束缚电流密度：aa2 2 9.4 H9.4 H的环路定理的环路定理真空中真空中磁介质磁介质1 1、（有介质时的安培环路定理）（有介质时的安培环路定理）H H的环路定理的环路定理定义：定义：-磁场强度；单位：安磁场强度；单位：安/米米HH的安培环路定理的安培环路定理 磁磁场场强强度度沿沿任任意意闭闭合合曲曲线线的的线线积积分分等等于于穿穿过过该该曲曲线线的的所所有有传导电流的代数和，而与磁化电流无关。传导电流的代数和，而与磁化电流无关。三矢量的关系三矢量的关系磁导率：磁导率：如何计算介质中的如何计算介质中的？应用时计算过程：应用时计算过程：2、例例9.1 无限长直螺线管，单位长度匝数为无限长直螺线管，单位长度匝数为n，螺线管内充满相对，螺线管内充满相对磁导率为磁导率为r的均匀磁介质。当导线圈内通以电流的均匀磁介质。当导线圈内通以电流I时，求管内磁感时，求管内磁感应强度和介质表面面束缚电流密度。应强度和介质表面面束缚电流密度。管内磁场均匀且管内磁场均匀且B与与H都和都和管内的轴线平行。管内的轴线平行。解：解：取如图所示闭合路径，取如图所示闭合路径，规定绕行方向为逆时针规定绕行方向为逆时针rbcadP例例9.2 9.2 一一半半径径为为R R1 1的的无无限限长长导导体体圆圆柱柱面面均均匀匀地地通通有有电电流流I I，在在它它外外面面有有半半径径为为R R2 2的的通通有有相相反反方方向向电电流流I I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相相对对磁磁导导率率为为 r r的的均均匀匀磁磁介介质质，试试求求1 1、介介质质中中的的磁场；磁场；2 2、紧贴导体圆柱面的磁介质表面的束缚电流。、紧贴导体圆柱面的磁介质表面的束缚电流。1 1、磁场分布仍具有轴对称性；磁场分布仍具有轴对称性；解：解：取与柱体同心的圆为闭合路径取与柱体同心的圆为闭合路径规定绕行方向为逆时针规定绕行方向为逆时针当当2.2.磁介质内表面磁介质内表面I II II IR R2 2R R1 1铁磁质铁磁质1、铁磁质的磁化特性铁磁质的磁化特性 磁化曲线磁化曲线1)1)磁化曲线（磁化曲线（BHBH曲线）曲线）使使励励磁磁电电流流从从零零开开始始，此此时时B B=H H=0=0，然然后后逐逐渐渐增增大大电电流流，以以增增大大H H 。测测得得B B与与H H 的对应关系的对应关系 随随H H 的的增增大大，B B先先缓缓慢慢增增大大(OAOA段段)，然然后后迅迅速速增增大大(AB AB 段段)，过过B B点点后后，B B又又缓缓慢增大慢增大(BS BS 段段)。从从S S开始，开始，B B几乎不随几乎不随H H 的增大而增大，介质的磁化达到饱和。的增大而增大，介质的磁化达到饱和。H HO OA AB BS S2)2)磁滞回线磁滞回线 Br -剩磁剩磁 Hc-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，磁化曲线为一闭合曲线场，磁化曲线为一闭合曲线磁滞回线磁滞回线。H HB BO Oa ab bB Br rc cd d-H-Hc ce e-B-Br rH Hc cf f 在反复磁化过程中，铁磁质要发热，有能量损失，能量的损在反复磁化过程中，铁磁质要发热，有能量损失，能量的损失叫做失叫做磁滞损耗。磁滞损耗。缓慢磁化过程，经历一次磁化过程损耗的能量缓慢磁化过程，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。与磁滞回线包围的面积成正比。B BH HO OB BH HO O 矫矫顽顽力力很很小小，磁磁滞滞回回线线窄窄，所所围围的的面面积积小，磁滞损耗小。小，磁滞损耗小。软磁材料如纯铁、硅钢、坡莫合金、铁软磁材料如纯铁、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、电磁铁和发动机的压器、继电器、电动机、电磁铁和发动机的铁芯。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宽，所所围的面积大，磁滞损耗大。围的面积大，磁滞损耗大。软磁材料软磁材料 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永久磁铁。的永久磁铁。2、铁磁质的磁化机理铁磁质的磁化机理 磁畴理论磁畴理论当当 时，时，相邻原子间的电子存在很强的交相邻原子间的电子存在很强的交换作用，形成一个小小的自发磁换作用，形成一个小小的自发磁化区域化区域-磁畴磁畴当当 时，时，磁畴转向外场方向排列磁畴转向外场方向排列 铁磁质磁化铁磁质磁化居里点居里点作业作业第九章第九章F磁场的测量实验：磁场的测量实验：返回：返回：幻灯片幻灯片 2lF