第11章磁场中的磁介质..ppt

上章我们学习了真空中稳恒电流激发的磁场及上章我们学习了真空中稳恒电流激发的磁场及其规律。当空间有介质其规律。当空间有介质(导体、绝缘体导体、绝缘体)存在时，磁存在时，磁场将与介质发生相互作用，我们把磁场中的介质称场将与介质发生相互作用，我们把磁场中的介质称为为磁介质磁介质。磁介质在外加磁场作用下自身产生附加。磁介质在外加磁场作用下自身产生附加磁场的过程称为磁场的过程称为磁化磁化。本章简要介绍磁介质的性质、磁化的机制、以本章简要介绍磁介质的性质、磁化的机制、以及磁介质中的安培环路定理。及磁介质中的安培环路定理。第十一章第十一章 磁场中的磁介质磁场中的磁介质 与电介质的情况类似，稳恒磁与电介质的情况类似，稳恒磁场中的磁介质因场中的磁介质因磁化磁化而产生磁化电而产生磁化电流和流和附加磁场附加磁场；磁介质内的总场为；磁介质内的总场为原磁场原磁场B0 与附加磁场与附加磁场B的矢量和。的矢量和。一、磁介质对磁场的影响11.1 11.1 磁介质对磁场的影响磁介质对磁场的影响实验已经证明，实验已经证明，与与 之间的关系为之间的关系为:称为磁介质的相对磁导率。称为磁介质的相对磁导率。q顺磁质顺磁质：r 1 如金属铝、锰、铬等。如金属铝、锰、铬等。q抗磁质抗磁质：r 1 如金属金、银、铜等。如金属金、银、铜等。q铁磁质铁磁质：r 1 如金属铁、钴、镍等。如金属铁、钴、镍等。弱磁性物质弱磁性物质强磁性物质强磁性物质 任何物质皆由原子或分子构成。原子（分子）中的电子任何物质皆由原子或分子构成。原子（分子）中的电子同时参与两种运动：自旋及绕核的轨道运动，对应有轨道磁同时参与两种运动：自旋及绕核的轨道运动，对应有轨道磁矩和自旋磁矩。矩和自旋磁矩。二、磁介质的磁化这就是安培提出的分子电流假设。这就是安培提出的分子电流假设。分子电流分子电流分子磁矩产生的磁效应可以用一等效的分子磁矩产生的磁效应可以用一等效的圆电流圆电流的磁矩来表示。的磁矩来表示。分子磁矩分子磁矩分子所有电子的轨道磁矩与分子所有电子的轨道磁矩与自旋磁矩的矢量和，称为分子固有磁矩，自旋磁矩的矢量和，称为分子固有磁矩，简称为分子磁矩简称为分子磁矩 m。分子磁矩的方向与电。分子磁矩的方向与电子运动的角速度方向相反。子运动的角速度方向相反。顺磁质和抗磁质的磁化可用安培分子电流假说解释，而铁磁顺磁质和抗磁质的磁化可用安培分子电流假说解释，而铁磁质的磁化很复杂。质的磁化很复杂。1.顺磁质的磁化机理顺磁质的磁化机理顺磁性顺磁性无外场无外场B Bo o时，分子的磁矩时，分子的磁矩排列杂乱无章，介质内分排列杂乱无章，介质内分子磁矩的矢量和子磁矩的矢量和 m=m=m=0m=0有外场有外场B Bo o时，分子磁矩转到时，分子磁矩转到与外磁场方向一致，分子与外磁场方向一致，分子磁矩的矢量和磁矩的矢量和 m=m=m0m0等效等效对各向同性（均匀）磁介质，磁化电流对各向同性（均匀）磁介质，磁化电流I I只出现在介质表面，只出现在介质表面，介质内部无磁化电流，且磁化电流介质内部无磁化电流，且磁化电流II不可引出，因此，磁化不可引出，因此，磁化电流也称为电流也称为束缚电流束缚电流。对各向同性（均匀）磁介质，对各向同性（均匀）磁介质，从导体横截面看，导体内部分从导体横截面看，导体内部分子电流两两反向，相互抵消。子电流两两反向，相互抵消。导体边缘分子电流同向。导体边缘分子电流同向。对各向同性（均匀）磁介质，对各向同性（均匀）磁介质，分子电流可等效成磁介质表面分子电流可等效成磁介质表面的的磁化电流磁化电流I I，I I产生附加产生附加磁场磁场B B。I 在无外磁场时，抗磁质中在无外磁场时，抗磁质中分子固有磁矩为零分子固有磁矩为零:m:m=0=0，物质不显磁性。物质不显磁性。2.抗磁质的磁化机理抗磁质的磁化机理抗磁性抗磁性有外场时，电子的轨道角动量会绕着磁场方向有外场时，电子的轨道角动量会绕着磁场方向旋进旋进,形成一个电的环流形成一个电的环流,但电子带负电但电子带负电,这就相当于一个这就相当于一个与原磁场方向反向的正的环流与原磁场方向反向的正的环流,产生的磁矩指向磁场产生的磁矩指向磁场的相反方向的相反方向.有磁介质时，安培环路定理是：有磁介质时，安培环路定理是：磁介质的总磁场磁介质的总磁场传导电流传导电流磁化电流总和磁化电流总和三、磁介质中的安培环路定理根据实验规律根据实验规律无磁介质时：无磁介质时：由于磁化电流的计算很繁，所以我们从无磁介质时出发。由于磁化电流的计算很繁，所以我们从无磁介质时出发。定义定义磁场强度：磁场强度：磁介质中的安培环路定理：磁介质中的安培环路定理：即：磁场强度沿任意闭合路径的线积分（环流），等于穿过即：磁场强度沿任意闭合路径的线积分（环流），等于穿过以该回路为边界的以该回路为边界的传导电流传导电流的代数和。的代数和。q H H 是为消除磁化电流的影响而引入的辅助物理量。是为消除磁化电流的影响而引入的辅助物理量。q H H 的环流仅与传导电流的环流仅与传导电流I I0 0 有关有关,与介质无关与介质无关(当当I I 相同时，相同时，尽管介质不同，尽管介质不同，H H 在同一点上却相同在同一点上却相同)。因此可以先求磁。因此可以先求磁场强度场强度 H H，再求磁感应强度，再求磁感应强度B B。qH H的单位：的单位：安培安培/米米(A/m)A/m)说明：例例1、长直单芯电缆的芯是一根半径为长直单芯电缆的芯是一根半径为R1 的金属导体，它与的金属导体，它与外壁之间充满均匀磁介质外壁之间充满均匀磁介质,其相对磁导率为其相对磁导率为 ，外筒半径为，外筒半径为R R2,2,电流从芯流过再沿外壁流回。求电流从芯流过再沿外壁流回。求(1)导线内的磁场分布导线内的磁场分布;(2)磁介质中磁场分布磁介质中磁场分布;(3)磁介质外的磁场分布。磁介质外的磁场分布。解解:(1)导线内的磁场分布导线内的磁场分布(2)磁介质磁介质内的磁场分布内的磁场分布(3)磁介质磁介质外的磁场分布外的磁场分布电介质中的高斯定理电介质中的高斯定理磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 11.2 11.2 11.2 11.2 铁磁质铁磁质铁磁质铁磁质 在工程技术上常用的磁介质是铁磁质，如电机、变压器和电表等。在工程技术上常用的磁介质是铁磁质，如电机、变压器和电表等。铁磁质有如下特点：铁磁质有如下特点：1 1在外磁场作用下能产生很强的磁感应强度；在外磁场作用下能产生很强的磁感应强度；112 2当外磁场停止作用时，仍能保持其磁化状态；当外磁场停止作用时，仍能保持其磁化状态；3 3B B与与H H之间不是简单的线性关系；之间不是简单的线性关系；4 4铁磁质都有一临界温度。在此温度（居里温度）之上，铁磁性铁磁质都有一临界温度。在此温度（居里温度）之上，铁磁性 完全消失而成为顺磁质。完全消失而成为顺磁质。Fe(1040K)Co(630K)Ni(1390K)Fe(1040K)Co(630K)Ni(1390K)磁化曲线磁化曲线磁介质内磁感应强度磁介质内磁感应强度B B随磁场强度随磁场强度H H的变化关系曲线。的变化关系曲线。OHBABCS一、铁磁介质的磁化机理磁畴1.磁畴磁畴磁畴磁畴铁磁质中因电子自旋而引铁磁质中因电子自旋而引起的强烈相互作用，在铁磁质内形起的强烈相互作用，在铁磁质内形成磁性很强的小区域成磁性很强的小区域 。磁畴的体积。磁畴的体积约为约为 1010-12-12 m m3 3 。在无外磁场时，各磁在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁质畴排列杂乱无章，铁磁质不显磁性；在外磁场中，不显磁性；在外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场迅速增加，在内部的磁场迅速增加，在铁磁质充磁过程中伴随着铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。发声、发热。2.磁畴的形成磁畴的形成 按照量子理论按照量子理论,铁磁质内电子间存在着很强的由电子自旋引起的相互铁磁质内电子间存在着很强的由电子自旋引起的相互作用作用电子交换作用电子交换作用,使各电子的自旋磁矩排列整齐，从而形成磁畴。使各电子的自旋磁矩排列整齐，从而形成磁畴。每个磁畴内的电子自旋磁矩整齐排列，磁性很强每个磁畴内的电子自旋磁矩整齐排列，磁性很强自发磁化。自发磁化。3.磁畴与外磁场的关系磁畴与外磁场的关系q无外磁场时无外磁场时,各个磁畴由于热运动其方向排列无序各个磁畴由于热运动其方向排列无序,因而整体对外不因而整体对外不显磁性。显磁性。q有外磁场时有外磁场时,各个磁畴的磁矩在外磁场的磁力矩作用下以整体的形式各个磁畴的磁矩在外磁场的磁力矩作用下以整体的形式趋向外磁场方向排列趋向外磁场方向排列,从而对外显示很强的磁性。出现高从而对外显示很强的磁性。出现高m m 值。值。具体过程具体过程:与外磁场方向一致和相同的磁畴范围扩大与外磁场方向一致和相同的磁畴范围扩大,磁畴磁矩方向同时磁畴磁矩方向同时尽力转向外磁场的方向。尽力转向外磁场的方向。4.4.磁畴与温度的关系磁畴与温度的关系:当温度持续升高到某值时当温度持续升高到某值时,由于剧烈的热运动由于剧烈的热运动,磁畴瓦解磁畴瓦解,铁磁质的铁磁性消失铁磁质的铁磁性消失,过渡到顺磁质。此温度叫做过渡到顺磁质。此温度叫做居里温度居里温度或或居里点居里点。5.磁饱和状态磁饱和状态磁饱和状态磁饱和状态HBoabcd 随着外磁场增加，能够提供转向的磁畴越来越少，铁磁质中的磁场增随着外磁场增加，能够提供转向的磁畴越来越少，铁磁质中的磁场增加的速度变慢，最后外磁场再增加，介质内的磁场也不会增加，铁磁质达加的速度变慢，最后外磁场再增加，介质内的磁场也不会增加，铁磁质达到磁饱和状态。到磁饱和状态。二、铁磁质的磁化规律磁滞回线1.1.实验目的实验目的:确定铁磁质内的确定铁磁质内的B B随外场随外场H H 的变的变化关系化关系,确定其磁导率确定其磁导率m m 的特点和铁磁质的磁的特点和铁磁质的磁化规律。化规律。a2.实验结果实验结果qoa:起始磁化曲线，未经磁化的铁磁起始磁化曲线，未经磁化的铁磁质质,起始时起始时,B B 随随H H 而增大而增大,到到a a点达到点达到饱和。饱和。bBrBHoqa b:当外磁场减小时，介质中的磁场当外磁场减小时，介质中的磁场并不沿起始磁化曲线返回，而是滞后于并不沿起始磁化曲线返回，而是滞后于外磁场变化外磁场变化磁滞现象磁滞现象,当当H H=0=0时时,B B=B Br r 00，B Br r剩磁剩磁。qb c:加上反向外磁场，则加上反向外磁场，则B B 继续继续减小减小,当当H H=-=-H Hc c时，时，B B=0=0，H Hc c称为称为矫顽矫顽力力,即为了消除剩磁所需加的反向即为了消除剩磁所需加的反向外磁场外磁场H Hc c 。BrHcBHoaqcd：继续增加反向磁场，介质达继续增加反向磁场，介质达到反向磁饱和状态。到反向磁饱和状态。qdef：改变外磁场为正向磁改变外磁场为正向磁场，不断增加外场，介质又场，不断增加外场，介质又达到正向磁饱和状态。达到正向磁饱和状态。bcdef磁滞回线磁滞回线闭合曲线闭合曲线abcdefaabcdefa。实验结论实验结论q铁磁质铁磁质具有具有非线性，非线性，其其m m 值具有非单值性，与磁化的历史有关。值具有非单值性，与磁化的历史有关。q铁磁质会出现磁滞和剩磁现象。铁磁质会出现磁滞和剩磁现象。4.解释解释:起始磁导率起始磁导率q磁化饱和磁化饱和:当所有磁畴的磁矩都转向外磁场方向时当所有磁畴的磁矩都转向外磁场方向时,磁化即达到饱和。磁化即达到饱和。q剩磁剩磁:铁磁质中的杂质和内应力铁磁质中的杂质和内应力,在外磁场撤消后阻碍磁畴恢复原来在外磁场撤消后阻碍磁畴恢复原来的状态的状态,因而产生了剩磁。因而产生了剩磁。三、铁磁质的特点q磁畴；磁畴；q高高m m 值；值；q非线性；非线性；q磁滞；磁滞；q居里点；居里点；q m m 的非单值性。的非单值性。四、退磁方法1.加热法加热法 当铁磁质的温度升高到某一温度时，磁性消失，由铁磁质变为顺当铁磁质的温度升高到某一温度时，磁性消失，由铁磁质变为顺磁质，该温度为居里温度磁质，该温度为居里温度 t tc c 。当温度低于当温度低于 t tc c 时，又由顺磁质转变为铁时，又由顺磁质转变为铁磁质。磁质。q铁的居里温度铁的居里温度 tc=770C；q30%的坡莫合金居里温度的坡莫合金居里温度 tc=70C；利用铁磁质具有居里温度的特点，可将其制作温控元件，如电饭锅利用铁磁质具有居里温度的特点，可将其制作温控元件，如电饭锅自动控温。自动控温。原因：原因：由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧，提供了磁畴转由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧，提供了磁畴转向的能量，使铁磁质失去磁性。向的能量，使铁磁质失去磁性。2.敲击法敲击法 通过振动可提供磁畴转向的能量，使介质失去磁通过振动可提供磁畴转向的能量，使介质失去磁性。如敲击永久磁铁会使磁铁磁性减小。性。如敲击永久磁铁会使磁铁磁性减小。3.加反向磁场加反向磁场 加反向磁场，提供矫顽力加反向磁场，提供矫顽力Hc,使铁磁质退磁。使铁磁质退磁。4.加交变衰减的磁场加交变衰减的磁场 使介质中的磁场逐渐衰减为使介质中的磁场逐渐衰减为0 0，应用在录音机中的交流抹音磁头中。，应用在录音机中的交流抹音磁头中。tHoBHoc五、铁磁材料分类1.金属磁性材料金属磁性材料特点特点：适用于高稳定、低频、大功率：适用于高稳定、低频、大功率,但但高频应用受限。高频应用受限。1)1)软磁材料软磁材料:B Br r大大,但但H Hc c小小,磁滞回线面积小磁滞回线面积小,因而易磁化因而易磁化,易消磁易消磁;适用于制造电磁铁、变压器、交流电机的铁心。如：象软铁、坡莫合适用于制造电磁铁、变压器、交流电机的铁心。如：象软铁、坡莫合金、硒钢片、铁铝合金、铁镍合金等。金、硒钢片、铁铝合金、铁镍合金等。由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如变压器铁芯、继由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如变压器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软件磁性材料制成。电器、电动机转子、定子都是用软件磁性材料制成。由金属合金或化合物制成由金属合金或化合物制成(大部大部分以铁、钴、镍为基础分以铁、钴、镍为基础)。2)2)硬磁性材料：硬磁性材料：B Br r大，大，H Hc c大，磁滞回线面大，磁滞回线面积大积大,，因而磁滞特性明显，因而磁滞特性明显 ，一旦被磁，一旦被磁化化,，剩磁即难于消除。用于制作，剩磁即难于消除。用于制作永磁体永磁体，以产生稳定的磁场。以产生稳定的磁场。如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。可用在磁电式电表、永磁扬声器、可用在磁电式电表、永磁扬声器、耳机以及雷达中的磁控管等。耳机以及雷达中的磁控管等。2.压磁材料压磁材料 具有较强的磁致伸缩性能具有较强的磁致伸缩性能,用于制作机电换能器和声电换能器。用于制作机电换能器和声电换能器。3.非金属氧化物非金属氧化物-铁氧体铁氧体 由三氧化二铁由三氧化二铁Fe2O3和其它二价金属氧和其它二价金属氧化物（化物（如如NiO，ZnO等等）的粉末混合烧结而成的粉末混合烧结而成特点特点:具有高磁导率具有高磁导率,高电阻率高电阻率,涡流损耗少涡流损耗少,适用于高频技术。作记忆元件适用于高频技术。作记忆元件,或作天线和电或作天线和电感中的磁心。感中的磁心。例如例如:矩磁铁氧体矩磁铁氧体,其磁滞回线近似矩形而得名。其磁滞回线近似矩形而得名。六、超导体q1911年，荷兰物理学家年，荷兰物理学家HK 昂纳斯昂纳斯及其助手首先发现在温度降至液及其助手首先发现在温度降至液氦的沸点（氦的沸点（4.2K）以下时，水银的电阻为以下时，水银的电阻为0。q超导体超导体在低温下电阻为零的物质。在低温下电阻为零的物质。q1913年年昂纳斯昂纳斯因他在低温物理和超导领域所做的杰出贡献，获诺贝尔物因他在低温物理和超导领域所做的杰出贡献，获诺贝尔物理学奖。理学奖。1.超导体的基本性质超导体的基本性质零电阻率零电阻率q超导体在临界温度以下时，电阻为零，所以它可以通过很大的电流，而超导体在临界温度以下时，电阻为零，所以它可以通过很大的电流，而几乎无热损耗。几乎无热损耗。q有人曾用超导体做成一个圆环，当把它冷却到临界温度以下后，突然去有人曾用超导体做成一个圆环，当把它冷却到临界温度以下后，突然去掉磁场，由于电磁感应，在超导体环内产生一个相当强的电流，这个电掉磁场，由于电磁感应，在超导体环内产生一个相当强的电流，这个电流在持续两年半的时间内仍没发现可观的变化。流在持续两年半的时间内仍没发现可观的变化。2.迈斯纳效应迈斯纳效应 完全抗磁性完全抗磁性Boq1933年德国物理学家年德国物理学家W.迈斯纳发现迈斯纳发现完全抗磁性。完全抗磁性。q将超导体放入磁场中，表面产生将超导体放入磁场中，表面产生超导电流超导电流，超导电流产生的磁场与外，超导电流产生的磁场与外磁场抵消，使超导体内的磁感应强度为磁场抵消，使超导体内的磁感应强度为 0。q 超导体在磁场中由于超导电流产生的磁场与外磁场的斥力作用，使超导体在磁场中由于超导电流产生的磁场与外磁场的斥力作用，使超导体可悬浮在空中。超导体可悬浮在空中。NFmg 由于超导体内电阻为由于超导体内电阻为0，超导电流不会产生热量，超导电流也就不会，超导电流不会产生热量，超导电流也就不会消失，超导体一直会悬浮在磁场中。消失，超导体一直会悬浮在磁场中。q利用这种现象可制成利用这种现象可制成超导超导重力仪重力仪，用来预测地震，用来预测地震，当地震发生之前，地表面当地震发生之前，地表面的重力场会发生变化，超的重力场会发生变化，超导球的位置也会发生变化，导球的位置也会发生变化，由此来预测地震。由此来预测地震。q还可制造超导还可制造超导磁悬浮列车磁悬浮列车，世界上最快的磁悬浮列车世界上最快的磁悬浮列车时速超过时速超过500公里公里/小时。小时。3.超导体的应用超导体的应用无损耗输电。无损耗输电。传统输电过程中总要产生一部分焦耳热损耗，一般在传统输电过程中总要产生一部分焦耳热损耗，一般在 10%20%，如果采用超导体输电，几乎没有电能损失，而且不需要升压，如果采用超导体输电，几乎没有电能损失，而且不需要升压，可以不用变压器设备，也不必架设高压线，可以在地下管道中。甚至可以不用变压器设备，也不必架设高压线，可以在地下管道中。甚至可以直接传输直流电。可以直接传输直流电。产生强磁场。产生强磁场。因超导体无热损耗，可通过很大电流，如用超导芯线为因超导体无热损耗，可通过很大电流，如用超导芯线为NbNb3 3SnSn。其最大电流密度为其最大电流密度为 109 A/m2,在承受相同电流的情况下，超导在承受相同电流的情况下，超导芯线可以细得多，超导磁铁不仅效率高，而且可以做得很轻便。例如，芯线可以细得多，超导磁铁不仅效率高，而且可以做得很轻便。例如，一个能产生一个能产生 5T 的中型电磁铁的重量可达的中型电磁铁的重量可达 20 吨，而超导磁铁的重量吨，而超导磁铁的重量不过几公斤。不过几公斤。美国在美国在 磁谱仪中，将采用超导磁铁产生强磁场，磁谱仪中，将采用超导磁铁产生强磁场，2003 年再次送入地球轨道，观察暗物质和反物质。年再次送入地球轨道，观察暗物质和反物质。