物质的磁性讲稿.ppt

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1、关于物质的磁性第一页，讲稿共二十八页哦本章本章教学要求：教学要求：了解介质的磁化现象及其微观解释。了解铁磁质了解介质的磁化现象及其微观解释。了解铁磁质的特性。了解各向同性介质中的特性。了解各向同性介质中H和和B之间的关系和之间的关系和区别。了解介质中磁场的高斯定理和安培环路定理。区别。了解介质中磁场的高斯定理和安培环路定理。本章重点：本章重点：磁场的高斯定理和安培环路定理，磁场的高斯定理磁场的高斯定理和安培环路定理，磁场的高斯定理和安培环路定理和安培环路定理本章难点：本章难点：各类磁介质的磁化机理，铁磁质的特性各类磁介质的磁化机理，铁磁质的特性第二页，讲稿共二十八页哦 第二十一章第二十一章 磁

2、介质磁介质 返回总目录返回总目录第三页，讲稿共二十八页哦 第二十一章第二十一章 磁介质磁介质 磁介质：磁介质：一切实物物质，在磁场作用下都会产生不同程 度的磁化，磁化了的物质又反过来影响原来的 磁场。凡是有这种特性的物质都叫磁介质。EEEE0(产生附加电场电介质极化电荷（束缚电荷）外电场）极化BBBB0产生附加磁场磁介质磁化电流（束缚电流）（外磁场）磁化第四页，讲稿共二十八页哦磁介质内部：磁介质内部：定义介质的相对磁导率：定义介质的相对磁导率：三种不同的磁介质：三种不同的磁介质：锰等氧铝，稍大于且同向与磁介质内部顺磁质,.101 1 .B,)1(60000rrBBBBBBBBBB00BBr0B

3、B超导体是理想的抗磁体各种动物包括人，氢等铋铜，稍小于且方向相反与磁介质内部抗磁质,.1011,)2(6000rrBBBBBBB .B 0B0B实验发现实验发现：有、无磁介质的螺旋管内磁感应强度的比值，可表征它们在磁场中的性：有、无磁介质的螺旋管内磁感应强度的比值，可表征它们在磁场中的性质。质。磁介质磁介质BII第五页，讲稿共二十八页哦顺磁质，抗磁质都称为弱磁质铁磁质又称为强磁质鈷等镍铁，且同向与磁介质内部铁磁质,.1010 1 .B,)3(430000rrBBBBBBBB0BB第六页，讲稿共二十八页哦分子的固有磁矩 ，mPemPP自轨自则电子磁矩矩称为自旋磁矩由于电子自旋引起的磁eeeePP

4、PP0,.20.,.1:mmPP即分子具有固有磁矩即不具有固有磁矩抵消分子中各电子磁矩互相两类不同分子抗磁质抗磁质顺磁质顺磁质Iep第七页，讲稿共二十八页哦顺磁质的磁化机理0mP杂乱无章，无外场时，分子运动mPB0B方向相同与由此产生的向方力图转到受力矩，时，分子磁矩有外场000.0,BBPBPBmm0mP具有固有磁矩，在顺磁质物质中，分子第八页，讲稿共二十八页哦抗磁质的磁化机理*电子的进动：电子的进动：在外磁场作用下，每个电子除了保持环绕原子核在外磁场作用下，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，还要附加电子磁矩的运动和电子本身的自旋以外，还要附加电子磁矩以以外磁场方外磁场方

5、向为轴线的转动向为轴线的转动。可以证明：可以证明：不论电子原来的磁矩与磁场方向之间的夹角是何值，这种不论电子原来的磁矩与磁场方向之间的夹角是何值，这种进动进动等效圆电流等效圆电流附加磁矩附加磁矩 Pm的方向永远与的方向永远与B0 的方向相反。的方向相反。mp0BLpeL进动进动LLdLLdBPMLMtLddML、d方向一致!0BLpeLmp进动进动BB第九页，讲稿共二十八页哦 顺磁质 ，即在 作用下 转向方向，使得 与 同向。mmPP0B0BmP0BB 抗磁质 ，但进动产生 ，与 反向，使得 与 反向。0mPmPmP0BB0B 分析（b）（c）两图有：分子中各个电子因进动产生的附加磁矩 总与

6、的方向相反。mP0BBH顺磁质抗磁质HB0HBHBr00:磁介质中真空中：第十页，讲稿共二十八页哦2010年首个诺贝尔奖+搞笑诺贝尔奖双料得主诞生荷兰科学家Andre Geim。十年前他因磁悬浮青蛙获得搞笑诺贝尔奖。十年后他因石墨烯（graphene）的结构获诺贝尔奖。青蛙属于抗磁质。当青蛙被放到磁场中，青蛙的每个原子都像一个小青蛙属于抗磁质。当青蛙被放到磁场中，青蛙的每个原子都像一个小磁针，外界磁场对这些小磁针作用的结果产生了向上的力，如果磁场磁针，外界磁场对这些小磁针作用的结果产生了向上的力，如果磁场的强度适当，这力与青蛙受的重力达到平衡，它们就能悬在空中。的强度适当，这力与青蛙受的重力达

7、到平衡，它们就能悬在空中。实际上动物都属于抗磁质，只要用足够强的实际上动物都属于抗磁质，只要用足够强的磁场，就有可能使人悬浮起来。磁场，就有可能使人悬浮起来。第十一页，讲稿共二十八页哦磁化强度（与电极化强度 定义类似。）P4、磁化强度、磁化强度VPPMmmmPMVMVPMmM顺磁质的顺磁质的磁化强度方向与外磁场方向相同，方向与外磁场方向相反。抗磁质的抗磁质的磁化强度单位：mA/（安/米)0B(a)(a)顺磁质顺磁质0B(b)(b)抗磁质抗磁质M反映磁介质磁化程度反映磁介质磁化程度(大小与方向大小与方向)的物理量。的物理量。第十二页，讲稿共二十八页哦5.磁化电流磁化电流II0B 对于各向同性的均

8、匀介质，介质内部各分子电流相互抵消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，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，称为出现一层电流，好象一个载流螺线管，称为磁化面电流磁化面电流。58 磁化电流的产生2ok.swf第十三页，讲稿共二十八页哦ljImmSljSIPmmmVpMmmmjSlSljM设介质表面沿轴线方向设介质表面沿轴线方向单位长度单位长度上的磁化电流为上的磁化电流为jm（磁化面（磁化面电流密度），则长为电流密度），则长为l 的一段介质上的磁化电流强度的一段介质上的磁化电流强度I

9、Im为为 取一长方形闭合回路取一长方形闭合回路ABCD，AB边在磁介质内部，平行与柱体轴线，长度为边在磁介质内部，平行与柱体轴线，长度为l，而，而BC、AD两边则垂直于柱面。两边则垂直于柱面。BAlMlMddABM MlmjM mmIljlMd磁化强度对闭合回路的线积分等于通过回路所包围的面积内的总磁化电流。磁化强度对闭合回路的线积分等于通过回路所包围的面积内的总磁化电流。IImAlABCDnPqSPSd对比第十四页，讲稿共二十八页哦00SSdB0SSdBB0)(0SdBBSdBSS0SSdB，故对总磁场有 21-2 磁介质中的高斯定理与安培环路定理磁介质中的高斯定理与安培环路定理21-2-1

10、 磁介质中的高斯定理磁介质中的高斯定理0BBB第十五页，讲稿共二十八页哦内）（LLIlB000d无磁介质时无磁介质时有磁介质时有磁介质时)(d0mLIIlBlMILmd)d(d0LLlMIlBIlMBLd)(0或21-2-2 有磁介质时的安培环路定理有磁介质时的安培环路定理定义磁场强度定义磁场强度MBH0 磁介质中的安培环路定理：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。过该路径的所有传导电流的代数和，而与磁化电流无关。IlHLd第十六页，讲稿共二十八页哦MBH0MHB00 实验证明：对于各

11、向同性的介质，在磁介质中任意一实验证明：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。点磁化强度和磁场强度成正比。HMm 式中式中m只与磁介质的性质有关，称为磁介质的只与磁介质的性质有关，称为磁介质的磁化率磁化率，是，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。均匀的，它是空间位置的函数。顺磁质0m抗磁质0mEPe0对比第十七页，讲稿共二十八页哦MHB00HMmmr1令HBm)1(0 值得注意：值得注意：H 的引入为研究介质中的磁场提供了方便，但它的引入为研究介质中的磁场提供

12、了方便，但它不是反映磁场性质的基本物理量，不是反映磁场性质的基本物理量，B 才是反映磁场性质的基本才是反映磁场性质的基本物理量。物理量。磁导率磁导率=0 rEEDr0对比MBH21-2-3 21-2-3 磁化强度磁化强度、磁感应强度、磁感应强度和磁场强度和磁场强度之间的关系之间的关系HHBr0各向同性的介质各向同性的介质第十八页，讲稿共二十八页哦Irr 例例 有两个半径分别为有两个半径分别为 和和 的的“无限长无限长”同同轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁导率为轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁导率为 的的磁介质磁介质.当两圆筒通有相反方向的电流当两圆筒通有相反方向的电流 时，试时，试 求求（

13、1）磁介质中任意点）磁介质中任意点 P 的磁感应强度的的磁感应强度的 大小大小;（2）圆柱体外面一点）圆柱体外面一点 Q 的的 磁感强度磁感强度.rrRI解解 对称性分析对称性分析RdrIlHldIdH 2dIH2dIHB2r0dIR第十九页，讲稿共二十八页哦0,02HdH0HB0,Brd同理可求同理可求RdrdIB2r0Rd 0IIlHldIrrIRd第二十页，讲稿共二十八页哦(a)(b)(c)BHHHMoooSHCAS（1）由于磁化，铁磁质内部磁场比无铁磁质时增大百倍至千倍以上。（2）不是恒量。即 与 不是简单的线性关系。HB（3）磁化场撤除后，铁磁质内仍得到一定的磁性。第二十一页，讲稿共

14、二十八页哦BHHMoSHSoSHSSSSHSHRRRR(a)BH磁滞回线(b)MH磁滞回线第二十二页，讲稿共二十八页哦图无外磁场外磁场0B外磁场0B外磁场0B(a)(b)(c)(d)第二十三页，讲稿共二十八页哦单晶磁畴结构示意图单晶磁畴结构示意图多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，形成一个自发磁化达到饱和状态的微

15、小区域，这些自发磁化的微小区域称为小区域称为磁畴磁畴。3.磁畴磁畴 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，任意，磁体体内磁矩排列杂乱，任意物理无限小体积内的物理无限小体积内的平均磁矩为零平均磁矩为零。第二十四页，讲稿共二十八页哦无外磁场外磁场0B外磁场0B外磁场0B(a)(b)(c)(d)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自发磁化磁矩和外磁场成小角度的磁畴处于有利地位磁畴处于有利地位，这些磁畴体积逐渐扩大，

16、而自发磁化磁矩与，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。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，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，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所有磁畴都沿外磁场方向整齐排列，这时磁化达到饱和。整齐排列，这时磁化达到饱和。第二十五页，讲稿共二十八页哦临界温度临界温度Tc。在。在Tc以上，铁磁性完全消失而成为顺以上，铁磁性完全消失而成为顺磁质，磁质，Tc称为居里温度或居

17、里点。不同的铁磁质有不同称为居里温度或居里点。不同的铁磁质有不同的居里温度的居里温度Tc。纯铁：。纯铁：770C，纯镍：，纯镍：358C。居居 里里装置如图所示：将悬挂着的镍片移近永久装置如图所示：将悬挂着的镍片移近永久磁铁，即被吸住，说明镍片在室温下具有磁铁，即被吸住，说明镍片在室温下具有铁磁性。用酒精灯加热镍片，当镍片的温铁磁性。用酒精灯加热镍片，当镍片的温度升高到超过一定温度时，镍片不再被吸度升高到超过一定温度时，镍片不再被吸引，在重力作用下摆回平衡位置，说明镍引，在重力作用下摆回平衡位置，说明镍片的铁磁性消失，变为顺磁性。移去酒精片的铁磁性消失，变为顺磁性。移去酒精灯，稍待片刻，镍片温

18、度下降到居里点以灯，稍待片刻，镍片温度下降到居里点以下恢复铁磁性，又被磁铁吸住。下恢复铁磁性，又被磁铁吸住。第二十六页，讲稿共二十八页哦4.铁磁质的应用铁磁质的应用作变压器的作变压器的软磁材料软磁材料。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，磁滞回线的面积小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小。窄而长，损耗小。用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。cHcHBH作永久磁铁的作永久磁铁的硬磁材料硬磁材料钨钢，碳钢，铝镍钴合金钨钢，碳钢，铝镍钴合金BHHc-Hc矫顽力矫顽力(Hc)大（大（10102 2A/m)，剩磁，剩磁Br大磁大磁滞回线的面积大，损耗大。滞回线的面积大，损耗大。用于磁电式电表中的永磁铁。用于磁电式电表中的永磁铁。耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。第二十七页，讲稿共二十八页哦感谢大家观看感谢大家观看第二十八页，讲稿共二十八页哦