第14章物质的磁性PPT讲稿.ppt

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1、第14章物质的磁性第1页，共35页，编辑于2022年，星期日14-114-114-114-1磁介质的磁化磁介质的磁化磁介质的磁化磁介质的磁化1.1.1.1.磁介质磁介质磁介质磁介质磁磁 化：化：磁场对磁场中的物质的作用称为磁化。磁场对磁场中的物质的作用称为磁化。磁介质：磁介质：在磁场中影响原磁场的物质称为磁介质。在磁场中影响原磁场的物质称为磁介质。总磁感总磁感强度强度附加磁感附加磁感强度强度外加磁外加磁感强度感强度 磁化后介磁化后介质内部的磁场质内部的磁场与附加磁场和与附加磁场和外磁场的关系：外磁场的关系：第2页，共35页，编辑于2022年，星期日抗磁质抗磁质(铜、铋、硫、氢、银等铜、铋、硫、

2、氢、银等)铁磁质铁磁质(铁、钴、镍等铁、钴、镍等)顺磁质顺磁质(锰、铬、铂、氧、氮等锰、铬、铂、氧、氮等)定义定义在介质均匀充满在介质均匀充满磁场的情况下磁场的情况下相对磁导率磁介质的分类磁介质的分类磁磁磁磁 介介介介 质质质质 磁导率磁导率第3页，共35页，编辑于2022年，星期日2.2.2.2.分子电流和分子磁矩分子电流和分子磁矩分子电流和分子磁矩分子电流和分子磁矩 分子电流：分子电流：把分子或原子看作一个整体，分子或原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。效的圆电流

3、表示，统称为分子电流。分子磁矩：分子磁矩：把分子所具有的磁矩统称为分子磁把分子所具有的磁矩统称为分子磁矩，用符号矩，用符号 表示。表示。电子的进动：电子的进动：在外磁场在外磁场 的作用下，分子或原子的作用下，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，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

4、电子的进动。线的转动，称为电子的进动。第4页，共35页，编辑于2022年，星期日电子自身的自旋电子自身的自旋电子同时参与两种运动电子同时参与两种运动环绕原子核的轨道运动环绕原子核的轨道运动轨道磁矩轨道磁矩u自旋磁矩自旋磁矩uB 玻尔磁子玻尔磁子第5页，共35页，编辑于2022年，星期日3.磁化强度磁化强度M 描述磁介质的磁化程度和磁化方向描述磁介质的磁化程度和磁化方向单位体积内分子磁矩单位体积内分子磁矩m分分的矢量和的矢量和单位单位:A/m第6页，共35页，编辑于2022年，星期日4.磁介质的磁化磁介质的磁化1.顺磁质的磁化顺磁质的磁化在外磁场在外磁场B0作用下作用下m分分=0m分分大小不变大

5、小不变方向倾向外磁场方向排列方向倾向外磁场方向排列 M方向与外磁场方向方向与外磁场方向B0一致一致磁化后的附加磁场磁化后的附加磁场B的方向与的方向与B0的方向相同的方向相同第7页，共35页，编辑于2022年，星期日2.抗磁质的磁化抗磁质的磁化在外磁场在外磁场B0作用下作用下m分分=0产生产生 m分分大小与大小与B0成正比成正比;方向与外磁场方向相反方向与外磁场方向相反.M方向与外磁场方向方向与外磁场方向B0相反相反磁化后的附加磁场磁化后的附加磁场B的方向与的方向与B0的方向相反的方向相反第8页，共35页，编辑于2022年，星期日 磁化强度磁化强度磁化强度磁化强度 磁化电流磁化电流磁化电流磁化电

6、流5.5.5.5.磁化电流磁化电流磁化电流磁化电流 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）磁化面电流（或安培表面电流）。第9页，共35页，编辑于2022年，星期日 设介质表面沿轴线方向单位长度上的磁化电设介质表面沿轴线方向单位长度上的磁化电流为流为 （面磁化电流密度），则长为（面磁化电流密度），则长为l 的一段介质的一段介质上的

7、磁化电流强度上的磁化电流强度I IS S为为磁化电流磁化电流磁化电流磁化电流第10页，共35页，编辑于2022年，星期日 若为非均匀磁介质，磁化后不仅在介质的表面，而且在介若为非均匀磁介质，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质的体内还有未被抵消的分子电流形成的磁化电流注意注意:磁化体电流磁化体电流第11页，共35页，编辑于2022年，星期日附加磁场附加磁场磁化电流产生的磁场磁化电流产生的磁场第12页，共35页，编辑于2022年，星期日14-2 14-2 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

8、无磁介质时有磁介质时有磁介质时1、磁场强度、磁场强度第13页，共35页，编辑于2022年，星期日定义定义 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，而在有关，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代数和，而与磁化电流无关。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

9、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第14页，共35页，编辑于2022年，星期日 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中任任意意一一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。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，它它是是空空间间位位置的函数。置的函数。磁场强度磁场强度磁场强度磁场强度第15页，共35页，编辑于2022年，星期日相对磁导率磁导率 值值得

10、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，才才是是反反映映磁磁场场性性质质的基本物理量。的基本物理量。磁场强度磁场强度磁场强度磁场强度第16页，共35页，编辑于2022年，星期日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理和高斯定理有介质时的安培环路定律有介质时的安培环路定律有磁介质时的高斯定律有磁介质时的高斯定律第17页，共35页，编辑于2022年，星期日3.磁介质中的磁场的能量密度磁介质中的磁场的能量密度第18页，共35页，编辑于2022年，星期日例例14-1 14-1 在均匀密绕的螺绕环内充

11、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I I，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，过在环内任取一点，过该点作一和环同心、半径该点作一和环同心、半径为为 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

12、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第19页，共35页，编辑于2022年，星期日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第20页，共35页，编辑于2022年，星期日 例例14-2 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

13、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磁场；（的磁场；（2）圆柱体内一点磁场；（）圆柱体内一点磁场；（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

14、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分回回路路，根根据据安安培培环路定理有环路定理有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第21页，共35页，编辑于2022年，星期日（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磁介质中的安培环路定

15、理磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理第22页，共35页，编辑于2022年，星期日由由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,考考虑虑到到环环路中所包围的电流的代数和为零，所以得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第23页，共35页，编辑于2022年，星期日与弱磁质相比，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

16、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强的附加磁场。的附加磁场。(2)(2)外外磁磁场场停停止止作作用用后后，仍仍能能保保持持其其磁化状态。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有不同的居里温度质有不同的居里温度Tc。纯铁：。纯铁：770C，纯镍：，纯镍：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

17、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。14-414-4 铁磁质铁磁质铁磁质铁磁质居居 里里第24页，共35页，编辑于2022年，星期日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时时，环内的磁场强度：环内的磁场强度：1.1.1.1.磁介质磁介质磁介质磁介质第25页，共35页，编辑于2022年，星期日AR12K接接磁磁通通计计 铁铁芯芯中中的的B

18、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的的关关系曲线（磁化曲线）。系曲线（磁化曲线）。OHACBS磁磁磁磁 介介介介 质质质质第26页，共35页，编辑于2022年，星期日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系如如图所示：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

19、点点过过后后，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，相相应应的的BS称称饱和磁感应强度。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值值，由此可见铁磁质由此可见铁磁质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 质质质质第27页，共35页，编辑于2022年，星期日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

20、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值，这这种种现现象称为象称为剩磁剩磁。-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为为铁磁质的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向缓慢改变磁场，磁化曲线为一闭合曲线反向缓慢改变磁场，磁化曲线为一闭合曲线磁滞回线磁滞回线。第28页，共3

21、5页，编辑于2022年，星期日 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损失在反复磁化过程中能量的损失叫做叫做磁滞损耗磁滞损耗。缓慢磁化过程，缓慢磁化过程，经历一次磁化过程损耗的能量与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。磁滞回线包围的面积成正比。-HcdHc-BrefBrcbBHaO 铁磁体在交变磁化磁场的作用下，它的形状随之铁磁体在交变磁化磁场的作用下，它的形状随之改变，叫做改变，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第29页，共35页，编辑于2022年，星期日3.3.3.3.磁畴磁畴磁畴磁畴单晶磁畴

22、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态的微小区域，这些自发磁化的微小区域称为磁畴磁畴。第30页，共35页，编辑于2022年，星期日磁磁磁磁 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，任，磁体体内磁矩排列杂乱，任意物理无限小

23、体积内的意物理无限小体积内的平均磁矩为零平均磁矩为零。第31页，共35页，编辑于2022年，星期日 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的，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磁畴体积逐渐扩大，而自发磁化磁矩与外磁场成较大，而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度的角度的磁畴体积逐渐缩小磁畴体积逐渐缩小。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取向与外磁场成较

24、大角度的磁畴全部消失磁畴全部消失，留存的磁畴，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，这时畴都沿外磁场方向整齐排列，这时磁化达到饱和磁化达到饱和。磁磁磁磁 畴畴畴畴第32页，共35页，编辑于2022年，星期日BHOBHO 矫矫顽顽力力很很小小(Hc102Am-1)，磁磁滞滞回回线窄，所围的面积小，磁滞损耗小。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

25、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宽，所围的面积大，磁滞损耗大所围的面积大，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第33页，共35页，编辑于2022年，星期日 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。磁磁化化后后能保持很强的磁性，适用于制成各种类型的永久磁铁。能保持很强的磁性，适用于制成各种类型的永久磁铁。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接接近饱和值近饱和值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应，常用于制造超声波发生器。效应，常用于制造超声波发生器。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。第34页，共35页，编辑于2022年，星期日第35页，共35页，编辑于2022年，星期日