第12章磁PPT讲稿.ppt

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1、第12章磁第1页，共31页，编辑于2022年，星期日抗磁质抗磁质(铜、铋、硫、氢、银等铜、铋、硫、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磁在介质均匀充满磁场的情况下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 质质质质第2页，共31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

2、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

3、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，称为电子的进动。线的转动，称为电子的进动。第3页，共31页，编辑于2022年，星期日进动进动进动 附加磁矩：附加磁矩：因进动而产生的等效磁矩称为附加因进动而产生的等效磁矩称为附加磁矩，用符号磁矩，用符号 表示。表示。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 可以证明：可以证明：不论电子原来的磁矩与磁场方向之不论电子原来的磁矩与磁场方向之间的夹角是何值，在外磁场间的夹角是何值，在外磁场 中，电子角动量中，电子角动量 进动进动的转向总是和的转向总是和 磁力矩磁力矩 的方向构成右手螺旋关系

4、。这的方向构成右手螺旋关系。这种等效圆电流的磁矩的方向永远与种等效圆电流的磁矩的方向永远与 B0 的方向相反。的方向相反。第4页，共31页，编辑于2022年，星期日3.3.3.3.抗磁质的磁化抗磁质的磁化抗磁质的磁化抗磁质的磁化 抗抗磁磁材材料料在在外外磁磁场场的的作作用用下下，磁磁体体内内任任意意体体积积元元中中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源。它它是是一一切切磁磁介介质所共有的性质质所共有的性质。4.4

5、.4.4.顺磁质的磁化顺磁质的磁化顺磁质的磁化顺磁质的磁化 在在顺顺磁磁体体内内任任意意取取一一体体积积元元 ，其其中中各各分分子子磁磁矩矩的的矢矢量量和和 将将有有一一定定的的量量值值，因因而而在在宏宏观观上上呈呈现现出出一一个个与与外外磁磁场场同同向向的的附附加加磁磁场场，这这就就是是顺顺磁磁性性的的起源。它是一切磁介质所共有的性质起源。它是一切磁介质所共有的性质。第5页，共31页，编辑于2022年，星期日1.1.1.1.磁化强度磁化强度磁化强度磁化强度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。均匀磁化均匀磁化非均匀磁化非均匀磁化12-212-2 磁化

6、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流 磁化强度：磁化强度：单位体积内所有分子固有磁矩的单位体积内所有分子固有磁矩的矢量和矢量和 加上附加磁矩的矢量和加上附加磁矩的矢量和 ，称为磁，称为磁化强度，用化强度，用 表示。表示。磁化强度的单位：磁化强度的单位：第6页，共31页，编辑于2022年，星期日 注意：注意：对顺磁质，对顺磁质，可以忽略；可以忽略；对抗磁质对抗磁质 ，对于真空，对于真空，。外磁场为零，磁化强度为零。外磁场为零，磁化强度为零。外磁场不为零外磁场不为零:顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质磁化强度磁化强度磁化强度磁化强度第7页，共31页，编辑于2022年，星期日2.2.

7、2.2.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互抵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，称为面出现一层电流，好象一个载流螺线管，称为磁化面电流磁化面电流（或安培表面电流）（或安培表面电流）。第8页，共31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磁化电流强

8、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9页，共31页，编辑于2022年，星期日 取一长方形闭合回路取一长方形闭合回路ABCD，AB边在磁介质内边在磁介质内部，平行与柱体轴线，长度为部，平行与柱体轴线，长度为l，而，而BC、AD两边则两边则垂直于柱面。垂直于柱面。磁化强度对闭合回路的线积分等于通过回路所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。包围的面积内的总磁化电流。磁化电流磁化电流磁化电流磁化电流第10页，共31页，编辑于2022年，星期日12-3 12-3 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

9、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第11页，共31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在形式上与磁介质的磁性无关。其单位在国际单位制中是中是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数和，而与磁化电流无关。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

10、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12页，共31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点磁化强度和磁场强度成正比。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对比：第13页，共31页，编辑于2022年，星期日相对磁导率磁导率 值

11、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：第14页，共31页，编辑于2022年，星期日 例例12-2 12-2 在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介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质，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 ，环的横截面半径比环的平均半径小得多，磁介质的相，环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对磁导

12、率和磁导率分别为 和和 。求环内的磁场强度。求环内的磁场强度和磁感应强度。和磁感应强度。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第15页，共31页，编辑于2022年，星期日解：解：当环内是真空时当环内是真空时

13、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12-2 12-2 在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介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质，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 ，环的横截面半径比环的平均半径小得多，磁介质的相，环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对磁导率和磁导率分别为 和和 。求环内的磁场强度。求环内的磁场强度和磁感应强度。和磁感应强度。第16页，共31页，编辑于2022年，星期日 例例12-3 如如图图所

14、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）圆圆柱柱面面外外一一点点的磁场。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

15、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YINYONGYINYONGYINYONGYINYONG第17页，共31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

16、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第18页，共31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路中中所包围的电流的代数和为零，所以得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

17、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31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的附加磁场。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

18、的铁铁磁磁质质有不同的居里温度有不同的居里温度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。12-412-4 *铁磁质铁磁质铁磁质铁磁质居居 里里第20页，共31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

19、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第21页，共31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的关系曲线（磁化曲线）。的关系曲线（磁化曲线）。OHACBS磁磁磁磁 介介介介 质质质质第22页，共31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

20、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值值，由此可见铁磁质由此可见铁磁质BH显著的非线

21、性特点。显著的非线性特点。磁磁磁磁 介介介介 质质质质第23页，共31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，这这种种现象称为现象称为剩磁剩磁。-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

22、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24页，共31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。缓慢磁化过缓慢磁化过程，经历一次磁化过程损耗的能程，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。量与磁滞回线包围的面积成正比。-HcdHc-BrefBrcbBHaO 铁磁体在交

23、变磁化磁场的作用下，它的形状随之改铁磁体在交变磁化磁场的作用下，它的形状随之改变，叫做变，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25页，共31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态的微小区域，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

24、这些自发磁化的微小区域称为磁畴磁畴。第26页，共31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27页，共31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能，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，结果是自发磁化磁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，这些矩和外磁场成小角度的磁畴处于有

25、利地位，这些磁畴体积磁畴体积逐渐扩大逐渐扩大，而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度的，而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度的磁畴磁畴体积逐渐缩小体积逐渐缩小。随着外磁场的不断增强，取向与外磁。随着外磁场的不断增强，取向与外磁场成较大角度的场成较大角度的磁畴全部消失磁畴全部消失，留存的磁畴将向外磁，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28页，共31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

26、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，所所围的面积大，磁滞损耗大围的面积大，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29页，共31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

27、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发生生器。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30页，共31页，编辑于2022

28、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。磁磁化化后能保持很强的磁性，适用于制成各种类型的永久磁铁。后能保持很强的磁性，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接接近近饱和值饱和值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发生生器。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31页，共31页，编辑于2022年，星期日