磁场中的磁介质ppt精.ppt

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1、磁场中的磁介质ppt1第1页，本讲稿共49页一、磁介质一、磁介质二、二、磁介质磁化的微观机理磁介质磁化的微观机理三、磁化电流与磁化强度三、磁化电流与磁化强度四、四、H的环路定理的环路定理五、铁磁质五、铁磁质六、简单的磁路六、简单的磁路2第2页，本讲稿共49页一、磁介质一、磁介质传导电流产生传导电流产生与介质有关的电流产生与介质有关的电流产生均匀介质充满磁均匀介质充满磁场的情况下场的情况下介质的相对磁导率介质的相对磁导率1.1.磁介质的定义磁介质的定义在磁场中会受磁场影响而发生在磁场中会受磁场影响而发生变化变化,反过来又对磁场产生影响反过来又对磁场产生影响的物质就叫磁介质的物质就叫磁介质.2.磁

2、介质对磁场的影响磁介质对磁场的影响3第3页，本讲稿共49页3.磁介质的分类磁介质的分类顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质铁磁质铁磁质r是常数是常数r是常数是常数r不是常数不是常数常见的顺磁质有常见的顺磁质有:铝、铂、氧等铝、铂、氧等.常见的抗磁质有常见的抗磁质有:铜、汞、氢等铜、汞、氢等.常见的铁磁质有常见的铁磁质有:纯铁、硅钢、坡莫合金等纯铁、硅钢、坡莫合金等.4第4页，本讲稿共49页二、二、磁介质磁化的微观机理磁介质磁化的微观机理1.原子磁矩与分子固有磁矩原子磁矩与分子固有磁矩电子绕核的轨道运动以及电子的自电子绕核的轨道运动以及电子的自旋可等效为一个圆电流旋可等效为一个圆电流顺磁质顺磁质轨道角动量轨

3、道角动量对应的磁矩对应的磁矩自旋角动量自旋角动量对应的磁矩对应的磁矩分子的固有磁矩是其中所有分子的固有磁矩是其中所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和的矢量和抗磁质抗磁质=05第5页，本讲稿共49页一个一个电子的轨道磁矩电子的轨道磁矩设电子绕原子核运动的速率为设电子绕原子核运动的速率为v，轨道半径为轨道半径为r，则则其中其中所以所以又因为电子绕原子核运动的角动量大小为又因为电子绕原子核运动的角动量大小为故故一个一个电子的轨道磁矩为电子的轨道磁矩为6第6页，本讲稿共49页根据量子力学，电子轨道角动量是量子化的，所以根据量子力学，电子轨道角动量是量子化的，所以因此因此根据量子

4、力学，电子还具有自旋运动，称为内禀（固有）根据量子力学，电子还具有自旋运动，称为内禀（固有）自旋自旋.由自旋产生的磁矩称为由自旋产生的磁矩称为内禀（固有）自旋磁矩内禀（固有）自旋磁矩.计算计算表明表明一个一个电子的内禀（固有）自旋磁矩的大小为电子的内禀（固有）自旋磁矩的大小为这一磁矩称为这一磁矩称为玻尔磁子玻尔磁子7第7页，本讲稿共49页2.磁化的微观解释磁化的微观解释1)顺磁性顺磁性只有顺磁质、铁磁质才具有顺磁性只有顺磁质、铁磁质才具有顺磁性方向与方向与 方向相同方向相同取向磁化取向磁化由于顺磁质的分子固有磁矩不为零由于顺磁质的分子固有磁矩不为零在外磁场的作用下在外磁场的作用下,各分子磁矩都

5、发生转向各分子磁矩都发生转向8第8页，本讲稿共49页2)抗磁性抗磁性电子轨道磁矩受磁力矩方向垂直纸面向内电子轨道磁矩受磁力矩方向垂直纸面向内轨道角动量绕磁场旋进轨道角动量绕磁场旋进电子附加一个与外磁场磁感应电子附加一个与外磁场磁感应强度方向相反的磁矩强度方向相反的磁矩(所有介质均具有抗磁性所有介质均具有抗磁性)由分子中电子轨道角动量的旋进（进动）产生由分子中电子轨道角动量的旋进（进动）产生分子中所有电子的附加磁矩的矢分子中所有电子的附加磁矩的矢量和就是一个分子在外磁场中产量和就是一个分子在外磁场中产生的生的感生磁矩感生磁矩感应磁化感应磁化9第9页，本讲稿共49页顺磁质顺磁质无外磁场时：无外磁场

6、时：有外磁场时：有外磁场时：抗磁质抗磁质无外磁场时：无外磁场时：有外磁场时：有外磁场时：磁磁 介介 质质且且 与外磁场方向相同与外磁场方向相同,取向磁化和取向磁化和感应磁化同时存在感应磁化同时存在,但以取向磁化为主但以取向磁化为主.且且 与外磁场方向相反与外磁场方向相反,只有感应只有感应磁化磁化.10第10页，本讲稿共49页三、磁化强度和磁化电流三、磁化强度和磁化电流由于分子磁矩的取向一致由于分子磁矩的取向一致 考虑到它们相对应的考虑到它们相对应的分子电流分子电流如如 长直螺线管内部充满均匀的各向同性介质将被长直螺线管内部充满均匀的各向同性介质将被均匀磁化均匀磁化均匀磁场均匀磁场螺线管截面螺线

7、管截面11第11页，本讲稿共49页 1.磁化强度磁化强度2.磁化强度与磁化电流磁化强度与磁化电流的关系的关系极化强度极化强度对比电介质对比电介质12第12页，本讲稿共49页 推导：推导：L i分分 S磁介质磁介质S分分放大放大则套住则套住 dl 的分子电流：的分子电流：设分子浓度为设分子浓度为 n，穿过穿过L所围曲面所围曲面 S 的磁化电流的磁化电流（介质内的磁化电流）（介质内的磁化电流）13第13页，本讲稿共49页介质表面磁化电流介质表面磁化电流(线线)密度：密度：选选磁化面电流（线）密度磁化面电流（线）密度当当时，即当时，即当平行介质平行介质表面时表面时,介质表面介质表面14第14页，本讲

8、稿共49页3.磁化规律磁化规律各向同性磁介质各向同性磁介质(顺磁质或抗磁质顺磁质或抗磁质)介质的介质的磁导率磁导率各向同性电介质各向同性电介质介质的介介质的介电常数电常数15第15页，本讲稿共49页考虑到磁介质中还存在磁化电流，所以对考虑到磁介质中还存在磁化电流，所以对于磁介质，（于磁介质，（1）式则需加以修正，等号右）式则需加以修正，等号右边的边的I内内应该包括传导电流和磁化电流应该包括传导电流和磁化电流.四、四、的环路定理的环路定理 1.的环路定理的环路定理 16第16页，本讲稿共49页设：设：I0 传导电流传导电流I 磁化电流磁化电流磁磁介介质质I 定义定义I0L17第17页，本讲稿共4

9、9页得：得：H 的单位：的单位：真空：真空：A/m（SI）；）；磁场强度磁场强度的环路定理的环路定理18第18页，本讲稿共49页各向同性磁介质各向同性磁介质因因则有则有将将代入代入得得各向同性电介质各向同性电介质2.2.的关系的关系又得又得19第19页，本讲稿共49页讨论讨论思路思路1）有介质时磁场的性质方程有介质时磁场的性质方程3）在解场方面的应用在解场方面的应用 在具有很好对称性的情况下在具有很好对称性的情况下 可以首先由可以首先由 的环路定理解出的环路定理解出2）是由传导电流和磁化电流共同产生的，是由传导电流和磁化电流共同产生的，不能认为不能认为 只与传导电流有关只与传导电流有关20第2

10、0页，本讲稿共49页例例1介质中闭合回路介质中闭合回路L所套连的磁化电流为：所套连的磁化电流为：证：证：L任取任取 且可无限缩小且可无限缩小故故 I0=0 处处 I =0 L磁磁介介质质无传导电流处无传导电流处 也无磁化电流也无磁化电流证明在各向同性均匀磁介质内证明在各向同性均匀磁介质内3.环路定理的应用举例环路定理的应用举例21第21页，本讲稿共49页例例2 一充满均匀磁介质的密绕细螺绕环，一充满均匀磁介质的密绕细螺绕环，求：磁介质内的求：磁介质内的解：解：取回路如图，设总匝数为取回路如图，设总匝数为N细螺绕环细螺绕环22第22页，本讲稿共49页代入数据代入数据23第23页，本讲稿共49页讨

11、论：讨论：设想把这些磁化面电流也分成每米设想把这些磁化面电流也分成每米103匝，匝，相当于分到每匝有多少？相当于分到每匝有多少？2(A)充满铁磁质后充满铁磁质后24第24页，本讲稿共49页例例3 一充满相对磁导率为一充满相对磁导率为r的均匀磁介质的密绕的均匀磁介质的密绕无限长螺线管，单位长度的匝数为无限长螺线管，单位长度的匝数为n，当线圈内，当线圈内通以电流通以电流I时，求螺线管内的磁感应强度和磁介质时，求螺线管内的磁感应强度和磁介质表面的面束缚电流密度表面的面束缚电流密度.rlabcdP解解:如图如图,螺线管外无磁螺线管外无磁场场,管内磁场均匀管内磁场均匀,且且 和和都与管的轴线平行都与管的

12、轴线平行.作一环路作一环路abcda,如图所示如图所示那么那么,25第25页，本讲稿共49页rlabcdP据据 的环路定理的环路定理,有有即有即有于是于是,管内的磁感应强度为管内的磁感应强度为由由得得磁介质中的磁化强度为磁介质中的磁化强度为26第26页，本讲稿共49页讨论讨论:对于抗磁质对于抗磁质,r1,j1,j0,这表这表明束缚电流的方向和传导电流的明束缚电流的方向和传导电流的方向相同方向相同;对于铁磁质对于铁磁质,r1,jnI,这表明束缚电流的方向和这表明束缚电流的方向和传导电流的方向相同且比传导电传导电流的方向相同且比传导电流面密度流面密度nI大得多大得多,可以认为这可以认为这时的磁场基

13、本上是由铁磁质表面时的磁场基本上是由铁磁质表面的束缚电流的束缚电流产生的产生的.rlabcdP顺磁质情况顺磁质情况27第27页，本讲稿共49页五、五、铁磁质铁磁质(1)r 1 可使磁场大幅度增加可使磁场大幅度增加(2)r不是常数不是常数，与磁化历史有关与磁化历史有关装置装置起始磁化曲线起始磁化曲线1.1.铁磁质的宏观性质铁磁质的宏观性质(3)B与与H 的关系为非线性关系，与磁化历史有关的关系为非线性关系，与磁化历史有关28第28页，本讲稿共49页2.磁滞现象磁滞现象-剩剩磁磁-矫顽力矫顽力起始磁化曲线起始磁化曲线起始磁化曲线都起始磁化曲线都是是“不可逆不可逆”的，的，即当铁磁质到达即当铁磁质到

14、达磁饱和后，若慢磁饱和后，若慢慢减少电路电流，慢减少电路电流，H值也跟着值也跟着减少减少,而铁磁质中的而铁磁质中的B并不并不沿起始磁化曲线逆向减少，沿起始磁化曲线逆向减少，而是减少得比原来增加时慢而是减少得比原来增加时慢.当当I=0,因而因而H=0时时,B并不为并不为0而是还保持一定的值而是还保持一定的值.这这种现象叫种现象叫磁滞现象磁滞现象或或磁滞磁滞效应效应.H29第29页，本讲稿共49页3.磁滞损耗磁滞损耗 在交变电磁场中在交变电磁场中,铁磁质的反复磁化铁磁质的反复磁化将引起介质的发热将引起介质的发热,称为磁滞损耗称为磁滞损耗.实验和理论都可以证明实验和理论都可以证明:磁滞损耗和磁磁滞损

15、耗和磁滞回线所包围的面积成正比滞回线所包围的面积成正比.BH30第30页，本讲稿共49页4.磁性材料及应用磁性材料及应用(1)软磁材料软磁材料BH 特点：磁导率大特点：磁导率大 矫顽力小矫顽力小 容易磁化容易磁化也容易退磁也容易退磁 磁滞回线包围面积小磁滞回线包围面积小 磁滞损磁滞损耗小耗小应用应用:硅钢片可作变压硅钢片可作变压器、电机、电磁铁的器、电机、电磁铁的铁芯铁芯.铁氧体铁氧体(非金属非金属)可可作高频线圈的磁芯作高频线圈的磁芯材材料料.31第31页，本讲稿共49页 特点：剩余磁感应强度大特点：剩余磁感应强度大 矫顽力大矫顽力大 不不容易磁化容易磁化 也不容易退磁也不容易退磁 磁滞回线

16、宽磁滞回线宽 磁磁滞损耗大滞损耗大(2)硬磁材料硬磁材料应用：作永久磁铁应用：作永久磁铁 永磁喇叭永磁喇叭BH32第32页，本讲稿共49页 应用：作计算机中的记忆元件应用：作计算机中的记忆元件 磁化时极磁化时极性的反转构成了性的反转构成了“0”与与“1”(3)矩磁材料：矩磁材料：BH特点：磁滞回线呈矩形状特点：磁滞回线呈矩形状33第33页，本讲稿共49页5.居里温度居里温度 6.铁磁性起因铁磁性起因 磁畴磁畴-电子的自旋磁矩可以不靠磁场而取得电子的自旋磁矩可以不靠磁场而取得一致的方向一致的方向.在铁磁体内存在无数个线度约为在铁磁体内存在无数个线度约为10-4m的小区域的小区域,这些小区域叫磁畴

17、这些小区域叫磁畴.在每个磁在每个磁畴中畴中,所有原子的磁矩都方向一致地整齐排列所有原子的磁矩都方向一致地整齐排列着着.各种材料磁畴的线度相差较大各种材料磁畴的线度相差较大.一个磁畴中一个磁畴中约有约有1012-1015个原子个原子.居里点居里点顺磁质顺磁质铁铁 767 0C镍镍 357 0C磁畴磁畴铁磁质铁磁质第34页，本讲稿共49页纯铁纯铁硅铁硅铁钴钴磁畴磁畴35第35页，本讲稿共49页Si-Fe单晶单晶(001)面的面的磁畴结构磁畴结构箭头表示箭头表示磁化方向磁化方向0.1mm36第36页，本讲稿共49页单晶磁畴结构单晶磁畴结构 示意图示意图多晶磁畴结构多晶磁畴结构 示意图示意图37第37

18、页，本讲稿共49页 铁磁质在不断增大的外磁场作用下铁磁质在不断增大的外磁场作用下,其磁矩方向和外其磁矩方向和外磁场方向接近的磁场方向接近的磁畴逐渐扩大磁畴逐渐扩大,而方向相反的磁畴而方向相反的磁畴逐渐缩小逐渐缩小.最后当外磁场增大到一定程度后最后当外磁场增大到一定程度后,所有所有磁畴的磁矩方向也都指向同一个方向了磁畴的磁矩方向也都指向同一个方向了.这时铁这时铁磁质就达到磁饱和的状态磁质就达到磁饱和的状态.磁滞现象可以用磁畴的畴壁很难恢复原来磁滞现象可以用磁畴的畴壁很难恢复原来形状来说明形状来说明.38第38页，本讲稿共49页六、简单磁路六、简单磁路 如图如图,铁心的长度为铁心的长度为l,横截面

19、积为横截面积为S,气隙气隙的宽度为的宽度为,铁心上绕有铁心上绕有N匝线圈匝线圈,通过通过线圈的电流为线圈的电流为I,铁心的相对磁导率为铁心的相对磁导率为r,那么铁心气隙中的磁感应强度那么铁心气隙中的磁感应强度B是多少是多少?解解:不考虑漏磁通不考虑漏磁通,据磁通连续据磁通连续原理原理,通过铁心各处横截面的磁通量通过铁心各处横截面的磁通量应相等应相等,因而铁心因而铁心内各处的磁感应强度内各处的磁感应强度B B也应相等也应相等.因气隙很小因气隙很小,故气隙处故气隙处的磁场可认为并不散开的磁场可认为并不散开,有磁场部分的面积仍为有磁场部分的面积仍为S,S,因此因此气隙处的磁感应强度气隙处的磁感应强度

20、B0与铁心中的磁感应强度与铁心中的磁感应强度B相等相等.Il39第39页，本讲稿共49页Il据安培环路定理据安培环路定理,有有于是于是由于由于所以所以由此得由此得因铁心因铁心r很大很大,所以即使所以即使不大不大,r 亦不小亦不小,这这使得铁心内和气隙处的使得铁心内和气隙处的B B大大减小大大减小.40第40页，本讲稿共49页因为因为=BS,所以所以类比类比电路公式电路公式作如下作如下类比类比其中其中,叫叫磁流磁流(磁通磁通),NI叫叫磁动势磁动势,Rm叫叫磁阻磁阻,Um叫叫磁压磁压.41第41页，本讲稿共49页闭合磁路欧姆定律闭合磁路欧姆定律磁阻串联公式磁阻串联公式:磁阻并联公式磁阻并联公式:

21、并联磁路一例并联磁路一例:第第9章结束章结束42第42页，本讲稿共49页 1.磁场的界面关系磁场的界面关系 静磁屏蔽静磁屏蔽由由可得可得 B1n=B2n (1)设界面无传导电流，设界面无传导电流，由由可得可得 H1t=H2t (2)即即(2)12 1 212 1 2附录：附录：43第43页，本讲稿共49页在在 1很大的介质很大的介质1中，中，线几乎平行界面，线几乎平行界面，这就是铁磁质中这就是铁磁质中 线沿铁芯延续的情形线沿铁芯延续的情形若若，则则，当当时时，1 2 1 2 1 2 2 1 90 244第44页，本讲稿共49页B内内R2R1铁管（铁管（板面）板面）静磁屏蔽静磁屏蔽计算表明：计算

22、表明：t=1cm时，时，k=0.5%.屏蔽系数屏蔽系数若若 t=0.1cm时，时，k=5%；则则 精密探头、显象管精密探头、显象管都需要磁屏蔽都需要磁屏蔽45第45页，本讲稿共49页2.2.磁致伸缩磁致伸缩 磁致伸缩磁致伸缩长度相对改变约长度相对改变约10-5量级量级温下可达温下可达10-1某些材料在低某些材料在低磁致伸缩有一定固有频率磁致伸缩有一定固有频率化频率和固有频率一致时化频率和固有频率一致时 发生共振发生共振当外磁场变当外磁场变可用于制作激振器、超声波发生器等可用于制作激振器、超声波发生器等46第46页，本讲稿共49页 根据现代理论，铁磁质相邻原子的根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子

23、之间存在很强的电子之间存在很强的“交换耦合作用交换耦合作用”使得在无外磁场作用时使得在无外磁场作用时 电子自旋磁矩电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列能在小区域内自发地平行排列 形成自形成自发磁化达到饱和状态的微小区域发磁化达到饱和状态的微小区域 这些这些区域称为区域称为“磁畴磁畴”用磁畴理论可以解释铁磁质的磁化用磁畴理论可以解释铁磁质的磁化过程、磁滞现象、磁滞损耗以及居里点过程、磁滞现象、磁滞损耗以及居里点 1892年罗辛格首先提出年罗辛格首先提出 磁畴的形成磁畴的形成是由于磁偶极子间非磁性的相互作用是由于磁偶极子间非磁性的相互作用.3.深入认识深入认识磁畴磁畴47第47页，本讲稿共49页 1926年海森堡用量子力学中的交换力解年海森堡用量子力学中的交换力解释了磁偶极子间相互作用的起源释了磁偶极子间相互作用的起源48第48页，本讲稿共49页 1935年年 朗道和栗佛希兹从磁场能量的朗道和栗佛希兹从磁场能量的观点说明了磁畴的成因观点说明了磁畴的成因49第49页，本讲稿共49页