第15章物质的磁性精.ppt

《第15章物质的磁性精.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第15章物质的磁性精.ppt（38页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第15章物质的磁性第1页，本讲稿共38页【学习目的学习目的学习目的学习目的】1 1、了解、了解顺磁质、抗磁质和铁磁质顺磁质、抗磁质和铁磁质磁化过程的宏观特征和规律。磁化过程的宏观特征和规律。2 2、了解原子的磁矩及磁介质的磁化过程。、了解原子的磁矩及磁介质的磁化过程。3 3、掌握磁介质中的、掌握磁介质中的安培环路定理安培环路定理及磁介质中的及磁介质中的磁场的计算磁场的计算。4 4、了解、了解铁磁质铁磁质的磁化现象，了解磁畴、剩磁、磁滞回线、居里的磁化现象，了解磁畴、剩磁、磁滞回线、居里温度点等概念。温度点等概念。第2页，本讲稿共38页15.1 物质对磁场的影响物质对磁场的影响15.3 物质的磁

2、化物质的磁化15.2 原子的磁矩原子的磁矩15.4 H矢量及其环路定理矢量及其环路定理15.5 铁磁质铁磁质第3页，本讲稿共38页n15.1 15.1 磁介质对磁场的影响磁介质对磁场的影响磁磁 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。总磁感强度附加磁感强度外加磁感强度 磁化后介质内部的磁磁化后介质内部的磁场与附加磁场和外磁场的场与附加磁场和外磁场的关系：关系：第4页，本讲稿共38页抗磁质抗磁质(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

3、等)顺磁质顺磁质(锰、铬、铂、氧、氮等锰、铬、铂、氧、氮等)在介质均匀充满磁场的情况下定义在介质均匀充满磁场的情况下定义相对磁导率磁介质的分类磁介质的分类第5页，本讲稿共38页n15.2 15.2 原子的磁矩原子的磁矩电子轨道运动的闭合电流为：电子轨道运动的闭合电流为：“-”表示电流方向与电子运动方向相反表示电流方向与电子运动方向相反 面积：面积：一、经典表示式一、经典表示式第6页，本讲稿共38页一个周期扫过的面积：一个周期扫过的面积：因此因此二、量子表示式二、量子表示式 玻尔磁子玻尔磁子第7页，本讲稿共38页 分子电流：分子电流：把分子或原子看作一个整体，分子或原子中各把分子或原子看作一个整

4、体，分子或原子中各个电子对外界所产生磁效应的总和，可用一个等效的圆电流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，统称为表示，统称为分子电流分子电流。分子磁矩：分子磁矩：把分子所具有的磁矩统称为把分子所具有的磁矩统称为分子磁矩分子磁矩，用，用符号符号 表示。表示。三、分子电流和分子磁矩三、分子电流和分子磁矩第8页，本讲稿共38页 电子的进动：电子的进动：在外磁场在外磁场 的作用下，分子或原子中和的作用下，分子或原子中和每个电子相联系的每个电子相联系的磁矩磁矩都受到磁力矩的作用，由于分子或都受到磁力矩的作用，由于分子或原子中的电子以一定的原子中的电子以一定的角动量角动量作高速转动，

5、这时，每个电作高速转动，这时，每个电子除了保持环绕原子核的运动和电子本身的自旋以外，还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线的转动，称为电子的要附加电子磁矩以外磁场方向为轴线的转动，称为电子的进动进动。进动进动进动第9页，本讲稿共38页 附加磁矩：附加磁矩：因进动而产生的等效磁矩称为因进动而产生的等效磁矩称为附加磁矩附加磁矩，用符，用符号号 表示。表示。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：不论电子原来的磁矩与磁场方向之间的夹角是何值，在外磁场何值，在外磁场 中，电子角动量中，电子角动量 进动的转向总是和外磁进动的转向总是和外磁

6、场场 的方向构成右手螺旋关系。这种等效圆电流的磁矩的方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向永远与 的方向相反。的方向相反。进动进动进动第10页，本讲稿共38页n15.3 15.3 磁介质的磁化磁介质的磁化 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场同向的附加磁场磁场同向的附加磁场，这就是顺磁性的起源。，这就是顺磁性的起源。一、顺磁质的磁化一、顺磁质的磁化 顺磁性是磁矩顺磁性是磁矩不为零不为零的原子（分子）在磁场中各种取向的平的原子（

7、分子）在磁场中各种取向的平均效果。均效果。原子（分子）磁矩在外磁场的作用下会沿其方向排列。原子（分子）磁矩在外磁场的作用下会沿其方向排列。第11页，本讲稿共38页 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的起源。性的起源。它是一切磁介质所共有的性质它是一切磁介质所共有的性质 。二、抗磁质的磁化二、抗磁质的磁化抗磁性是磁场对电子抗磁性是磁场对电子

8、轨道运动轨道运动作用的结果。作用的结果。对于原子，只有在对于原子，只有在磁矩为磁矩为零零的情况下，抗磁性才显出来。的情况下，抗磁性才显出来。第12页，本讲稿共38页 1 1、抗磁性是一切磁介质固有的特性，它不仅存在于抗磁、抗磁性是一切磁介质固有的特性，它不仅存在于抗磁介质中，也存在于顺磁介质中；介质中，也存在于顺磁介质中；2 2、对于顺磁介质，分子磁矩、对于顺磁介质，分子磁矩 电子附加磁矩，顺磁效应电子附加磁矩，顺磁效应 抗抗磁效应磁效应3 3、抗磁介质中电子附加磁矩起主要作用，显抗磁性、抗磁介质中电子附加磁矩起主要作用，显抗磁性几点注意：几点注意：第13页，本讲稿共38页无外场无外场B Bo

9、时，分子的磁矩排列杂乱无章，时，分子的磁矩排列杂乱无章，分子磁矩的矢量和分子磁矩的矢量和有外场有外场B Bo 时，分子磁矩沿外场转向，时，分子磁矩沿外场转向，分子磁矩的矢量和分子磁矩的矢量和Bo三、磁化电流三、磁化电流第14页，本讲稿共38页Bo B 从导体横截面看，导体内从导体横截面看，导体内部分子电流两两反向，相部分子电流两两反向，相互抵消。导体边缘分子电互抵消。导体边缘分子电流同向。流同向。等效等效分子电流可等效成磁介质表分子电流可等效成磁介质表面的面的磁化电流磁化电流Is，Is产生附加产生附加磁场磁场B B。Bo 磁化电流（安培表面电流、束缚电流）磁化电流（安培表面电流、束缚电流）第1

10、5页，本讲稿共38页n15.4 H15.4 H矢量及其环路定理矢量及其环路定理无磁介质时无磁介质时有磁介质时有磁介质时本节讨论磁化后的磁介质如何影响磁场分布。本节讨论磁化后的磁介质如何影响磁场分布。因此，根据真空中安培环路定理因此，根据真空中安培环路定理第16页，本讲稿共38页定义定义磁场强度磁场强度 H的环路定理的环路定理 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 I有关，而在形式上与有关，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磁介质的磁性无关。其单位在国际单位制中是A/mA/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

11、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和，而而与与磁磁化化电电流流无关。无关。第17页，本讲稿共38页 例例1 1 在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质，已知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，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分别为 和和 。求环内的磁场强度和磁感应强度。求环内的磁场强度和磁感应强度。解：解：在环内任取一点，过该点作一和环在

12、环内任取一点，过该点作一和环同心、半径为同心、半径为 的圆形回路。的圆形回路。式中式中 为螺绕环上线圈的总匝数。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点的由对称性可知，在所取圆形回路上各点的磁场强度的大小相等，方向都沿切线。磁场强度的大小相等，方向都沿切线。第18页，本讲稿共38页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均匀充满整磁介质均匀充满整个磁场空间个磁场空间第19页，本讲稿共38页 例例2 2 如如图图所所示示，一一半半径径为为R R1 1的的无无限限长长圆圆柱柱体体（导导体体 0 0）中中均均匀匀地地通通有有电电流流I I，在在它它

13、外外面面有有半半径径为为R R2 2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 I。试试求求（1 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 2）圆圆柱柱体体内一点磁场；（内一点磁场；（3 3）圆柱面外一点的磁场。）圆柱面外一点的磁场。解解：（1 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，

14、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r r1 1，以以r r1 1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，根据安培环路定理有根据安培环路定理有第20页，本讲稿共38页（2 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r r2 2，则则以以r r2 2为为半半径径作作一一圆，根据安培环路定理有圆，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，由此得则则第21页，本讲稿共38页由由B B H H，得，得 （3 3）在

15、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r r3 3，以以r r3 3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所包包围围的的电电流流的的代代数数和和为为零，所以得零，所以得即即或或第22页，本讲稿共38页n15.5 15.5 铁磁质铁磁质(1)(1)在外磁场的作用下能产生很强的附加磁场。在外磁场的作用下能产生很强的附加磁场。(3)(3)外磁场停止作用后，仍能保持其磁化状态。外磁场停止作用后，仍能保持其磁化状态。(4)(4)具具有有临临界界温温度度T Tc c。在在T Tc c以以上上，铁铁磁磁性性完完全全消消失失而而成成

16、为为顺顺磁磁质质，T Tc c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质有有不不同同的的居居里里温温度度T Tc c。纯铁：纯铁：770770C C，纯镍：，纯镍：358358C C。(2)(2)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化；具有磁滞现象，变化；具有磁滞现象，之间不具有简单的线性关系。之间不具有简单的线性关系。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：第23页，本讲稿共38页A AR R1 12 2K K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

17、磁质充满一螺绕环，如图：线线圈圈中中通通入入电电流流(励励磁磁电电流流)后后，铁铁磁磁质质就就被被磁化。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 I时时，环环内内的的磁磁场强度：场强度：一、磁化曲线一、磁化曲线第24页，本讲稿共38页 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（的关系曲线（磁化曲线磁化曲线）。）。OHACBSA AR R1 12 2K K接接磁磁通通计计第25

18、页，本讲稿共38页 使使励励磁磁电电流流从从零零开开始始，此此时时B B=H H=0=0，然然后后逐逐渐渐增增大大电电流流，以以增增大大H H 。测测得得B B与与H H的的对应关系如图所示：对应关系如图所示：随随H H的的增增大大，B B先先缓缓慢慢增增大大(OAOA段段)，然然后后迅迅速速增增大大(ABAB段段)，过过B B点点后后，B B又又缓缓慢慢增增大大(BCBC段段)。从从S S开开始始，B B随随H H的的增增大大而而非非常常缓缓慢慢地地增增大大，介介质质的的磁磁化化达达到到饱和。与饱和。与S S对应的对应的H HS S称称饱和磁场强度饱和磁场强度，相应的，相应的B BS S称称

19、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 H值值对对应应的的 r r值值，由由此此可见铁磁质可见铁磁质B-HB-H显著的非线性特点。显著的非线性特点。A AC CB BS S第26页，本讲稿共38页 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 H，铁铁磁磁质质中中的的B 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 H=0=0时时，B B不不等等于于0 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。要要完完全全消消除除剩剩磁磁B Br r，必必须须加加反反向向磁磁场场，当当B B=0=0时时磁磁场场的的值值H Hc

20、c为为铁铁磁磁质质的的矫矫顽顽力力。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反向向缓缓慢慢改改变变磁磁场场，磁磁化化曲曲线为一闭合曲线线为一闭合曲线磁滞回线磁滞回线。二、磁滞回线二、磁滞回线第27页，本讲稿共38页B B的变化总落后于的变化总落后于H H的变化，称的变化，称磁滞现象磁滞现象。在反复磁化过程中能量的损失叫做在反复磁化过程中能量的损失叫做磁磁滞损耗滞损耗。缓慢磁化过程，经历一次磁化。缓慢磁化过程，经历一次磁化过程损耗的能量与磁滞回线包围的面积

21、过程损耗的能量与磁滞回线包围的面积成正比。成正比。铁磁体在交变磁化磁场的作用下，它的形状随之改变，叫做铁磁体在交变磁化磁场的作用下，它的形状随之改变，叫做磁磁致伸缩效应致伸缩效应。在反复磁化时，由于分子状态不断改变，导在反复磁化时，由于分子状态不断改变，导致分子振动加剧，温度升高。致分子振动加剧，温度升高。第28页，本讲稿共38页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交换耦合作用，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，形成一个这个相互作用促使相邻原子中电子的自旋磁矩平行排列

22、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磁畴磁畴。三、磁畴三、磁畴 在在没有外磁场没有外磁场作用时，磁体体内磁矩排列杂乱，任意物作用时，磁体体内磁矩排列杂乱，任意物理无限小体积内的理无限小体积内的平均磁矩为零平均磁矩为零。第29页，本讲稿共38页 在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能将在外磁场作用下，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小角度角度的磁畴处于有利地位，这些磁畴的磁畴

23、处于有利地位，这些磁畴体积逐渐扩大体积逐渐扩大，而自发磁化磁矩，而自发磁化磁矩与外磁场成与外磁场成较大角度较大角度的磁畴的磁畴体积逐渐缩小体积逐渐缩小。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，所有磁畴都沿外磁场方向场的方向旋转，以后再继续增加磁场，所有磁畴都沿外磁场方向整齐排列，这时磁化达到整齐排列，这时磁化达到饱和饱和。第30页，本讲稿共38页铁磁质的磁化铁磁质的磁化第31页，本讲稿共38页 剩磁现象：剩磁现象：当外磁场减小到零时，已被磁化的

24、铁磁体内的各个磁当外磁场减小到零时，已被磁化的铁磁体内的各个磁畴由于受到阻碍它们转向的摩擦阻力，使它们不能按原来的磁化规律畴由于受到阻碍它们转向的摩擦阻力，使它们不能按原来的磁化规律恢复到原来的状态，而保留有部分磁性。恢复到原来的状态，而保留有部分磁性。高温和振动的去磁作用：高温和振动的去磁作用：分子热运动破坏磁畴内磁矩的有分子热运动破坏磁畴内磁矩的有规则排列，当温度达到临界温度（规则排列，当温度达到临界温度（居里点居里点）时，铁磁体转化为）时，铁磁体转化为普通的顺磁体。普通的顺磁体。实验观测，磁畴的体积约为实验观测，磁畴的体积约为第32页，本讲稿共38页 矫矫顽顽力力很很小小(H Hc c1

25、0102 2A Am m-1-1)，磁磁滞滞回回线线窄窄，所所围围的面积小，磁滞损耗小。的面积小，磁滞损耗小。软磁材料如纯铁、硅钢、铁氧体等材料，适软磁材料如纯铁、硅钢、铁氧体等材料，适用于交变磁场中，常用作变压器、继电器、电动用于交变磁场中，常用作变压器、继电器、电动机、电磁铁和发动机的铁芯。机、电磁铁和发动机的铁芯。四、软磁材料四、软磁材料第33页，本讲稿共38页 矫矫顽顽力力大大，剩剩磁磁大大、磁磁滞滞回回线线宽宽，所所围围的面积大，磁滞损耗大。的面积大，磁滞损耗大。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。磁磁化化后后能能保保持持很很强强的的磁磁性性，适

26、适用用于于制制成成各各种种类类型型的的永久磁铁。永久磁铁。五、硬磁材料五、硬磁材料第34页，本讲稿共38页 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B Br r接接近近饱饱和值和值B BS S。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，常常用于制造超声波发生器。用于制造超声波发生器。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算机的计算机的“记忆记忆”元件。元件。第35页，本讲稿共38页本章小结本章小结本章的计算方法本章的计算方法1 1、磁介质

27、中安培环路定理的应用、磁介质中安培环路定理的应用 在电流分布及介质分布具有相应对称性的情况下在电流分布及介质分布具有相应对称性的情况下求解磁场分布求解磁场分布n 分析电流及介质分布的对称性，选择回路分析电流及介质分布的对称性，选择回路L L，使在，使在其上的其上的H H为一常数，且方向与为一常数，且方向与dldl夹角不变；夹角不变；n 计算沿回路的积分以及传导电流代数和；计算沿回路的积分以及传导电流代数和；n 根据根据 得到得到B B；第36页，本讲稿共38页2 2、各向同性介质中的关系、各向同性介质中的关系 此类问题通常是已知电流、介质分布及相应状态下此类问题通常是已知电流、介质分布及相应状态下总磁场情况，推求介质的总磁场情况，推求介质的相对磁导率相对磁导率和和附加磁场。附加磁场。n 分析电流、介质分布的基本情况，写出分析电流、介质分布的基本情况，写出H-IH-I的关系的关系式，由式，由 得到得到 的值；的值；n 利用利用 确定无介质时的磁场确定无介质时的磁场 ；n 利用磁场叠加原理利用磁场叠加原理 得到得到 。第37页，本讲稿共38页本章习题本章习题P141 15.3、15.4第38页，本讲稿共38页