磁介质中的恒定磁场lgy.ppt

《磁介质中的恒定磁场lgy.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《磁介质中的恒定磁场lgy.ppt（21页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、P.1/42热力学基础热力学基础 P.1/74第第第第12121212章章章章 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场刘国营-201112.1 12.1 磁介质及其磁化磁介质及其磁化磁介质及其磁化磁介质及其磁化12.2 12.2 磁介质中的高斯定理和安培环路定理磁介质中的高斯定理和安培环路定理磁介质中的高斯定理和安培环路定理磁介质中的高斯定理和安培环路定理12.3 12.3 铁磁质铁磁质铁磁质铁磁质P.2/42热力学基础热力学基础 P.2/74第第第第12121212章章章章 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场刘国营-20

2、1112.1.1 12.1.1 磁介质及其分类磁介质及其分类磁介质及其分类磁介质及其分类能与磁场发生相互作用的物质能与磁场发生相互作用的物质磁介质磁介质(magnetic medium)：被极化被极化附加电场附加电场外场外场极化电荷极化电荷电介质电介质磁介质磁介质被磁化被磁化附加磁场附加磁场外场外场磁化电流磁化电流？磁介质中磁场：磁介质中磁场：定义：相对磁导率定义：相对磁导率(relative permeability)设外场磁感强度为设外场磁感强度为 ，介质磁化后附加磁场为介质磁化后附加磁场为12.1 磁介质及其磁化磁介质及其磁化削弱外场削弱外场P.3/42热力学基础热力学基础 P.3/74

3、第第第第12121212章章章章 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场刘国营-2011如：真空螺线管的磁场：如：真空螺线管的磁场：则，介质螺线管的磁场：则，介质螺线管的磁场：介质磁导率介质磁导率(permeability)磁介质分类：磁介质分类：弱磁性介质弱磁性介质 强磁性介质强磁性介质超导材料超导材料顺磁质顺磁质(paramagnet)抗磁质抗磁质(diamagnetic material)铁磁质铁磁质(ferromagnetics)r =0 B=0 完全抗磁性完全抗磁性磁介质磁介质 r 1,BB0,B 与与B0同向同向 r 1,B1,BB0,B 与与B0

4、同向同向P.4/42热力学基础热力学基础 P.4/74第第第第12121212章章章章 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场刘国营-201112.1.2 12.1.2 分子磁矩和分子附加磁矩分子磁矩和分子附加磁矩分子磁矩和分子附加磁矩分子磁矩和分子附加磁矩1.分子磁矩分子磁矩(molecular magnetic moment)2.分子附加磁矩分子附加磁矩 分子或原子中各电子绕核运动和自旋运动等效于分子或原子中各电子绕核运动和自旋运动等效于分子或原子中各电子绕核运动和自旋运动等效于分子或原子中各电子绕核运动和自旋运动等效于“分子电流分子电流分子电流分子电流”

5、,分子电流的磁矩称为分子电流的磁矩称为分子电流的磁矩称为分子电流的磁矩称为“分子磁矩分子磁矩分子磁矩分子磁矩”，表示为，表示为，表示为，表示为 。分子磁矩分子磁矩+-各原子磁矩各原子磁矩+-+（为电子轨道磁矩）为电子轨道磁矩）忽略电子自旋，考察磁场对电子轨道磁矩忽略电子自旋，考察磁场对电子轨道磁矩 的作用。的作用。P.5/42热力学基础热力学基础 P.5/74第第第第12121212章章章章 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场刘国营-2011+-电子反向运动电子反向运动+-结论：结论：结论：结论：附加磁矩总是与外磁场反向附加磁矩总是与外磁场反向对于整个分子

6、，附加磁矩对于整个分子，附加磁矩 电子在外磁场中的旋进产生与电子在外磁场中的旋进产生与 方向方向相反相反的附加磁矩的附加磁矩P.6/42热力学基础热力学基础 P.6/74第第第第12121212章章章章 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场刘国营-2011无外磁场时：无外磁场时：顺顺磁磁质质抗抗磁磁质质12.1.3 12.1.3 抗磁质和顺磁质的磁化机理抗磁质和顺磁质的磁化机理抗磁质和顺磁质的磁化机理抗磁质和顺磁质的磁化机理P.7/42热力学基础热力学基础 P.7/74第第第第12121212章章章章 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁

7、介质中的恒定磁场刘国营-2011在外磁场中：在外磁场中：顺磁质顺磁质:B B+-+-磁矩转向外场方向磁矩转向外场方向,则则附加磁矩与外场方向相反，且附加磁矩与外场方向相反，且故附加磁场方向与外磁场方向相同。故附加磁场方向与外磁场方向相同。分子固有磁矩取向极化分子固有磁矩取向极化P.8/42热力学基础热力学基础 P.8/74第第第第12121212章章章章 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场刘国营-2011+B B+B B 在外磁场中，每个运动电子都要产生与外磁场方向相反的附在外磁场中，每个运动电子都要产生与外磁场方向相反的附加磁矩加磁矩 ，分子附加磁矩为分

8、子附加磁矩为附加磁矩与外场方向相反附加磁矩与外场方向相反故附加磁场方向与外磁场方向相反。故附加磁场方向与外磁场方向相反。12.1.4 12.1.4 磁化强度矢量与磁化电流磁化强度矢量与磁化电流磁化强度矢量与磁化电流磁化强度矢量与磁化电流1)磁化强度磁化强度(magnetization)反映磁化程度强弱的物理量反映磁化程度强弱的物理量反映磁化程度强弱的物理量反映磁化程度强弱的物理量抗磁质：抗磁质：P.9/42热力学基础热力学基础 P.9/74第第第第12121212章章章章 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场刘国营-2011定义：单位体积内分子磁矩的矢量和。

9、定义：单位体积内分子磁矩的矢量和。定义：单位体积内分子磁矩的矢量和。定义：单位体积内分子磁矩的矢量和。单位：安培单位：安培单位：安培单位：安培 米米米米-1-1(Am(Am-1-1)顺磁质顺磁质:抗磁质：抗磁质：方向与外磁场方向相同。方向与外磁场方向相同。方向与外磁场方向相反。方向与外磁场方向相反。分子附加磁矩是抗磁质磁化的分子附加磁矩是抗磁质磁化的唯一原因。唯一原因。P.10/42热力学基础热力学基础 P.10/74第第第第12121212章章章章 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场刘国营-20112）磁化电流）磁化电流(magnetization cu

10、rrent)介质磁化的宏观效果是在介质横截面边缘出现环形电流，介质磁化的宏观效果是在介质横截面边缘出现环形电流，这种电流称为这种电流称为“磁化电流磁化电流Is”。I I0 0I IS S磁化电流与传导电流的区别：磁化电流与传导电流的区别：磁化电流是分子内电荷运动一段段接合而成，不同于传导磁化电流是分子内电荷运动一段段接合而成，不同于传导电流的电荷定向运动，又称电流的电荷定向运动，又称束缚电流束缚电流，其磁效应与传导电流，其磁效应与传导电流相当，但不产生热效应。相当，但不产生热效应。P.11/42热力学基础热力学基础 P.11/74第第第第12121212章章章章 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒

11、定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场刘国营-2011磁化面电流密度：磁化面电流密度：分子磁矩的矢量和：分子磁矩的矢量和：磁化强度在数值上等于磁化电流面密度，两者关系由磁化强度在数值上等于磁化电流面密度，两者关系由右螺旋法则确定。右螺旋法则确定。可以推知：磁化强度的环流为可以推知：磁化强度的环流为可以推知：磁化强度的环流为可以推知：磁化强度的环流为P.12/42热力学基础热力学基础 P.12/74第第第第12121212章章章章 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场刘国营-201112.2.1 12.2.1 磁介质中的高斯定理磁介质中的高斯定理磁介质中的

12、高斯定理磁介质中的高斯定理磁介质中磁场：磁介质中磁场：由磁化电流产生的微观机理可知：磁化电流与传导电流在产由磁化电流产生的微观机理可知：磁化电流与传导电流在产生磁场方面等效。生磁场方面等效。12.2.2 12.2.2 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I I0 0I IS S如图取如图取L回路回路12.2 磁介质中的高斯定理和安培环路定理磁介质中的高斯定理和安培环路定理P.13/42热力学基础热力学基础 P.13/74第第第第12121212章章章章 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场刘国营-2011定

13、义：磁场强度定义：磁场强度(magnetic field intensity)：单位：单位：Am-1磁介质中安培环路定理：磁介质中安培环路定理：磁场强度沿任一闭合回路的环流，等于闭合回路所包围的磁场强度沿任一闭合回路的环流，等于闭合回路所包围的磁场强度沿任一闭合回路的环流，等于闭合回路所包围的磁场强度沿任一闭合回路的环流，等于闭合回路所包围的传导电流的代数和，而在形式上与磁介质中的磁化电流无关。传导电流的代数和，而在形式上与磁介质中的磁化电流无关。传导电流的代数和，而在形式上与磁介质中的磁化电流无关。传导电流的代数和，而在形式上与磁介质中的磁化电流无关。分析：分析：（1）只与穿过只与穿过L的传

14、导电流代数和有关的传导电流代数和有关P.14/42热力学基础热力学基础 P.14/74第第第第12121212章章章章 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场刘国营-2011（2）对各向同性磁介质：）对各向同性磁介质：磁化率磁化率由由介质相对磁导率介质相对磁导率介质磁导率介质磁导率在真空中：在真空中：P.15/42热力学基础热力学基础 P.15/74第第第第12121212章章章章 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场刘国营-2011 例例例例 为了测试某种材料的相对磁导率为了测试某种材料的相对磁导率,常将材料做成横截面为圆

15、常将材料做成横截面为圆形的螺绕环芯子形的螺绕环芯子,设环上绕有线圈设环上绕有线圈200匝匝,平均围长平均围长0.1m,横截面横截面积为积为5 10-5m2,当线圈内通有电流当线圈内通有电流0.1A时用磁通计测得穿过横截时用磁通计测得穿过横截面积的磁通量为面积的磁通量为6 10-5 Wb,试计算该材料的相对磁导率。试计算该材料的相对磁导率。截面磁场近似均匀截面磁场近似均匀解：解：解：解：选如图所示的安培环路选如图所示的安培环路P.16/42热力学基础热力学基础 P.16/74第第第第12121212章章章章 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场刘国营-2011

16、12.3.1 12.3.1 铁磁质的特点铁磁质的特点铁磁质的特点铁磁质的特点高高：B随随H迅速增长，平均斜率比非铁磁质大得多。迅速增长，平均斜率比非铁磁质大得多。非线性：非线性：B和和H呈非线性关系，单值关系，呈非线性关系，单值关系，非恒量。非恒量。磁滞磁滞(hysteresis)：B的变化落后于的变化落后于H的变化。的变化。存在居里点：存在居里点：临界温度时，失去铁磁性成为顺磁质。临界温度时，失去铁磁性成为顺磁质。铁：铁：T=1040K 镍：镍：T=631K13.3.2 13.3.2 铁磁质的磁化特性铁磁质的磁化特性铁磁质的磁化特性铁磁质的磁化特性 磁滞回线磁滞回线磁滞回线磁滞回线实验：铁磁

17、质芯的螺线管，通以电流实验：铁磁质芯的螺线管，通以电流 I改变改变 I，测量，测量 H 值和值和 B 值，值，画出画出BH曲线曲线Video 铁磁质磁化12.3 铁磁质铁磁质P.17/42热力学基础热力学基础 P.17/74第第第第12121212章章章章 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场刘国营-2011由由画出画出 曲线曲线磁导率曲线：磁导率曲线：BH曲线分析曲线分析-HsHsOabcdefHBOa：起始磁化曲线起始磁化曲线Hs：饱和磁场强度饱和磁场强度Br：剩余磁感应强度：剩余磁感应强度Hc：矫顽力：矫顽力(coercive force)磁滞效应磁滞

18、效应：磁感应强度磁感应强度B变化变化跟不上跟不上跟不上跟不上磁场强磁场强度度H的变化。的变化。磁滞损耗磁滞损耗：材料热效应大小与磁滞回线材料热效应大小与磁滞回线面积成正比。面积成正比。OP.18/42热力学基础热力学基础 P.18/74第第第第12121212章章章章 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场刘国营-201112.3.3 12.3.3 铁磁材料按磁滞回线分类铁磁材料按磁滞回线分类铁磁材料按磁滞回线分类铁磁材料按磁滞回线分类BHOBHO软磁材料软磁材料 磁滞损耗小，磁滞损耗小，容易磁化，容易容易磁化，容易退磁，适用于交退磁，适用于交变磁场。如制造变

19、磁场。如制造电机，变压器等电机，变压器等的铁芯。的铁芯。硬磁材料硬磁材料 磁滞损耗较大，磁滞损耗较大，不易磁化，不易不易磁化，不易退磁，适合于制退磁，适合于制造永磁体造永磁体BHO矩磁材料矩磁材料 适合于制作记适合于制作记录磁带及计算机录磁带及计算机的记忆元件。的记忆元件。P.19/42热力学基础热力学基础 P.19/74第第第第12121212章章章章 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场刘国营-201112.3.4 12.3.4 磁畴磁畴磁畴磁畴B B磁畴体积：磁畴体积：10-12 10-8m3包含原子：包含原子：1017 1021个个 铁磁质相邻原子间

20、铁磁质相邻原子间存在很强的交换耦合作存在很强的交换耦合作用，使得无外场时电子用，使得无外场时电子自旋磁矩在微小区域内自旋磁矩在微小区域内自发地平行排列，形成自发地平行排列，形成一个个小的自发磁化区，一个个小的自发磁化区，称为称为“磁畴磁畴”。P.20/42热力学基础热力学基础 P.20/74第第第第12121212章章章章 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场刘国营-2011铁磁质在外磁场中的磁化铁磁质在外磁场中的磁化过程主要为畴壁的移动和过程主要为畴壁的移动和磁畴内磁矩的转向。磁畴内磁矩的转向。自发磁化方向逐渐转自发磁化方向逐渐转向外磁场方向（磁畴转向外磁

21、场方向（磁畴转向），直到所有磁畴都向），直到所有磁畴都沿外磁场方向整齐排列沿外磁场方向整齐排列时，铁磁质就达到磁饱时，铁磁质就达到磁饱和状态。和状态。P.21/42热力学基础热力学基础 P.21/74第第第第12121212章章章章 磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场刘国营-2011自发磁化自发磁化磁化过程：磁化过程：磁矩转向磁矩转向磁饱和状态磁饱和状态磁滞现象：磁滞现象：撤去外场，磁壁很难完全恢撤去外场，磁壁很难完全恢复原状，保留部分磁性，这就是剩磁。复原状，保留部分磁性，这就是剩磁。居里点：居里点：当温度升高到居里点时，剧烈当温度升高到居里点时，剧烈的热运动使磁畴全部瓦解，铁磁质就成的热运动使磁畴全部瓦解，铁磁质就成为一般顺磁质。为一般顺磁质。畴壁移动畴壁移动铁的居里点：铁的居里点：T=1040=1040K 镍的居里点：镍的居里点：T=631=631K