磁场中的磁介质课件.ppt

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1、第9章 磁场中的磁介质上上一一章章研研究究了了真真空空中中稳稳恒恒电电流流或或运运动动电电荷荷所所产产生生磁磁场场的的性性质质和和规规律律,其其结结论论只只适适用用于于空间无磁介质的真空或空气情形空间无磁介质的真空或空气情形.如如果果存存在在磁磁介介质质,磁磁场场的的分分布布规规律律以以及及处于磁场中的介质会发生什么样的变化？处于磁场中的介质会发生什么样的变化？本本章章介介绍绍存存在在磁磁介介质质时时稳稳恒恒磁磁场场的的性性质质与与规规律律,以以及及磁磁场场变变化化的的微微观观机机制制,并并讨讨论论磁磁场中磁介质的变化场中磁介质的变化磁化规律磁化规律.介质的磁化介质的磁化介质的磁化特性介质的磁

2、化特性抗磁质抗磁质、顺磁质和铁磁质顺磁质和铁磁质9.1 磁介质的磁化当当介介质质处处于于磁磁场场中中时时,磁磁场场会会对对介介质质中中的的电电荷荷产产生生作作用用,使使其其电电结结构构发发生生变变化化,从从而而对对外外显显示示磁磁性性磁磁化化现现象象;同同时时介介质质的的磁磁化化反反过过来来又又会会影响磁场的分布影响磁场的分布.磁介质的磁化与磁化强度矢量磁介质的磁化与磁化强度矢量磁介质内的磁感应强度磁介质内的磁感应强度有磁介质时的安培环路定律和高斯定律有磁介质时的安培环路定律和高斯定律1.磁介质的磁化磁介质的磁化(1)磁化现象磁化现象:磁介质在磁场中呈现磁性的现象磁介质在磁场中呈现磁性的现象.

3、分分子子环环流流模模型型:磁磁介介质质由由大大量量磁磁性性分分子子所所组组成成,每一磁性分子构成一环形电流每一磁性分子构成一环形电流分子磁偶极子分子磁偶极子.加加载载磁磁场场后后,分分子子环环流流趋趋向向外外磁磁场方向场方向.(2)磁化的微观机制磁化的微观机制未未加加载载磁磁场场时时,各各个个分分子子磁磁矩矩取取向向杂杂乱无章乱无章,因此磁介质宏观上不显磁性因此磁介质宏观上不显磁性.(3)磁化的宏观效果磁化的宏观效果 介介质质磁磁化化后后,在在其其表表面面出出现现的的环环形形电电流流(束束缚电流缚电流)会影响原来磁场的分布会影响原来磁场的分布.介介质质表表面面的的束束缚缚电电流流 与与传传导导

4、电电流流不不同同,它它不不是是由由载载流流子子的的宏宏观观移移动动形形成成的的,而而是是分分子子磁磁矩矩定定向排列的结果向排列的结果.束束缚缚电电流流产产生生的的磁磁场场会会改改变变原原来来磁磁场场的的空空间间分布分布.束束缚缚电电流流 的的出出现现使使介介质质对对外外呈呈现现磁磁性性,其其磁磁性的强弱与介质的磁化程度有关性的强弱与介质的磁化程度有关.2.磁化强度矢量磁化强度矢量 为为定定量量描描述述介介质质的的磁磁化化状状态态和和磁磁化化程程度度,需需引入引入磁化强度矢量磁化强度矢量:磁磁化化强强度度矢矢量量:指指单单位位体体积积内内所所有有分分子子磁磁偶偶极极矩矩的矢量和的矢量和,且仅与且

5、仅与束缚电流束缚电流有关有关.在在磁磁介介质质内内部部,磁磁化化强强度度矢矢量量沿沿任任一一闭闭合合回回路路 l 的的曲曲线线积积分分,数数值值上上等等于于穿穿过过该该回回路路包包围围面面积积的束缚电流代数和的束缚电流代数和.在在外外加加磁磁场场作作用用下下,分分子子磁磁矩矩定定向向排排列列的的程程度度越越高高,其其磁磁化化强强度度矢矢量量越越大大.磁磁化化强强度度矢矢量量反反映映了介质磁化的程度了介质磁化的程度.磁化强度矢量磁化强度矢量 与与束缚电流束缚电流 有关有关磁化强度矢量磁化强度矢量与与束缚电流面密度束缚电流面密度的关系的关系 在在磁磁介介质质表表面面,束束缚缚电电流流面面密密度度

6、等等于于磁磁化化强度矢量强度矢量在表面切线方向的分量在表面切线方向的分量 .3.磁介质内的磁感应强度磁介质内的磁感应强度由由于于介介质质磁磁化化,在在外外加加磁磁场场基基础础上上迭迭加加上上束束缚电流产生的缚电流产生的附加磁场附加磁场.:介质中的总磁感应强度矢量介质中的总磁感应强度矢量 :外加磁场的磁感应强度矢量外加磁场的磁感应强度矢量 :磁介质表面束缚电流产生的磁感应强度矢量磁介质表面束缚电流产生的磁感应强度矢量 的大小取决于的大小取决于磁化强度矢量磁化强度矢量 .与与 可可以以是是同同向向的的顺顺磁磁质质,也也可可以以是是反反向向的的抗磁质抗磁质.4.有磁介质存在时的有磁介质存在时的安培环

7、路定理安培环路定理和和高斯定理高斯定理有磁介质存在时有磁介质存在时,安培环路定理为安培环路定理为利用利用磁化强度矢量磁化强度矢量与与束缚电流束缚电流的关系的关系(1)安培环路定理安培环路定理其中其中,为传导电流为传导电流,为束缚电流为束缚电流.在具体应用时在具体应用时,束缚电流很难直接求出束缚电流很难直接求出.如何避开束缚电流求磁感应强度？如何避开束缚电流求磁感应强度？称为称为磁场强度磁场强度若令若令则则存存在在磁磁介介质质时时的的安安培培环环路路定定理理:磁磁场场强强度度矢矢量量的的环量等于闭合回路所包围环量等于闭合回路所包围传导电流传导电流的代数和的代数和.对于均匀磁化对于均匀磁化有有均匀

8、磁介质的磁化规律均匀磁介质的磁化规律 为为磁化率磁化率,它反映了介质的磁化特性它反映了介质的磁化特性.多数磁介质的多数磁介质的 很小很小,这与物质的微观结构有关这与物质的微观结构有关.Fe、Co、Ni等等金金属属的的 很很大大,且且与与 成成复复杂杂的的函函数数关系关系.由由可得可得若令若令 称为介质的称为介质的磁导率磁导率 称为介质的称为介质的相对磁导率相对磁导率则有则有注注意意:磁磁介介质质中中的的安安培培环环路路定定理理给给出出了了有有介介质质存存在时在时,传导电流和磁场强度矢量之间的普遍规律传导电流和磁场强度矢量之间的普遍规律.其中其中 可测量获得可测量获得 (2)高斯定理高斯定理 磁

9、磁场场中中的的高高斯斯定定理理对对导导线线中中传传导导的的稳稳恒恒电电流流以及磁介质中的以及磁介质中的束缚电流束缚电流都是适用的都是适用的.:表表示示有有介介质质存存在在时时的的磁磁感感应应强强度度矢矢量量,它它由由传传导电流与束缚电流共同产生导电流与束缚电流共同产生.:表表示示介介质质的的磁磁化化强强度度矢矢量量,仅仅与与束束缚缚电电流流有有关关.:磁磁场场强强度度,属属一一辅辅助助物物理理量量而而没没有有直直接接的的物物理理意义意义,仅为了计算方便而引入的仅为了计算方便而引入的.9.2 介质的磁化特性 抗磁质、顺磁质和铁磁质外外加加磁磁场场引引起起介介质质磁磁化化,从从而而使使周周围围磁磁

10、场场发发生生变变化化.不不同同介介质质的的磁磁化化特特性性不不同同,因因而而磁磁场场的的变变化不同化不同.磁介质的分类磁介质的分类抗磁质抗磁质、顺磁质和铁磁质顺磁质和铁磁质铁磁质的磁化特性铁磁质的磁化特性磁滞回线磁滞回线1.磁介质的分类磁介质的分类上上式式表表明明:介介质质中中的的磁磁感感应应强强度度与与外外磁磁场场之之比比等等于介质的相对磁导率于介质的相对磁导率.根据相对磁导率大小不同根据相对磁导率大小不同,将其分为如下三类将其分为如下三类:由由可得可得介质中的磁感应强度介质中的磁感应强度 与外加磁场与外加磁场 的关系如何的关系如何?抗抗磁磁质质:在在外外磁磁场场作作用用下下,束束缚缚电电流

11、流产产生生的的磁磁场场与外加磁场反向与外加磁场反向,因此介质中的磁感应强度减小因此介质中的磁感应强度减小.(1)抗磁质抗磁质 若若磁介质称为磁介质称为抗磁质抗磁质此时此时由由可得可得 与与 反反向向抗磁质把磁感应线排斥出磁介质抗磁质把磁感应线排斥出磁介质超导表面电流引起的迈纳斯效应超导表面电流引起的迈纳斯效应超导体把磁感应线完全排斥出磁介质超导体把磁感应线完全排斥出磁介质抗抗磁磁性性的的起起源源:当当存存在在外外加加磁磁场场时时,原原子子中中不不同同运运动动状状态态的的电电子子所所受受洛洛伦伦力力方方向向不不同同,导导致致轨轨道道磁矩大小不同磁矩大小不同.如图如图所以所以结果结果物物质质中中的

12、的原原子子有有其其电电子子轨轨道道运运动动,所所以以物物质质具具有有抗抗磁磁性性.通通常常,洛洛伦伦兹兹力力使使轨轨道道磁磁矩矩变变化化非非常常微微弱弱,其其抗抗磁磁性性很很小小.在在许许多多物物质质中中抗抗磁磁性性又又被顺磁性和铁磁性所掩盖被顺磁性和铁磁性所掩盖.(2)顺磁质顺磁质 由由可得可得若若磁介质称为磁介质称为顺磁质顺磁质 与与 同向同向顺顺磁磁质质:在在外外磁磁场场作作用用下下,磁磁介介质质束束缚缚电电流流磁磁场场与与外外加加磁磁场场方方向向相相同同,结结果果介介质质中中总总磁磁感感应应强强度度增大增大.顺磁质把磁感应线聚集到其内部顺磁质把磁感应线聚集到其内部一般情况下一般情况下,

13、介质的顺磁性非常微弱介质的顺磁性非常微弱:顺顺磁磁性性的的起起源源:在在外外加加磁磁场场作作用用下下,原原子子中中自自旋旋运运动动的的电电子子受受洛洛伦伦兹兹力力作作用用,其其磁磁矩矩方方向向与与外外加加磁场方向趋于一致磁场方向趋于一致,结果介质中的总磁场增强结果介质中的总磁场增强.在在外外磁磁场场作作用用下下,电电子子自自旋旋磁磁矩矩沿沿外外磁磁场场方方向向排列排列介质磁化介质磁化电子自旋磁矩电子自旋磁矩(本征磁矩本征磁矩)磁化程度也取决于电子的热运动磁化程度也取决于电子的热运动.电电子子对对的的量量子子效效应应:大大部部分分物物质质中中的的电电子子常常形形成成电电子子对对,其其磁磁矩矩相相

14、互互抵抵消消.仅仅当当电电子子数数为为奇奇数数或或因因其其它它原原因因使使自自旋旋磁磁矩矩不不能能完完全全抵抵消消时时,物物质质才才呈呈现顺磁性现顺磁性.既既然然顺顺磁磁性性起起源源于于电电子子的的自自旋旋,为为何何并并非非所所有有的的物质都具有顺磁性呢物质都具有顺磁性呢?电子自旋电子自旋磁矩无序磁矩无序电子自旋电子自旋磁矩有序磁矩有序典型的顺磁介质典型的顺磁介质:Al(铝铝)、W(钨钨)、O2(液态氧液态氧)、CuCl2(氯氯化铜化铜)等等.(3)铁磁质铁磁质 若若 且且常数的磁介质称为常数的磁介质称为铁磁质铁磁质.铁铁磁磁质质:在在外外磁磁场场作作用用下下,介介质质内内束束缚缚电电流流的的

15、磁磁场与外磁场同向场与外磁场同向,结果磁化效果非常显著结果磁化效果非常显著.注注:有些铁磁质本身就具有磁性有些铁磁质本身就具有磁性.由由可得可得 与与 同向同向铁铁磁磁性性的的起起源源:铁铁磁磁质质不不同同于于一一般般的的顺顺磁磁质质,其其主要区别在于它们的主要区别在于它们的磁畴磁畴结构不同结构不同.典型的铁磁质典型的铁磁质:Fe(铁铁)、Co(钴钴)、Ni(镍镍)等元素及其合金等元素及其合金.铁铁氧氧体体由由氧氧化化铁铁(Fe2O3)与与其其它它金金属属氧氧化化物物(NiO、CuO、MnO、BaO)混合成的材料混合成的材料.铁氧体是典型的顺磁质铁氧体是典型的顺磁质,因而受到广泛应用因而受到广

16、泛应用.磁磁畴畴的的起起源源:由由于于铁铁磁磁质质中中原原子子之之间间存存在在量量子子性性的的交交换换力力,无无外外加加磁磁场场时时磁磁畴畴内内的的原原子子磁磁矩矩会会因因自发磁化而方向趋于一致自发磁化而方向趋于一致.磁磁畴畴:铁铁磁磁质质内内自自发发磁磁化化的的小小区区域域,其其线线度度与与晶晶粒粒大大小小有有关关,通通常常约约10-2 10-4 mm,包包含含约约1015个个原原子子.磁磁畴畴之之间存在间存在畴壁畴壁.铁磁质的磁化铁磁质的磁化:磁磁畴畴的的观观察察:在在电电解解抛抛光光的的铁铁磁磁质质表表面面涂涂上上含含有有铁铁粉粉的的胶胶状状悬悬浮浮液液,其其铁铁粉粉有有选选择择地地聚聚

17、集集在在磁磁畴畴壁处壁处,利用显微镜可观察其分布利用显微镜可观察其分布.居居里里点点:温温度度高高于于某某一一临临界界值值后后,铁铁磁磁质质的的原原子子交换作用消失交换作用消失,铁磁质铁磁质变为变为顺磁质顺磁质(Fe:770).无无外外磁磁场场:磁磁畴畴排排列列方方向向无无序序,磁介质不显磁性磁介质不显磁性.加加载载磁磁化化场场:磁磁畴畴排排列列方方向向趋趋于于一一致致,与与外外磁磁场场同同向向的的磁畴体积增大磁畴体积增大,反向磁畴体积减小反向磁畴体积减小畴壁运动畴壁运动.磁磁饱饱和和:随随外外磁磁场场增增强强,介介质质磁磁化化程程度度增增加加,最最终终所所有有磁畴都与外场方向相同磁畴都与外场

18、方向相同.9.3 铁磁质的磁化特性1.磁化曲线磁化曲线磁磁化化曲曲线线:在在外外磁磁场场作作用用下下,铁铁磁磁质质中中磁磁感感应应强强度度 B 与磁场强度与磁场强度 H 的关系曲线的关系曲线B-H曲线曲线.磁磁化化曲曲线线反反映映铁铁磁磁质质的的磁磁化化特特性性.由由于于曲曲线线的的对对称性称性,故其故其起磁化曲线起磁化曲线最为典型最为典型.反映磁化场的大小反映磁化场的大小 反映感应场的大小反映感应场的大小(1)B随随H增大而增加增大而增加;(2)磁导率磁导率 不为常数不为常数,最大磁导率为最大磁导率为 M;(3)存在磁饱和现象存在磁饱和现象,饱和磁感应强度为饱和磁感应强度为BM.铁磁质的起磁

19、化特性铁磁质的起磁化特性:铸铁的起磁化曲线铸铁的起磁化曲线2004006008001000120005000600040002000300010000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.磁滞回线磁滞回线实实验验表表明明:当当H减减小小时时,B-H曲曲线线并并不不按按起起始始磁磁化化曲线返回曲线返回磁滞回线磁滞回线.铁磁质的磁滞回线铁磁质的磁滞回线(1)起磁化曲线与反向磁化曲线不重合起磁化曲线与反向磁化曲线不重合;(2)B的变化总是滞后于的变化总是滞后于H的变化的变化磁滞现象磁滞现象;(3)外磁场撤去后外磁场撤去后,B并不等于并不等于0剩磁现象剩磁现象Br;铁磁质磁化的磁滞特

20、性铁磁质磁化的磁滞特性:(4)消消除除剩剩磁磁Br的的反反向向磁磁场场强强度度(矫矫顽顽力力Hc)反反映映了了铁铁磁磁质质的的剩剩磁磁能能力力,对对应应的的这这段段曲曲线线称称为为退退磁磁曲线曲线;(5)可可以以证证明明:磁磁滞滞回回线线包包围围的的面面积积等等于于反反复复磁磁化过程中化过程中单位体积铁磁质损耗的能量单位体积铁磁质损耗的能量.(1)软磁材料软磁材料特特性性:磁磁滞滞效效应应不不明明显显,撤撤去去外外场场后后磁磁性性很很快快消消失失,可用作电磁铁的铁芯可用作电磁铁的铁芯.3.磁性材料磁性材料矫顽力矫顽力Hc104 A/m典型的硬磁材料典型的硬磁材料:高碳钢高碳钢(含碳量含碳量11

21、.5%),钨钢钨钢,铬钢铬钢,其磁性较差其磁性较差;稀土永磁稀土永磁硬磁硬磁材料材料:磁性极强磁性极强,是目前着力开发的永磁材料是目前着力开发的永磁材料,铝镍钴合金铝镍钴合金(Br=9500G,Hc=8800Oe);钕铁硼合金钕铁硼合金.铁氧体非金属硬磁材料铁氧体非金属硬磁材料:其其Br虽虽不不及及金金属属硬硬磁磁材材料料,但但矫矫顽顽力力Hc较较高高,易易于做成短棒于做成短棒、薄片等形状薄片等形状.(3)矩磁材料矩磁材料具有矩形磁滞回线的铁磁质具有矩形磁滞回线的铁磁质特特性性:利利用用其其+Br、-Br两两种种剩剩磁磁状状态态可可存存储储计计算算机机数数据据,计计算算机机中中的的环环形形磁磁芯芯便便是是用用矩矩磁材料制成的磁材料制成的.典型的矩磁材料典型的矩磁材料:锰镁矩磁铁氧体锰镁矩磁铁氧体,锂锰矩磁铁氧体锂锰矩磁铁氧体;坡莫合金矩磁材料坡莫合金矩磁材料.特特性性:具具有有磁磁致致伸伸缩缩效效应应,可可用用于于制制作作磁磁压压转转换换器件器件、超声波换能器和机械滤波器等超声波换能器和机械滤波器等.