电磁学教学资料电磁学第五章-磁场中的磁介质.ppt

1,第四章 稳恒磁场1基本磁现象2安培定律3磁感应强度矢量4磁场的高斯定理5安培环路定律6磁场对载流导线的作用7磁场对运动带电粒子的作用第五章 电磁感应和暂态过程1电磁感应现象2法拉电磁感应定津 3动生电动势4感生电动势 涡旋电场5自感和互感6涡电流 趋肤效应7暂态过程第六章 磁介质1磁介质2磁场的边值关系3顺磁质 抗磁质 铁磁质4磁场的能量和能量密度,课程内容,2,第五章磁场中的磁介质,主要内容,磁介质磁矩磁介质的磁化 的环路定理铁磁质磁场的能量密度,3,1 磁介质,磁介质是指放在磁场中受磁场影响或反过来影响原来磁场的物质。,2.磁介质对磁场的影响,相对磁导率 反映磁介质性质,在介质均匀充满磁场的情况下,与介质有关的电流产生,3.磁介质的分类,(2)顺磁质（锰、铬、铂、氧）,(1)抗磁质（锌、铜、水银、铅）,减弱原场,增强原场,(3)铁磁质,通常不是常数,具有显著的增强原磁场的性质,强磁性物质,弱磁性物质,5,2 磁矩,原子中运动的电子的轨道磁矩,(1)圆电流的磁矩,为圆面积的正法线单位矢量,它与电流流向成右手螺旋法则。,6,(2)原子中运动的电子的轨道磁矩,电子的沿圆形轨道运动电流,电子的轨道磁矩,电子的沿圆形轨道角动量,则电子的轨道磁矩,7,2.原子中运动的电子的自旋磁矩,上式中的s为自旋角动量,玻尔磁子,3.原子中原子核磁矩,原子核也有磁矩,但小于电子磁矩的千分之一。,4.分子磁矩,电子轨道磁矩，电子自旋磁矩，原子核的磁矩的总和，叫分子磁矩。,某些分子在正常情况下,其磁矩的矢量和一定，称为分子的固有磁矩。,抗磁质,无外场作用时，对外不显磁性。,顺磁质,无外场作用时，由于热运动，对外也不显磁性,外场与分子磁矩 m 同向,外场与分子磁矩m反向,相当于在原来的 上附加了一反向磁矩,相当于在原来的 上附加了一同向磁矩,(1)分子磁矩方向变化 磁矩将转向外场方向。,(2)分子磁矩大小变化,结论：附加的,总是与外场方向相反,5.磁场对磁介质分子的作用,1.顺磁质的磁化机制,由具有固有磁矩的分子形成的物质；在外场作用下,每个磁矩都受到一个力矩,使分子磁矩转向外磁场方向；各分子磁矩在一定程度上沿外场排列；热运动对磁矩排列起破坏干扰作用，温度越高顺磁效应越弱。,3 磁介质的磁化,2.抗磁质的磁化机制,每个分子无固有磁矩；(相互抵消)在外场作用下,感生磁矩都与外场方向相反。顺磁质:抗磁效应比顺磁效应小被掩盖。,抗磁质,束缚电流,束缚电流,L,顺磁质,13,3.磁化强度,(1)定义:,体积元内第i个分子的磁矩,的单位：A/m,(2)实验表明：对于各向同性的顺磁质和抗磁质(以及铁磁质在磁场较弱时)，,为介质中磁场的磁感应强度,对比 电介质,14,推导：,S,穿过L所围曲面S 的磁化电流,则套住 dl 的分子电流：,设分子浓度为 n，,4.磁化强度与束缚电流的关系,15,介质表面磁化电流密度：,选,磁化面电流密度,若 平行于表面，则j=M,考虑到方向,16,3.磁化规律(实验规律)各向同性线性磁介质,介质的磁化率,对比 电介质,极化率,与磁介质内任意闭合路径L铰链的总束缚电流,17,磁化强度,磁化强度与磁化电流的关系,极化强度,对比电介质,18,各向同性线性磁介质,磁导率,令,则有,将,代入,得,对比各向同性线性电介质,19,4 H的环路定理,1.磁介质内的总磁感强度,自由电流,介质磁化的束缚电流,总磁感强度,20,2.的环路定理,由安培环路定律,(1)如图所示,又因为,所以,21,(2)磁场强度,定义磁场强度,对各向同性磁介质,(3)的环路定理,23,例 一无限长直螺线管，单位长度上的匝数为n，螺线管内充满相对磁导率为 的均匀磁介质。今在导线内通以电流I，求管内磁感应强度和磁介质表面的面束缚电流密度。,解：,如图,充满介质后，管内磁场应均匀，其方向平行于轴线，管外磁场为零,24,则有:,根据H的环路定理,又,25,顺磁质：，束缚电流方向与自由电流方向相同,抗磁质：，束缚电流方向与自由电流方向相反,铁磁质：，管内磁场主要由束缚电流产生,由此可见,26,求：,例 厚 2h 的无限大均匀各向同性介质平板，相对磁导率 r，传导电流密度为。,解：,任一与 yz 面平行的平面是系统的镜面：,分析对称性：,沿 x、z 轴方向平移任意距离的平移对称性：,xz 面是系统的镜面：,也具有相同性质：,板外：,对矩形回路 L有：,板内：,对矩形回路 L 有：,磁化面电流密度,上表面：,下表面：,为何上下表面磁化面电流总和不为0？,思考：,31,作业：,无传导电流处 也无磁化电流。,证明在各向同性均匀磁介质内,32,5 铁磁质,1.磁化曲线,(1)环状铁芯被磁化,改变I，可以得多组H和B的值，由此可绘磁化曲线,1.r 1 可使原场大幅度增加。,2.r与磁化历史有关 B-H 非线性。,磁化过程,(2)铁磁质中的B和 随H变化的磁化曲线,35,2.软磁材料 硬磁材料,很小,磁滞回线瘦,如图(a),常用来做电磁铁等的铁芯,软磁材料:,较大,磁滞回线较胖,如图(b),常用来做计算机的铁芯,硬磁材料:,3.居里点Tc,Tc:铁磁质特性消失成为顺磁质的转变温度。,例如 铁的Tc:1040K 钴的Tc:1390K,1.软磁材料,Hc 小（102 A/m），一般约 1 A/m。,特点：磁滞回线瘦 磁滞损耗小,适于制作交流电磁铁、变压器铁芯等。,2.硬磁材料,特点：磁滞回线胖 磁滞损耗大,适合制作永久磁铁、磁芯（记忆元件）等。,Hc 大，一般 104 106 A/mBr 大，一般 103 104 G,根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的“交换耦合作用”使得在无外磁场作用时 电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列 形成自发磁化达到饱和状态的微小区域 这些区域称为“磁畴”。,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。,1892年首先提出 磁畴的形成是由于磁偶极子间非磁性的相互作用。,磁畴,4.铁磁性的微观解释磁畴理论,1926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。,1935年 朗道等从磁场能量的观点说明了磁畴的成因。,磁畴,含有3Si 的 Fe 样品中的磁畴显微相。每个磁畴都和一个非常强的净磁场相联系。不同方向的磁畴显示成不同的颜色。,不同材料磁畴线度相差较大：10-3 m 10-6 m，磁畴体积 10-6 mm3，包含 1012 1015 原子。,磁畴内磁矩沿易磁化方向排列，易磁化方向由具体的晶体结构决定。,问题：所有磁畴为何不形成一个磁化整体？,静磁能高交换能低,静磁能低交换能高,两种因素竞争，使铁磁体整体能量最低。,答：形成一个磁化整体，在能量上未必有利。,单晶磁畴结构 示意图,多晶磁畴结构 示意图,磁滞损耗,在交变电磁场中 铁磁质的反复磁化将引起介质的发热 称为磁滞损耗。,实验和理论都可以证明 磁滞损耗和磁滞回线所包围的面积成正比。,导致磁滞的原因是磁畴的磁壁很难恢复原状。,1.法向关系,由介质 2 指向介质 1,5.磁场的边界条件,2.切向关系,设界面无传导电流：,47,6.磁屏蔽,根据上述磁场的边界条件，由图可得,则,若 1 2，则 1 2 磁感应线的“折射”,48,在 很大的铁磁质中，线几乎平行于表面。,一铁管在磁场中 B线的分布图，实现了磁屏蔽。,精密探头、显象管等都需要磁屏蔽。,铁管（板面）,磁感应线沿铁走，铁磁质有聚集磁感应线于其内部的性质。,