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第十二章 磁介质,物质放在电场中电场作用被极化；反过来，影响电场的分布。电介质,研究了电介质的极化机制、极化规律以及在电介质中电场的分布。,物质放在磁场中磁场作用被磁化；反过来，影响磁场的分布。磁介质,采用研究电介质相同的思路来研究磁介质。,束缚(极化)电荷；电极化强度电位移矢量有电介质的高斯定理,束缚(极化)电流；磁化强度磁场强度有磁介质的安培环路定理,主要内容：研究磁场与磁介质的相互作用。涉及到以下概念和定理：磁介质、磁化强度、磁场强度、磁场中的安培环路定理、铁磁质。,12-l 磁介质 磁化强度,一、磁介质,定义：,在磁场作用下能发生变化；并能反过来影响磁场的媒质。磁介质,磁化：磁介质在外磁场作用下发生的变化。,即，原来介质没有磁性的变为有磁性。,磁化的原因：,产生了束缚(磁化、分布)电流；其并不伴随着带电粒子作宏观位移。,有磁介质存在时的总磁场,有磁介质后的总场：,没有磁介质(即真空)存在时的磁场为 传导电流产生的。,磁介质放入磁场中被磁化后产生的磁场为 磁化电流产生的附加场。,包括介质内外,分类：,以长直螺线管为例：,真空：,若管内充满均匀磁介质时的总场为,充有磁介质，有三种情况，分成三类：,此种磁介质称为顺磁质,此种磁介质称为抗磁质,此种磁介质称为铁磁质或强顺磁质,强磁质,弱磁质,二、弱磁质磁化的微观机制,电子磁矩和分子磁矩,分子由原子组成；,电子的自旋,环绕原子核的高速旋转,一个电子电流环,磁矩,定义：电子轨道磁矩为电子磁矩,分子中所有电子(不是自由电子)电流环的对外产生磁效应的总效果等效为一个电流环分子电流,分子(固有)磁矩：,分子磁矩与电子角速度的关系,分子磁矩：,由于电子带负电，,电子绕核旋转周期：,电子电流环的电流：,当,弱磁质磁化的微观机制,A）顺磁质:每个分子的分子磁矩,无外磁场：,类似电介质中：有极分子,宏观上，不呈磁性；,有外磁场：各 受磁力矩 作用，,顺磁质内：,B）抗磁质:每个分子的分子磁矩,无外磁场：,类似电介质中：无极分子,宏观上，不呈磁性；,抗磁质内：,有外磁场：各，由于电子受指向核的洛仑兹力 作用，使电子的 增大，产生附加分子磁矩 与 反向,总结：介质磁化的过程如下：,在外场中,在外场中,说明：均匀介质在磁化时，要出现磁化面电流。,介质表面出现磁化电流,三、磁化强度,为了表征物质的宏观磁性或介质的磁化程度，定义磁化强度矢量：,磁介质中单位体积内分子磁矩的矢量和。,与介质特性、温度与统计规律有关。,单位：安培/米(A/m),顺磁质：,抗磁质：,12-2 磁介质的高斯定理和安培环路定理,磁介质中的高斯定理,磁感线无头无尾。穿过任何一个闭合曲面的磁通量为零。,磁感应强度 是外加磁场 与介质内束缚电流产生的 的合场强.,利用一个特殊的例子来讨论磁介质中的安培环路定理，所得结论同样也适用于一般的情形。,磁化强度与磁化电流间的关系,（以密绕长螺线管磁场为例）,取闭合回路ABCDA，设AB=L,有N匝线圈。,管中充满磁化强度为 的各向同性均匀磁介质，线圈中的电流为I。,由安培环路定理：,设每个分子园电流环半径均为、电流均为，且流向均相同；n单位体积中分子圆电流数。,所以，只有圆电流的中心距线段 的距离小于半径 的这些分子圆电流，对 有贡献。,磁化强度：,长螺线管内,（积分关系）,磁化强度与磁化电流的关系：磁化强度 在磁场中沿任一闭合路径L的线积分等于穿过此闭合路径的磁化电流。,引入辅助矢量：磁场强度矢量,令,磁场强度矢量,磁介质中的安培环路定理,说明：磁场强度沿任何闭合回路的线积分，等于该回路所包围的传导电流的代数和。,SI制中，磁场强度的单位：安培每米，符号：,介质的磁化率、磁导率,实验证明：在各向同性的非铁磁介质中，任一点的磁化强度 与磁场强度 成正比。,由,介质相对磁导率,介质磁导率,特例：,真空中，,顺磁质：,抗磁质：,由表可知：顺磁质和抗磁质为弱磁性物质，其磁化率很小，r1。即与真空的相对磁导率十分接近。因此，一般在讨论电流磁场的问题中，常可略去抗磁质、顺磁质磁化的影响。,在均匀介质中：,注意：引入磁场强度 的原因,结论：磁场中磁感强度的环流与磁介质有关，而磁场强度的环流则与磁介质无关。,在磁介质中某点的磁感强度和磁场强度(毕奥萨伐尔定律)分别为：,结论：当磁场中充满均匀的各向同性的磁介质时，磁场中某点的磁感强度与磁介质有关，而该点的磁场强度则与磁介质无关。,所以，与引入电位移 后，能够使我们比较方便地处理电介质中的电场问题一样，引入磁场强度 这个物理量后，使我们能够比较方便地处理磁介质中的磁场问题。,例1(P191)：如图12-5所示，有两个半径分别为r和R的“无限长”同轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁导率为 的磁介质。,当两圆筒通有相反方向的电流I时，试求：,(1)磁介质中任意点P的磁感强度的大小；,(2)圆柱体外面一点Q的磁感强度。,解(1)这两个“无限长”的同轴圆筒，当有电流通过时，其磁场是柱对称分布的。,磁介质中点P的磁感强度的大小：,(2)圆柱体外面一点Q的其磁场仍是柱对称分布的。,点Q的磁感强度的大小：,作业：P198 习题 12-1,一、磁畴理论,12-3 铁磁质,铁磁性主要来源于电子的自旋磁矩。,磁畴(magnetic domain)：原子间电子交换耦合作用很强，促使其自旋磁矩平行排列形成磁畴自发的磁化区域。磁畴大小约为10171021个原子/10-18米3。,在外磁场；磁畴取向平均抵消，能量最低，不显磁性。,在外磁场 时，磁畴自发磁化方向作为一个整体，不同程度地转向外磁场方向。,附加磁场,磁滞(hysteresis)现象是由于掺杂和内应力等的作用，当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状，而表现出来。,磁滞伸缩(magnetostriction)是因磁畴在外磁场中的取向，改变了晶格间距而引起的。,当温度升高时，热运动会瓦解磁畴内磁矩的规则排列；在临界温度（相变温度Tc）时，铁磁质完全变成了顺磁质。居里点 Tc(Curie Point),当全部磁畴都沿外磁场方向时，铁磁质的磁化就达到饱和状态。饱和磁化强度MS等于每个磁畴中原来的磁化强度，该值很大，这就是铁磁质磁性r大的原因。,二、磁化曲线,装置：环形螺绕环;铁磁质Fe,Co,Ni及稀钍族元素的化合物，能被强烈地磁化。,实验测量B,如用感应电动势测量或用小线圈在缝口处测量；,由 得出如下曲线。,安培环路定理：,B的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应,每个 对应不同的 与磁化的过程有关。,起始磁化曲线；,剩磁,饱和磁感应强度,矫顽力,三、磁滞回线-不可逆过程,在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高的磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。,铁磁体于铁电体类似；在交变场的作用下，它的形状会随之变化，称为磁致伸缩（10-5数量级）它可用做换能器，在超声及检测技术中大有作为。,如：铁为 1040K，钴为 1390K，镍为 630K,每种磁介质当温度升高到一定程度时，由高磁导率、磁滞、磁致伸缩等一系列特殊状态全部消失，而变为顺磁性。这温度叫临界温度，或称铁磁质的居里点。,不同铁磁质具有不同的转变温度,四、铁磁性的材料,作变压器的软磁材料。纯铁，硅钢、坡莫合金(Fe，Ni)，铁氧体等。,r大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。饱和磁感应强度大，矫顽力(Hc)小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小（HdB面积小）。,用于继电器、电机、以及高频电磁元件的磁芯、磁棒。,作永久磁铁的硬磁材料,钨钢，碳钢，铝镍钴合金,作存储元件的矩磁材料,Br=BS，Hc不大，磁滞回线是矩形。用于记忆元件，当+脉冲产生HHC使磁芯呈+B态，则脉冲产生H HC使磁芯呈 B态，可做为二进制的两个态。,矫顽力(Hc)大（102A/m)，剩磁Br大磁滞回线的面积大，损耗大。,还用于磁电式电表中的永磁铁。耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。,锰镁铁氧体，锂锰铁氧体,