《磁场中的磁介质》PPT课件.ppt

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1、上章讨论了电流和运动电荷在真空中产生的磁场。,本章将讨论电流和运动电荷在实物（称之为磁介质）中产生的磁场。,主要任务,*以实物物质的电结构为基础简单说明磁介质 的三种类型：顺磁质、抗磁质、铁磁质。,*类似讨论电介质的方法研究磁介质对磁场的影响。,介绍描述磁介质中磁场的物理量磁场强度、磁化强度 以及它们所遵守的普遍规律。,*介绍工程技术上广泛应用的铁磁质的特性,9.1 磁介质对磁场的影响,9.2 磁介质的磁化,9.3 有磁介质时磁场的规律,9.4 铁磁质,本章目录,9.1 磁介质对磁场的影响,磁介质（magnetic medium）是能够影响磁场分布的物质。,传导电流，,介质磁化,均匀各向同性介

2、质,有：,r 相对磁导率（relative permeability）,长直密绕螺线管,总磁感强度,充满磁场所在空间时，,弱磁质，,顺磁质（paramagnetic substance）,如：Mn，Al，O2，N2,抗磁质（diamagnetic substance）,如：Cu，Ag，Cl2，H2,铁磁质（ferromagnetic substance）,如：Fe，Co，Ni,磁介质的分类：,一.分子磁矩和分子电流,电子轨道磁矩,电子自旋磁矩,原子核的磁矩,(molecular magnetic moment),分子电流 i分,9.2 磁介质的磁化,在磁场作用下，,二.磁介质的磁化,磁化（ma

3、gnetization）：,介质出现磁性或磁性发生变化的现象。,1.顺磁质的磁化,顺磁质分子有固有的分子磁矩（主要是电子,m分 10-23Am2。,热运动使 完全,混乱，不显磁性。,轨道和自旋磁矩的贡献），,2.抗磁质的磁化,抗磁质的分子固有磁矩为 0。,不显磁性,显示抗磁性,为什么 反平行于 呢？,以电子的轨道运动为例，,第 i 个电子受的磁力矩,电子轨道角动量增量,电子旋进，它引起的感应,这种效应在顺磁质中也有，,不过与分子固有磁矩的转向效应相比弱得多。,1.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：,单位体积内分子磁矩的矢量和。它带来附加磁场 的贡献。,它与介

4、质特性、温度与统计规律有关。,单位：安培/米(A/m),三.磁化强度与磁化电流,（magnetization and magnetization current）,实验证明在顺磁质和抗磁质以及弱场中的铁磁质中有：,实验表明：顺磁质和抗磁质，,铁磁质，和 呈非线性关系，而且是非单值对应关系。,2.磁化电流:,在均匀外磁场中，磁介质被磁化，在介质表面未被抵消的分子电流沿着相同的方向流动，总效果相当于圆柱体介质表面上有一层电流流过，这称为磁化电流或束缚电流。,3.磁化强度和磁化电流的关系:,顺磁质 与 同向，所以 与 同方向,抗磁质 与 反向，所以 与 反方向，（只有附加磁矩）,介质内：,穿过L所围

5、曲面S 的磁化电流,则套住 dl 的分子电流：,S,设分子浓度为 n，,介质表面：,选,磁化面电流密度,磁化强度沿任一回路的环流，等于穿过此回路的束缚电流 i的代数和。i与L环绕方向成右旋者为正，反之为负。,物理意义,与电介质中对比的公式,电极化强度,束缚电荷,束缚面电流,磁化强度,9.3 有介质时的高斯和安培环路定理,磁介质中的高斯定理,磁力线无头无尾。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.,一.磁介质中的高斯和安培环路定理,磁介质中的安培环路定理,束缚电流,传导电流,有磁介质的总场,整理：,定义磁场强度 则有：,沿任一闭合路径磁场强度

6、的环流等于该闭合路径所包围的自由电流的代数和。,物理意义,H 的环流仅与传导电流 I0 有关,与介质无关。(当 I0相同时，尽管介质不同，H在同一点上也不相同，然而环流却相同。)因此可以用它求场量，就象求 那样。,磁场强度H的单位：安培/米(A/m)SI,1奥斯特=103/4(A/m)Oe,1高斯=104特斯拉,电介质中的高斯定理,磁介质中的安培环路定理,称为相对电容率或相对介电常量。,之间的关系,之间的关系,实验规律量纲,电磁场的本构方程,描述真空中电磁场和介质中电磁场的关系式,证明这里的 就是前面所说的,与 均为纯数或张量，描述磁介质特性的物理量。,二.环路定理的应用举例,例1,介质中闭合

7、回路L所套联的分子电流为：,证：,L可任取，且可无限缩小，,故 I0=0 处，I=0。,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，,电流密度为 j（沿z），,导体相对磁导率为r，,求：,解：,且,有,例2,如图示，已知均匀载流无限大厚平板,板外：,对图示矩形回路 L，,板内：,有,对图示矩形回路 L，,有,求磁化面电流密度,上表面：,下表面：,（同上表面）,解：管外磁场为零，取如图所示回路,顺磁质,例题三：长直螺旋管内充满均匀磁介质()，设励磁电流，单位长度上的匝数为。求管内的磁感应强度和磁介质表面的面束缚电流密度。,例题四：长直单芯电缆的芯是一根半径为R 的金属导体，它与外壁

8、之间充满均匀磁介质，电流从芯流过再沿外壁流回。求介质中磁场分布及与导体相邻的介质表面的束缚电流。,方向沿圆的切线方向,方向与轴平行,磁介质内表面的总束缚电流,解：,解：设平均半径为R，线圈总匝数N，通有电流 I0，取与环同心的半径为R的圆为环路,磁化场就是空心螺绕环的,例题五：计算充满磁介质的螺绕环内的磁感应强度已知磁化场的磁感应强度为，介质的磁化强度。,各电子的自旋磁矩靠交换耦合作用使方向一致，,9.4 铁磁质（ferromagnetic substance）,一.磁畴（magnetic domain）,从而形成自发的均匀磁化小区域 磁畴。,铁磁质中起主要作用的是电子的自旋磁矩。,未加磁场,

9、在磁场 B 中,各种材料磁畴线度相差较大：,磁畴体积约为10-6(mm)3，,一个磁畴中约有10121015个原子。,易磁化方向由晶体结构决定。,磁畴磁矩沿某个易磁化方向(direction of easy,所有的磁畴为什么不形成一个磁化整体呢？,静磁能高交换能低,静磁能低交换能高,矛盾因素协调平衡，才使铁磁体整体能量最低。,magnetization)排列。,二.铁磁质的磁化规律,铁磁质 关系非线性，,也不单值，,形式上表示为,也不唯一。,1.起始磁化曲线,由此可得到B H曲线：,i 起始磁导率,m 最大磁导率,BS 饱和磁感强度（saturation magnetic induction）

10、,BH曲线,H曲线,（饱和）,2.磁滞回线（hysteresis loop）,B落后于H的变化，称为磁滞现象。,Br 剩余磁感强度（remanent magnetic induction）,Hc 矫顽力（coercive force）,磁滞是由于晶体缺陷和内应力、,“磁滞损耗”（hysteresis loss）,正比于BH 回线所围的面积。,以及磁畴在外磁场减退时，,沿易磁化方向排列而造成的。,就近,三.硬磁和软磁材料,1.硬磁材料（hard magnetic material）,特点：,磁滞损耗大，,适合制作永久磁铁、,Br 也大，,磁芯（记忆元件）等。,一般Hc 为104-106A/m，,

11、一般为103-104 G。,磁滞回线“胖”，,“矩磁材料”,可作记忆元件,2.软磁材料（soft magnetic material）,Hc小（102A/m），,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。,特点：,一般约Hc 为1A/m。,四.居里点（Curie point）,（自发磁化减弱）,（磁畴瓦解，表现顺磁性）,Tc是失去铁磁性的临界温度，称“居里点”。,Fe：Tc=767,Ni：Tc=357,Co：Tc=1117,五.磁致伸缩,磁致伸缩。,长度相对改变约10-5量级，,温下可达10-1；,某些材料在低,磁致伸缩有一定固有频率，,化频率和固有频率一致时，发生共振，,当外磁场变,可用于制作激振器、超声波发生器等。,第九章结束,作业：9.6，9.7，9.8，9.9,