大学物理第15章磁介质的磁化.ppt

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1、本章主要内容,磁介质的磁化,有介质时的安培环路定理,三种磁介质,第15章 磁介质的磁化,磁介质:实体物质在磁场作用下呈现磁性,该物体称磁介质。,电介质极化：,磁介质磁化：,磁化:磁介质在磁场中呈现磁性(在磁场的作用下产生附加磁场)的现象称为磁化。,磁介质的三种类型：顺磁质、抗磁质、铁磁质。,电学与磁学类比：,15.1 磁介质的磁化 磁化强度矢量,实验发现：有、无磁介质的螺旋管内磁感应强度的比值，可表征它们在磁场中的性质。,相对磁导率:,顺磁质：,如氧、铝、钨、铂、铬等。,抗磁质：,铁磁质：,如氮、水、铜、银、金、铋等。,如铁、钴、镍等，,超导体是理想的抗磁体。,B与B0 同方向，,B与B0 反

2、方向，,B与B0 同方向，,1.磁介质的分类：,1.磁介质的分类：,1).分子电流模型和分子磁矩,原子中电子参与两种运动：自旋及绕核的轨道运动，对应有轨道磁矩和自旋磁矩。,用等效的分子电流的磁效应来表示各个电子对外界磁效应的总合，称为分子固有磁矩。,抗磁质：,顺磁质：,未加外磁场时:,类比：电介质的微观图象,有极分子、无极分子。,不显磁性,2、顺磁质与抗磁质的微观机制,加外磁场时:,顺磁质：,当外磁场存在时，各分子固有磁矩受磁场力矩的作用，或多或少地转向磁场方向 顺磁质的磁化。,怎么解释抗磁质：B B0，B与B0 反方向!,54 顺磁质的磁化1ok.swf,2).顺磁质的磁化,*电子的进动：在

3、外磁场作用下，每个电子除了保持环绕原子核的运动和电子本身的自旋以外，还要附加电子磁矩以外磁场方向为轴线的转动。,方向一致!,抗磁质：,53 电子的拉莫进动.swf,在有外磁场时轨道角动量绕磁场旋进，电子附加一个与磁感强度相反的磁矩，分子中各电子因进动而产生的磁效应的总和,称分子的附加磁矩,方向与外磁场反向,决定了分子的抗磁性.,3).抗磁质的磁化,B）不管哪种介质，在无外场时，对外不显磁性.,3.磁化强度:,单位体积内分子磁矩的矢量和。它带来附加磁场 的贡献。,注意：,A）抗磁质固有磁矩为零，并不意味着电子不自旋，电子不绕原子核运动。分子中所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩矢量和为零。,注意：1）要

4、宏观无限小，微观无限大。,4）物理含义-描述物质磁化的程度与状态。,显然，磁化越厉害，分子磁矩的矢量和越大。对外磁场的影响也越大。（加强或减弱）,抗磁质,磁化面电流,顺磁质,大小：单位长度磁介质表面流过的磁化面电流,方向：该处磁化面电流的方向。,4 磁化强度与磁化电流间的关系,面电流密度,对于各向同性的均匀介质，介质内部各分子电流相互抵消，而在介质表面，未被抵消的分子电流相互拼接，在磁化圆柱的表面出现一层电流，称为磁化面电流。,一般言之：介质表面磁化面电流密度,L,S,M,（微分关系）,取一长为 l 面积为S的磁介质。则：,积分关系,磁化强度对闭合回路的线积分等于通过回路所包围的面积内的总磁化

5、电流。,磁化强度与磁化面电流的关系，虽然是从特例给出，但是普遍成立的。,无磁介质时,有磁介质时,定义磁场强度,磁介质中的安培环路定理：磁场强度沿任意闭合路径的线积分等于穿过该路径的所有传导电流的代数和，而与磁化电流无关。,15.2 有介质时的安培环路定理,磁化电流,传导电流,有磁介质的总场,实验证明：对于各向同性的介质，在磁介质中任意一点磁化强度和磁场强度成正比。,式中m称为磁介质的磁化率，是一个纯数。,磁导率=0 r,说明：,1）是一辅助物理量，描述磁场的基本物理量 仍然是,在各向同性的介质中：,2）的单位是A/m（SI制）,例：长直螺旋管内充满均匀磁介质r，设电流 I0，单位长度上的匝数为

6、 n。求管内的磁感应强度。,解：因管外磁场为零，取如图所示安培回路,例:在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质，已知螺绕环中的传导电流为I，单位长度内匝数n，环的横截面半径比环的平均半径小得多，磁介质的相对磁导率和磁导率分别为r和，求环内的磁场强度和磁感应强度。,解：在环内任取一点，过该点作一和环同心、半径为 r 的圆形回路。,式中N为螺绕环上线圈的总匝数。由对称性可知，在所取圆形回路上各点的磁场强度的大小相等，方向都沿切线。,当环内充满均匀介质时,例：如图所示，一半径为R1的无限长圆柱体（导体 0）中均匀地通有电流I，在它外面有半径为R2的无限长同轴圆柱面，两者之间充满着磁导率为 的均匀磁介

7、质，在圆柱面上通有相反方向的电流I。试求(1)圆柱体外圆柱面内一点的磁场；(2)圆柱体内一点磁场；(3)圆柱面外一点的磁场。,解:(1)当两个无限长的同轴圆柱体和圆柱面中有电流通过时，它们所激发的磁场是轴对称分布的，而磁介质亦呈轴对称分布，因而不会改变场的这种对称分布。设圆柱体外圆柱面内一点到轴的垂直距离是r1，以r1为半径作一圆，取此圆为积分回路，根据安培环路定理有,(2)设在圆柱体内一点到轴的垂直距离是r2，则以r2为半径作一圆，根据安培环路定理有,(3)在圆柱面外取一点，它到轴的垂直距离是r3，以r3为半径作一圆，根据安培环路定理,考虑到环路中所包围的电流的代数和为零，所以得,装置：螺绕

8、环;铁磁质,冲击电流计测量B,铁磁质的 r 非线性；,15.3 铁磁质,原理:励磁电流 I;用安培定理得H,一 磁化规律,起始磁化曲线；,磁饱和现象,B的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应,起始磁化曲线；,剩磁,饱和磁感应强度,矫顽力,磁滞回线-不可逆过程,当温度升高到一定程度时，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。,这温度称铁磁质的居里点。如：铁为 1040K，钴为 1390K，镍为 630K.,2）有剩磁，去磁要有矫顽力Hc,3）具有使铁磁质性质消失的“居里点”。,1）B、H具有非线性关系，数值都很大。,铁磁性材料的特点：,装置如图所示：将悬挂着的镍片移近永

9、久磁铁，即被吸住，说明镍片在室温下具有铁磁性。用酒精灯加热镍片，当镍片的温度升高到超过一定温度时，镍片不再被吸引，在重力作用下摆回平衡位置，说明镍片的铁磁性消失，变为顺磁性。移去酒精灯，稍待片刻，镍片温度下降到居里点以下恢复铁磁性，又被磁铁吸住。,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。,用于继电器、电机、以及各种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,矫顽力(Hc)大（102A/m)，剩磁Br大磁滞回线的面积大，损耗大。,用于磁电

10、式电表中的永磁铁。耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。,二 铁磁质的应用,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H Hc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。,锰镁铁氧体，锂锰铁氧体,压磁材料具有较强的磁致伸缩效应.,磁致伸缩有一定固有频率,当外磁场变化频率和固有频率一致发生共振,常用于制造激振器、超声波发生器。,磁畴(104m),三、铁磁质磁化的微观机理,成因：一种量子作用-电子轨道交叠产生的一种交换耦合作用，使电子自旋取一致平行的排列，形成自发的磁化区域-磁畴。,在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能将低于

11、磁矩与外磁反向排列时的磁能，结果是自发磁化磁矩和外磁场成小角度的磁畴处于有利地位，这些磁畴体积逐渐扩大，而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。随着外磁场的不断增强，取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失，留存的磁畴将向外磁场的方向旋转，以后再继续增加磁场，所有磁畴都沿外磁场方向整齐排列，这时磁化达到饱和。,在没有外磁场作用时，磁体体内磁矩排列杂乱，任意物理无限小体积内的平均磁矩为零。,顺磁质和铁磁质的磁导率明显地依赖于温度，而抗磁质的磁导率则几乎与温度无关，为什么？,答：顺磁质的磁性主要来源于分子的固有磁矩沿外磁场方向的取向排列。当温度升高时，由于热运动的缘故，这些固有磁矩更易趋向混乱，而不易沿外磁场方向排列，使得顺磁质的磁性因磁导率明显地依赖于温度。,铁磁质的磁性主要来源于磁畴的磁矩方向沿外磁场方向的取向排列。当温度升高时，各磁畴的磁矩方向易趋向混乱而使铁磁质的磁性减小，因而铁磁质的磁导率会明显地依赖于温度。当铁磁质的温度超过居里点时，其磁性还会完全消失。,至于抗磁质，它的磁性来源于抗磁质分子在外磁场中所产生的与外磁场方向相反的感生磁矩，不存在磁矩的方向排列问题，因而抗磁质的磁性和分子的热运动情况无关，这就是抗磁质的磁导率几乎与温度无关的原因。,