大学物理第15章物质的磁性.ppt

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1、15-1 磁介质对磁场的影响 15-2 磁介质的磁化15-3 有介质时的安培环路定理15-4 铁磁质,第15章 磁介质中的磁场 Magnetic Field in the Medium,一、磁介质 磁化强度,磁介质（Magnetic Media）,15-1 磁介质,物质的分子（或原子）中都存在运动的电荷，当它处在磁场中的时候，其中的运动电荷将受到磁力的作用而使物质处于一种特殊的状态中，处于这种特殊状态的物质又反过来影响磁场的分布。,磁介质对磁场的影响：,磁介质的分类：（Classifications of Magnetic Media）,弱磁质,在均匀介质充满磁场的情况下，定义,相对磁导率,分

2、子电流：把分子或原子看作一个整体，分子或原子中各个电子对外界所产生磁效应的总和，可用一个等效的圆电流表示，统称为分子电流。,分子磁矩：一个分子所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩及核的自旋磁矩的矢量和。,二、分子电流和分子磁矩,15-2 磁介质的磁化,在顺磁体中各个分子的磁矩不为零，但由于热运动，分子磁矩取向无规则，矢量和为零。,1.介质的磁化,顺磁质内磁场,顺磁体加上外磁场后，在宏观上呈现出一个与外磁场同向的附加磁场。,无外磁场时抗磁质分子磁矩为零,抗磁质内磁场,2.束缚电流（磁化电流the polarizing current）,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，各

3、分子电流相互叠加，在磁化圆柱的表面出现一层电流，好象一个载流螺线管，称为束缚电流（或磁化电流）。,3.磁化强度,单位（安/米）,无磁介质时,有磁介质时,15-4 磁介质中的安培环路定理（Amperes Law in a Medium）,其中，磁化强度：,定义 为磁场强度,表明：磁场强度矢量的环流和传导电流I有关，而在形式上与磁介质的磁性无关。其单位在国际单位制中是A/m.,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。,有磁介质时的安培环路定理,说明:,是传导电流。,一般性；,是一个辅助性（auxiliary parameter)

4、的物理量；,与真空中的安培定理一样，如磁场具有对称性，可用磁介质中的安培定理求磁场的分布：先求，再求；,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 只与磁介质的性质有关，称为磁介质的磁化率，是一个纯数。如果磁介质是均匀的，它是一个常量；如果磁介质是不均匀的，它是空间位置的函数。,对比：,相对磁导率,磁导率,值得注意：为研究介质中的磁场提供方便而不是反映磁场性质的基本物理量，才是反映磁场性质的基本物理量。,对比：,例1 有两个半径分别为 和 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 时，试 求（1）磁介质中

5、任意点 P 的磁感应强度的大小;（2）圆柱体外面一点Q 的磁感强度.,解：圆柱体电流产生的场的分布具有轴对称性。在垂直于电缆轴的平面内作一圆心在轴上，半径为r的圆周。应用介质中的安培环路定理，有：,1）介质中：,2）介质外：,同理可求,(1)在外磁场的作用下能产生很强的附加磁场。,(2)外磁场停止作用后，仍能保持其磁化状态。,(3)相对磁导率和磁化率不是常数，而是随外磁场的变化而变化；具有磁滞现象，之间不具有简单的线性关系。,15-5 铁磁质（Ferromagnetic）,与弱磁质相比，铁磁质具有以下特点：,(4)具有临界温度Tc。在Tc以上，铁磁性完全消失而成为顺磁质，Tc称为居里温度或居里

6、点。不同的铁磁质有不同的居里温度Tc。纯铁：770C，纯镍：358C。,居 里,1.起始磁化曲线,通常把铁磁质试样做成环状，外面绕上若干线圈,电流计测量I，磁通计测量B，得到试样的HB曲线。,使励磁电流从零开始，此时B=H=0，然后逐渐增大电流，以增大H。测得B与H的对应关系如图所示：,随H的增大，B先缓慢增大(OA段)，然后迅速增大(AB段)，过B点过后，B又缓慢增大(BC段)。,从S开始，B几乎不随H的增大而增大，介质的磁化达到饱和。与S对应的HS称饱和磁场强度，相应的BS称饱和磁感应强度。,根据，可以求出不同H值对应的r值，由此可见铁磁质BH显著的非线性特点。,当铁磁质达到饱和状态后，缓

7、慢地减小H，铁磁质中的B并不按原来的曲线减小，并且H=0时，B不等于0，具有一定值，这种现象称为剩磁。,要完全消除剩磁Br，必须加反向磁场，当B=0时磁场的值Hc为铁磁质的矫顽力。,当反向磁场继续增加，铁磁质的磁化达到反向饱和。反向磁场减小到零，同样出现剩磁现象。不断地正向或反向缓慢改变磁场，磁化曲线为一闭合曲线磁滞回线。,2.磁滞回线,B的变化总落后于H的变化，称磁滞现象。,在反复磁化过程中能量的损失叫做磁滞损耗。缓慢磁化过程，经历一次磁化过程损耗的能量与磁滞回线包围的面积成正比。,-Hc,铁磁体在交变磁化磁场的作用下，它的形状随之改变，叫做磁致伸缩效应。,不同铁磁性物质的磁滞回线形状相差很

8、大.,矫顽力很小(Hc102Am-1)，磁滞回线窄，所围的面积小，磁滞损耗小。软磁材料如纯铁、硅钢、坡莫合金、铁氧体等材料，适用于交变磁场中，常用作变压器、继电器、电动机、电磁铁和发动机的铁芯。,软磁材料：,硬磁材料：,矫顽力大，剩磁大、磁滞回线宽，所围的面积大，磁滞损耗大。硬磁材料如碳钢、钨钢、铝镍钴合金等材料。磁化后能保持很强的磁性，适用于制成各种类型的永久磁铁。,矩磁材料的磁滞回线接近于矩形，特点是剩磁Br接近饱和值BS。,当矩磁材料在不同方向的外磁场磁化后，总是处于 和 两种剩磁状态，可作电子计算机的“记忆”元件。,三、磁畴 Magnetic Domains（铁磁质的磁化机制）,在铁磁

9、质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子中电子的自旋磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域称为磁畴。（“自发磁化区”）,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。,磁畴在外磁场：,（）凡磁矩与外磁场方向相同或相近的磁畴扩大自己的体积；,（2）每个磁畴的磁矩方向都不同程度地向外磁场方向靠拢；,（3）磁畴壁的外移和磁矩的转向是不可逆的；随外磁场的增加，过程达饱和；,（4）存在居里点原因:温度升高至居里点时铁磁质中的自发磁化区域磁畴受到剧烈的分子热运动的破坏，磁畴被瓦解,铁磁质的特性消

10、失,过渡到顺磁质.不同的铁磁质居里温度亦不同.,（5）金属中，一般情况，两电子配对，一个自旋向上，一个自旋向下；然而，对铁、镍、钴等，它有两个过剩的电子未配成对，铁的磁性几乎全部是由于这些电子的磁矩顺序排列所造成的；,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。,“铁损”（磁滞损耗）：把铁磁质放在周期性变化的磁场中反复被磁化时，它要发热，引起的能量损耗。与磁滞回线所包围的面积成正比，因此，在交流电磁装置中，利用软磁材料作为铁心。,