Chp12磁介质中的恒定磁场.

第12章磁介质中的恒定磁场磁介质中的恒定磁场第2页共22页磁介质(magneticmedium):能与磁场发生相互作用的物质磁介质被磁化附加磁场电介质被极化附加电场极化电荷0E外场磁化电流0B外场削弱外场?12.1磁介质及其磁化设外场磁感应强度B0,介质磁化后附加磁场B磁介质中磁场:BBB0相对磁导率(relativepermeability):0rBB12.1.1磁介质及其分类磁介质中的恒定磁场第3页共22页0rBB真空螺线管的磁场:nIB00介质螺线管的磁场:nIBBr00r磁导率(permeability):r0磁介质分类：顺磁质(paramagnet):r1,BB0,B与B0同向抗磁质(diamagneticmaterial):r1,BB0,B与B0反向铁磁质(ferromagnetics):r1,BB0,B与B0同向弱磁性介质强磁性介质超导材料r=0B=0完全抗磁性磁介质中的恒定磁场第4页共22页磁介质是由分子或原子组成的,把分子和原子看成一个整体,分子或原子中的各电子对外界产生磁效应的总和,可以等效于一个圆电流,称为分子电流.12.1.2分子磁矩分子附加磁矩分子磁矩(molecularmagneticmoment)这种分子电流的磁矩是所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩之矢量和(忽略原子核中质子和中子的自旋磁矩),称之为分子的固有磁矩，简称分子磁矩.用表示.mP磁介质中的恒定磁场第5页共22页分子附加磁矩忽略电子自旋,考察磁场对电子轨道磁矩的作用结论:附加磁矩总是与外磁场反向对于整个分子,附加磁矩mPmmmm+-vfm电子反向运动-v+fBB磁介质中的恒定磁场第6页共22页12.1.3顺磁质和抗磁质的磁化电介质磁介质分子模型分类电偶极子分子电流分子中所有电子、原子核固有磁矩的等效电流有极分子电介质无极分子电介质0,0eepp0,eepp顺磁质抗磁质0mP0,mP0mP0,mP无外磁场：顺磁质抗磁质磁介质中的恒定磁场第7页共22页在外磁场中:0mP顺磁质BPMm磁矩转向外场方向抗磁质在外磁场中,每个运动电子都要产生与外磁场方向相反的附加磁矩,分子附加磁矩为mmPm+mPmPmPB+-+-mmmmvvffBB磁介质中的恒定磁场第8页共22页12.1.4磁化强度矢量与磁化电流1.磁化强度(magnetization):反映磁化程度强弱VPPMmm单位:安培·米-1(A·m-1)定义:磁化强度为单位体积内分子磁矩的矢量和顺磁质:VPMPPmmm,方向与外磁场同向0B抗磁质:VPMPmm,0方向与外磁场反向0B即:分子固有磁矩取向极化是顺磁质磁化的主要原因即:分子附加磁矩是抗磁质的磁化的唯一原因磁介质中的恒定磁场第9页共22页2.磁化电流(magnetizationcurrent)介质磁化的宏观效果是在介质横截面边缘出现环形电流,这种电流称为“磁化电流Is”.磁化电流与传导电流的区别:磁化电流是分子内电荷运动一段段接合而成,不同于传导电流的电荷定向运动,又称束缚电流,其磁效应与传导电流相当,但不产生热效应.I0ISM0B磁介质中的恒定磁场第10页共22页sjM磁化面电流密度:介质表面单位长度上的磁化电流LIjss分子磁矩的矢量和:ssSjLSLSjVSIM磁化强度在数值上等于磁化电流面密度,两者关系由右螺旋法则确定.SIPPsmmISM0BL可以推知:磁化强度的环流为sLIlMd磁介质中的恒定磁场第11页共22页12.2磁介质中的高斯定理和安培环路定理12.2.1磁介质中的高斯定理磁介质中磁场:BBB0I0ISM0B由磁化电流产生的微观机理可知:磁化电流与传导电流在产生磁场方面等效磁化电流线是一系列闭合曲线BS0dSSB磁介质中的恒定磁场第12页共22页)(ds00IIlBL)d(00LlMI00dIlMBL定义磁场强度(magneticfieldintensity):MBH0单位:A·m-112.2.2磁介质中的安培环路定理LI0ISM0BB0dIlHL磁介质中安培环路定理:磁场强度沿任一闭合回路的环流,等于闭合回路所包围的传导电流的代数和,而在形式上与磁介质中的磁化电流无关.如图取L回路磁介质中的恒定磁场第13页共22页对各向同性磁介质:HMm磁化率只与穿过L的传导电流代数和有关内）（LLIlH0d介质中的安培环路定理HHHMHBrm)1()(000由MBH0mr1介质相对磁导率r0介质磁导率磁介质中的恒定磁场第14页共22页0dIlHLHB在真空中:10rMHB0利用介质中高斯定理求磁场的一般步骤:1)在对称性分析基础上选取适当环路L2)由求磁场强度H分布3)由求磁感应强度B分布4)由M=mH、求磁化电流sjM0dIlHLHB磁介质中的恒定磁场第15页共22页例12-1为了测试某种材料的相对磁导率,常将材料做成横截面为圆形的螺绕环芯子,设环上绕有线圈200匝,平均围长0.1m,横截面积为510-5m2,当线圈内通有电流0.1A时用磁通计测得穿过横截面积的磁通量为610-5Wb,试计算该材料的相对磁导率.IlHLdNILHLNIHBr0r0截面磁场近似均匀BSΦm30mr104.78NISLΦ解：选如图所示的安培环路rNOL磁介质中的恒定磁场第16页共22页12.3铁磁质12.3.1铁磁质的特点高:B随H迅速增长,平均斜率比非铁磁质大得多.非线性:B和H不是线性关系,是一复杂的函数关系,非恒量.磁滞(hysteresis):B的变化落后于H的变化.存在居里点:临界温度时,失去铁磁性成为顺磁质.铁:T=1040K镍:T=631K磁介质中的恒定磁场第17页共22页OHmax磁导率曲线:12.3.2铁磁质的起始磁化曲线磁滞回线nIH实验:铁磁质芯的螺线管,通以电流IHB画出曲线H由改变I,测量H值和B值画出HB曲线HBO磁介质中的恒定磁场第18页共22页Br-HsHsOabcdefHBHcOa:起始磁化曲线Hs:饱和磁场强度Br:剩余磁感应强度Hc:矫顽力(coerciveforce)起始磁化曲线磁滞回线磁滞损耗:材料热效应大小与磁滞回线(hysteresisloop)面积成正比磁滞效应:磁感应强度B变化跟不上磁场强度H的变化磁介质中的恒定磁场第19页共22页磁滞损耗小,容易磁化,容易退磁,适用于交变磁场.如制造电机,变压器等的铁芯.铁磁材料按磁滞回线分类适合于制造永磁体适合于制作记录磁带及计算机的记忆元件BHOBHOBHO软磁材料硬磁材料矩磁材料磁介质中的恒定磁场第20页共22页12.3.3磁畴B磁畴体积:10-12~10-8m3包含原子:1017~1021个铁磁质相邻原子间存在很强的交换耦合作用,使得无外场时电子自旋磁矩在微小区域内自发地平行排列,形成一个个小的自发磁化区,称为“磁畴”.磁介质中的恒定磁场第21页共22页铁磁质在外磁场中的磁化过程主要为畴壁的移动和磁畴内磁矩的转向.自发磁化方向逐渐转向外磁场方向(磁畴转向),直到所有磁畴都沿外磁场方向整齐排列时,铁磁质就达到磁饱和状态.磁介质中的恒定磁场第22页共22页H自发磁化磁化过程:磁矩转向磁饱和状态•磁滞现象:撤去外场,磁壁很难完全恢复原状,保留部分磁性,这就是剩磁.•居里点:当温度升高到居里点时,剧烈的热运动使磁畴全部瓦解,铁磁质就成为一般顺磁质.畴壁移动铁的居里点：T=1040K镍的居里点：T=631K