43磁介质

§4.2磁介质一、磁介质2、磁介质的磁化磁介质在磁场的作用下所发生的变化，称为磁介质的磁化，其结果是产生了附加磁场。磁介质磁化而产生的附加磁场为B'，磁介质中磁感应强度为B，则BBB0磁介质磁化而产生的附加磁场B'的方向，随磁介质的不同而不同。1.磁介质——任何实物都是磁介质'0EEE电介质放入外场0EE0E在物质的分子中，每个电子都绕原子核作轨道运动，具有轨道磁矩；电子本身还有自旋，具有自旋磁矩。一个分子内所有电子的全部磁矩的矢量和，称为分子的固有磁矩，简称分子磁矩。分子磁矩可以用一个等效的圆电流来表示。3、安培分子电流和分子磁矩I分子maIm分子反映磁介质对原场的影响程度—相对磁导率1m磁介质的磁化率与温度、介质的性质有关.磁化率(magneticsusceptibility)—无量纲.,m4、磁介质的分类根据B'与B0方向是否相同，磁介质可分为：0B'B0B'B顺磁质和抗磁质又称为弱磁性物质。具有显著的增强原磁场的性质——强磁性物质①顺磁质:,B'与B0同向，BB0;如氧、铝、钨、铂、铬----paramagnet0,0mm分子②抗磁质:,B'与B0反向，BB0，如氮、水、铜、银、金、铋等。超导体是理想的抗磁体-----diamagnet0,0mm分子③铁磁质:B'与B0同向，BB0，BB0，如铁、钴、镍等----ferromagnet1,0mm分子1,1m1,1m1、顺磁质的磁化无外磁场：因分子的无规则热运动,分子磁矩取向混乱,物质并不显磁性——未磁化状态。加外磁场：分子固有磁矩将受到外磁场的磁力矩作用，转向外磁场的方向排列，各个分子磁矩将沿外磁场方向产生附加的磁场。二、磁介质的磁化机理IB顺磁质I0分子m0分子m0B结论:顺磁质的磁性,来源于分子固有磁矩—在外磁场中的取向.1.形成磁化(束缚)电流.均匀介质,磁化电流分布于表面.2.产生附加磁场.加外磁场：evmr0Bffom电子轨道半径不变)(mm当外场方向与原子磁矩反方向时emr0Bfom当外场方向与原子磁矩方向相同时2、抗磁质磁化机理——电子轨道在外磁场作用下发生变化无外磁场：分子的固有磁矩等于零，所以不显磁性。fm)(m222ernrTeSImrmrZe202024结论：分子中每个电子的轨道运动将受到影响，从而引起与外磁场的方向相反的附加的轨道磁矩，结果出现与外磁场方向相反的附加磁场，因而抗磁质的磁感应强度比外磁场的磁感应强度要略小一点。0202erm22ermrmrBerZe22024电子运动方程加外磁场：0而当外磁场不太强时：emffrmrBe200即：00,emB02022meB222ermBmre422结论:不论外磁场方向如何,电子的感生磁矩的方向总是与外磁场方向相反.大小与外磁场成正比.从而整个分子内产生与外磁场方向相反感生磁矩.三、磁化强度(magnetization)VmM1、定义：磁介质中单位体积内的分子磁矩的矢量和，称为磁化强度。单位：安培/米(A/m)说明：•磁化强度是描述磁介质磁化状态的宏观量,未磁化:M=0;磁化后M≠0.•与介质特性、温度有关•顺磁质M与B0同向，所以B'与B0同方向•抗磁质M与B0反向，所以B'与B0反方向0分子m0分子m未磁化:磁化后:S2、磁化电流分布与磁化强度的关系考虑磁介质中的任意曲面S,由于磁化通过曲面的分子电流.ld连环的分子电流:ldMldmnnIadlId分子cosLLIldM内ld通过曲面S的磁化电流:lintMMlilMldMLtsinMMit,nMi设表面单位长度上的磁化电流对回路应用上式:i磁化面电流密度i四、介质内的磁感应强度BBB0IB0B一根沿轴向均匀磁化的磁介质细棒Mi)cos(cos2)cos(cos2210210MiB在轴线的中点处:2221coscosldl2)(1dldl讨论:①若介质棒无限长,l→∞:210)](1)[(dldlMBMB0MBB00②对介质薄片,l→0:0B0BB此式对闭合的介质环内部也适用在介质的情形下，磁介质中的磁场是传导电流和磁化电流共同产生的:五、磁介质中的安培环路定理高斯定理由于,000IldBLl内IldBLl内0][00IIldBLLl内内IldMLl内00][IldMBLl内引入辅助矢量磁场强度:MBH00IldHLl内1.安培环路定理磁介质中的安培环路定理：磁场强度沿任何闭合回路的线积分，等于通过该回路所包围的传导电流的代数和。说明:•磁场强度是一个辅助物理量。•磁场强度的环流只与穿过闭合回路的传导电流有关，而与磁化电流无关。•如果磁场强度具有对称性,可以应用安培环路定理求解出H.2.高斯定理0sSdB磁场强度H的单位:A/m,另一常用单位:奥斯特(Oe)OemA3104/1对真空HBM0,000sSdB0sSdB六、各向同性线性非铁磁介质的磁化规律MBH0HMmHMHB00)(顺磁质：χm0，μ1，M与B同向抗磁质：χm0，μ1，M与B反向HB0实验表明,各向同性线性非铁磁介质超导体的完全抗磁性—MeissnereffectBo0B相当于抗磁体1m原因:超导体的表面产生的超导电流,超导电流在内部的磁场将完全抵消外磁场抗磁介质铁磁介质顺磁介质B)(00BHo...............B七、安培环路定理的应用例1、长直螺旋管内充满均匀磁介质(μr)，设励磁电流I0，单位长度上的匝数为n。求管内的磁感应强度。解：平行于管轴的直线上磁场相同.因管外磁场为零，取如图所示安培回路IldHl0nlIlH0nIH000nIHBrrabdc若磁场强度具有对称性,选取适当的安培回路，可以求出磁场强度H，再由求磁感应强度B。HB0l充入顺磁介质可以增强磁场.也可以增强自感系数.rIH2II例2、长直单芯电缆的芯是一根半径为R的金属导体，它与外壁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。IldHlrrIHBrr200方向沿圆的切线方向B解：取如图所示安培回路八、磁介质的两种观点分子电流观点分子环流磁偶极子磁荷观点§4.5铁磁质的磁化铁磁质的特性：1．在外磁场作用下能产生很强的磁感应强度；2．当外磁场停止作用时，仍能保持其磁化状态；3．磁感应强度与磁场强度之间不是简单的线性关系；4．铁磁质都有一临界温度。在此温度之上，铁磁性完全消失而成为顺磁质，这一温度称为居里温度或居里点。纯铁——1040K镍——630K钴——1390K铁磁质的起因可以用“磁畴”理论来解释。一、磁畴(Magneticdomain)1.概念：铁磁质内的电子之间因自旋引起的相互作用非常强烈，在铁磁质内部形成了一些微小区域，叫做磁畴。每一个磁畴中，各个电子的自旋磁矩排列得很整齐。磁畴大小:约10-12～10-8米3,包含1017～1021个原子.磁畴的显示：磁畴的变化可用金相显微镜观测在无外磁场的作用下磁畴取向杂乱无章,磁矩抵消，能量最低，不显磁性。2.磁化Bo二、磁化规律•装置：环形螺绕环RNIH2实验测量B,利用次级线圈•原理:励磁电流I；用安培定理得H•磁化曲线：B(M)～H铁磁质很大，且随外磁场而变化，B与H之间为非线性关系。RBSdtRidtq2SqRB2磁饱和状态HBoabcs起始磁化曲线1.起始磁化曲线：O→a，H增加，B增加a→b，H变大，B急剧增大，b→c，H增加，B增加，增加十分缓慢C以后,H增加，B到饱和状态,BS•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(saturatemagnetization)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.①非线性②μ值很大③存在饱和磁化强度和饱和磁感应强度④有铁磁质的线圈,L=L(I),M=M(I).oHBabcsSB～HM～H、B～H曲线上任何一点与原点O连线的斜率分别代表该磁化状态下的磁化率和磁导率m0起始最大起始磁导率起始最大磁导率最大结论:起始最大SM—是标志软磁材料性能的重要参数cHcHrBHBo2、磁滞回线B的变化滞后于H的变化的现象，叫做磁滞现象.剩磁Br：remanentemagneticinduction当磁场强度减小到零时，磁感应强度并不等于零，Br叫做剩余磁感应强度.矫顽力HC：coerciveforce当H=-Hc时，剩磁消失，铁磁质不显磁性,Hc—矫顽力.SRRS闭合曲线RSRRS—磁滞回线RC—退磁曲线(demagnetizationcurve)CBHoc磁滞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。①M、B和H的关系是非线性而且是非单值.②对给定的H,M和B的数值取决于介质的磁化历史和磁化过程.④磁化曲线在设计电磁铁，变压器以及一些电气设备时，磁化曲线是很重要的实验依据。③铁磁质温度高于某一温度TC时,铁磁质转化为顺磁质,此临界温度称为居里点。结论:铁磁质在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高的，要损失能量，称为磁滞损耗，磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。三、磁滞损耗(magnetichysteresis)BHo·PPBB+dB磁化状态由P变化到的过程中,磁场变化在线圈中产生的感应电动势Pdtd此过程中,电源抵抗感应电动势作的功为dIdtdtdIdtIdA000lNHINSdBd0,BHo·PPBB+dB对单位体积铁芯,电源抵抗感应电动势作的功为HdBVdAdada的数值等于图中斜线部分的“面积”.对一个循环,功的数值等于磁滞回线包围的“面积”.回线包围的面积回线回线HdBdaaHdBVSlHdBdA四、铁磁性材料软磁材料：特点：相对磁导率和饱和磁感应强度一般都较大，但矫顽力小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小。易磁化、易退磁（起始磁化率大）。例子：如纯铁，硅钢坡莫合金，铁氧体等。应用：适宜制造电磁铁、变压器、交流发电机、继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒等。1、金属磁性材料BHo图3用铁粉演示软磁材料中的磁化状态的改变解释:永磁体续接软磁材料的一端靠拢另一个的永磁体的同名磁极时,首先表现为强烈的排斥,若人为的使它们进一步靠近时,磁感应强度为零的点跑进了软磁材料内部,表现出“异常的同名磁极相吸现象”.从能量的角度看,整个过程是能量从软磁材料的外部转移到软磁材料的内部,外部磁场能量的降低表现为两个永磁体都吸引软磁材料.《大学物理》,Vol.24No.9,Sep.2005,P42硬磁材料：特点：剩磁和矫顽力都比较大，磁滞回线所围的面积大，磁滞损耗大，磁滞特性非常显著例子：钨钢，碳钢，铝镍钴合金等。应用：适合作永久磁铁，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。铁氧体，是由三氧化二铁和其它二价的金属氧化物的粉末混合烧结而成，常称为磁性瓷。如锰镁铁氧体、锂锰铁氧体等2、非金属磁性材料——矩磁材料：特点：Br=BS，Hc不大，磁滞回线是矩形。用途：用于记忆元件，当+脉冲产生H