第12章磁场中磁介质(中南大学物理)

磁介质——能与磁场产生相互作用的物质磁化——磁介质在磁场作用下所发生的变化一、物质磁性的概述第十二章磁场中的磁介质RI0B无磁介质时：nIB0012-1磁介质磁化强度RIRIRIRI磁介质锰、铬、氮气----银、铜、氢….铁、钴、镍及其合金充有磁介质，有三种情况BBB0BB1）0BB2）0BB3）此种磁介质称为顺磁质此种磁介质称为抗磁质此种磁介质称为铁磁质BBBBo（1）顺磁质（3）铁磁质（2）抗磁质B根据的大小和方向可将磁介质分为三大类0BB0BB0BB附加磁场二、分子电流与分子磁矩分子磁矩轨道磁矩自旋磁矩——电子绕核的轨道运动——电子本身自旋等效于圆电流——分子电流BpMmnISpmˆ分子磁矩在外磁场中受到磁力矩，使它向磁场方向偏转，且按统计规律取向分子电流所对应的磁矩在外磁场中的行为决定介质的特性。BImpmpmpImpImpILmpM0BmpLmp0BmpM轨道角动量与磁矩的关系：Lmepm2222rrVerIpmmVrL电子磁矩受到力矩BpMm角动量定理dtLdM绕磁场进动附加一磁矩与外场反向。mp0B1、顺磁质分子的固有磁矩不为零0mp无外磁场作用时，由于分子的热运动，分子磁矩取向各不相同,整个介质不显磁性。0mp三、磁化质的顺磁性与抗磁性有外磁场时，分子磁矩要受到一个力矩的作用，使分子磁矩转向外磁场的方向。mp0B0BpMmM分子磁矩产生的磁场方向和外磁场方向一致，顺磁质磁化结果，使介质内部磁场增强。0BB0B指出一点：附加磁矩与相比要小得多，（顺磁质）0B相差两个数量级。因此磁介质中的磁场是加强了。mpmp0BB0B0mp2、抗磁质分子的固有磁矩为零0mp在外磁场中，抗磁质分子会产生附加磁矩电子绕核的轨道运动电子本身自旋mp外磁场场作用下产生附加磁矩mp电子的附加磁矩总是削弱外磁场的作用。抗磁性是一切磁介质共同具有的特性。0BB总与外磁场方向反向定义:磁化强度1mAVpMmii四、磁化强度与磁化电流Is——磁化电流s——沿轴线单位长度上的磁化电流（磁化面电流密度）ssmLSLSVpMMsI0I磁化强度M在量值上等于磁化面电流密度。LSSIpssm'BBB0SBB一、磁介质中的高斯定理0sSdB0sosSd)BB(SdB0soSdB0sSdB通过磁场中任一闭合曲面的总磁通量为零磁介质中的高斯定理12-2介质中的磁场磁场强度二、磁介质中的安培环路定理LLsIIldB)(00ldMIldBLLL000LLIld)MB(00LsLIldMMBH0定义磁场强度LLIldH0在稳恒磁场中，磁场强度矢量沿任一闭合路径的线积分（即环流）等于包围在环路内各传导电流电流的代数和，而与磁化电流无关。单位：安培/米(A/m)MBH0内LLIldH0几点说明：1）是一辅助物理量，描述磁场的基本物理量仍然是HBHB（名称张冠李戴了）3）MBH0是一普遍关系式，以可写成：2）的单位是A/m（SI制）HMHB00三各向同性的磁介质HMmMBH0HB介质的磁导率介质的磁化率—mHBm0H)(Bm10r0MHB00令：称为相对磁导率mr1电介质中的高斯定理磁介质中的安培环路定理SiSqqSdE)('01LsLLIIldB000ldMIldBLLL00LLIldMB)(0MBH0LLIldH0SSSSdPqSdE0011SSqSdPE)(0PED0VeSdVSdDE)(De01EEDr0称为相对电容率或相对介电常量r之间的关系EDP、、)(er1EPe0HMm之间的关系M,H,BMBH0PED0H)(Bm10)(mr1HHBr0r称为相对磁导率r0磁导率例1一环形螺线管，管内充满磁导率为μ，相对磁导率为μr的顺磁质。环的横截面半径远小于环的半径。单位长度上的导线匝数为n。求：环内的磁场强度和磁感应强度rHldHL2NIrNIH2nIHHBr0rO解：例2一无限长载流圆柱体，通有电流I，设电流I均匀分布在整个横截面上。柱体的磁导率为μ，柱外为真空。求：柱内外各区域的磁场强度和磁感应强度。解：IR0IrHRrrHldHL2IIRr2222RIrH22RIrB在分界面上H连续,B不连续RrIrH2rIH2rIB20IR0HrHRrRI2OBRrRI2ORI20练习一磁导率为1的无限长圆柱形直导线，半径为R1，其中均匀地通有电流I。在导线外包一层磁导率为2的圆柱形不导电的磁介质，其外半径为R2，如图所示。求磁场强度和磁感应强度的分布。21IR2R1解：由安培环路定律iLIldHiIrH221IR2R11Rr212RIrH2112RIrB21RrRrIH2rIB222RrrIH2rIB20无限长直电流的磁场圆电流中心的磁场长螺线管电流中部的磁场环形长螺线管中部的磁场aIH21RNIH2nIHnIH无限大均匀磁介质中磁场的毕-沙伐定律34rrlIdBdllrrlIdBdB34静电场与静磁场的比较静电场静磁场（稳恒磁场）0IldHL0ldEL0qSdDS0SdBSDEHB对应量EBDH1高斯定理环路定理性质方程测量磁滞回线的实验装置05101520磁强计A测量H测量B的探头（霍尔元件）电阻电流表螺绕环铁环狭缝换向开关一铁磁质的磁化规律12-3铁磁质1、磁化曲线RNIH2磁强计测量B,如用感应电动势测量或用小线圈在缝口处测量；H~rHBor由得出曲线铁磁质的不一定是个常数，它是的函数Hr原理:励磁电流I;用安培定理得HH~rH~BHr,B05101520磁强计A铁磁质的磁化规律BHo.1..2.ca初始磁化曲线饱和磁感应强度BssBsBsH.rBbrB剩余磁感应强度.ccHcH矫顽力.dsBcH..rBe磁滞回线磁滞现象：B滞后于H的变化2、磁滞回线初始磁化曲线a..bcdBOH..SBSHe..rBfCHSB.SH矫顽力CH饱和磁感应强度磁滞回线剩磁rBHBcHcHrBSBB的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应。每个H对应不同的B与磁化的历史有关。磁滞回线--不可逆过程在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高的磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。（1）根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的“交换耦合作用”，使得在无外磁场作用时，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列，形成自发磁化达到饱和状态的微小区域。这些区域称为“磁畴”多晶磁畴结构示意图二、铁磁质内的磁畴结构（2）在外磁场作用下，磁畴发生变化。分两步：A外磁场较弱时，凡磁矩方向与外磁场相同或相近的磁畴都要扩大（畴壁向外移动）。B外磁场较强时，每个磁畴的磁矩方向都程度不同地向外磁场方向靠拢（即取向）。外磁场越强，取向作用也越强。此上两种变化都导致单位物理小体积内磁矩矢量和（即磁化强度M从零逐渐增大，其方向与外场相同。外磁场越强，M也越强，这便是起始磁化曲线的成因。当再加外磁场时，M不再增加，磁化达到饱和。（3）畴壁的外移及磁畴磁矩的取向是不可逆的，当外磁场减弱或消失时磁畴不按原来变化规律逆着退回原状。这解释了磁滞的原因。（4）既然磁畴起因于电子自旋磁矩的自发有序排列，而热运动是有序排列的破坏者，因而当温度高于某一临界时，磁畴就不复存在，铁磁质就变为普通顺磁质。这一临界温度叫居里点。把一块有剩磁的铁磁质加热至居里点以上再冷却，其剩磁会完全消失。顺磁性来自分子的固有磁矩。抗磁性起因于电子的轨道运动在外磁场作用的变化。铁磁性起因于电子自旋磁矩的自发有序排列。例如，铁的居里点是1043K。三种磁介质起因的比较3.有剩磁、磁饱和及磁滞现象。铁磁质的特性2.有很大的磁导率。放入线圈中时可以使磁场增强102~104倍。4.温度超过居里点时，铁磁质转变为顺磁质。1.磁导率μ不是一个常量，它的值不仅决定于原线圈中的电流，还决定于铁磁质样品磁化的历史。B和H不是线性关系。三铁磁质的应用软磁材料作变压器的。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（HdB面积小）。还用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。(1)软磁材料cHcHHB(2)硬磁材料——作永久磁铁钨钢，碳钢，铝镍钴合金(3)矩磁材料——作存储元件Br=BS，Hc不大，磁滞回线是矩形。用于记忆元件，当+脉冲产生HHC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。矫顽力(Hc)大（102A/m)，剩磁Br大磁滞回线的面积大，损耗大。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。锰镁铁氧体，锂锰铁氧体HCHCHBHBCHCH