第九章磁介質(zhì)電磁學(xué)ppt課件

1、第第9 9章章 磁場中的磁介質(zhì)磁場中的磁介質(zhì) 本章研究把磁介質(zhì)引進(jìn)磁場本章研究把磁介質(zhì)引進(jìn)磁場后磁場與磁介質(zhì)的相互作用及有后磁場與磁介質(zhì)的相互作用及有磁介質(zhì)存在時(shí)磁場的計(jì)算問題。磁介質(zhì)存在時(shí)磁場的計(jì)算問題。第第9 9章章 磁場中的磁介質(zhì)磁場中的磁介質(zhì)一、磁介質(zhì)磁化規(guī)律一、磁介質(zhì)磁化規(guī)律二、有磁介質(zhì)時(shí)磁場的計(jì)算二、有磁介質(zhì)時(shí)磁場的計(jì)算三、鐵磁質(zhì)三、鐵磁質(zhì)電極化現(xiàn)象電極化現(xiàn)象的關(guān)系與EP)(l qpePEPr) 1(0,0PED)(ED磁化現(xiàn)象磁化現(xiàn)象)(S ipmM的關(guān)系與BM,0MBH)(BH DH0.qSdDS0.Il dHS緣由緣由緣由緣由BrrM01一、磁介質(zhì)磁化規(guī)律一、磁介質(zhì)磁化規(guī)律磁

2、介質(zhì)與磁場有相互作用的物質(zhì)磁介質(zhì)與磁場有相互作用的物質(zhì)(所有物質(zhì)所有物質(zhì))。磁介質(zhì)的磁化規(guī)律可與電介質(zhì)的極化規(guī)律對比：磁介質(zhì)的磁化規(guī)律可與電介質(zhì)的極化規(guī)律對比：0EE0B0EEE0BBBB(與與B0同向或反向同向或反向)磁化電流磁化電流I極化電荷極化電荷q電極化電極化磁化磁化1. 磁介質(zhì)的磁化磁介質(zhì)的磁化 磁化現(xiàn)象磁化現(xiàn)象-外磁場外磁場 下下, ,外表外表, ,磁化電流磁化電流I I, ,磁性磁性0B0BII（實(shí)驗(yàn)規(guī)律）0BBr磁介質(zhì)對磁場的影響磁介質(zhì)對磁場的影響 磁介質(zhì)分類：順磁質(zhì)、抗磁質(zhì)、鐵磁質(zhì)磁介質(zhì)分類：順磁質(zhì)、抗磁質(zhì)、鐵磁質(zhì) 順磁質(zhì)，順磁質(zhì)， 抗磁質(zhì)，抗磁質(zhì)， 鐵磁質(zhì)，鐵磁質(zhì)，BB0

3、(鋁、錳、鉑）鋁、錳、鉑）BB0 （純鐵、硅鋼）（純鐵、硅鋼）,1r,1r磁介質(zhì)對磁場的影響來源于其內(nèi)部機(jī)制。磁介質(zhì)對磁場的影響來源于其內(nèi)部機(jī)制。（實(shí)驗(yàn)規(guī)律）0BBr磁介質(zhì)對磁場的影響磁介質(zhì)對磁場的影響某些磁介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率見書某些磁介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率見書 P 287 表表9.12. 原子的磁距原子的磁距電子的磁矩電子的磁矩ISm電子的軌道運(yùn)動電流電子的軌道運(yùn)動電流reI2v 222rerremvv 軌道磁矩軌道磁矩電子軌道運(yùn)動的角動量電子軌道運(yùn)動的角動量rmLev 電子軌道磁矩與軌道角動量的關(guān)系：電子軌道磁矩與軌道角動量的關(guān)系：Lmeme2 Smeme 電子自旋磁矩和自旋角動量電子自旋磁矩和自

4、旋角動量 S 的關(guān)系：的關(guān)系：2. 磁化原因磁化原因 順磁質(zhì)的磁化順磁質(zhì)的磁化 順磁質(zhì)分子有固有的分子磁矩主要是電子順磁質(zhì)分子有固有的分子磁矩主要是電子 m分分 10-23Am2。00 B熱運(yùn)動使熱運(yùn)動使 完全完全分分m00 B顯現(xiàn)磁性。顯現(xiàn)磁性。方向方向,0B排列趨于排列趨于使使分分0mB混亂，不顯磁性?；靵y，不顯磁性。軌道和自旋磁矩的貢獻(xiàn)），軌道和自旋磁矩的貢獻(xiàn)），抗磁質(zhì)的磁化抗磁質(zhì)的磁化抗磁質(zhì)的分子固有磁矩為抗磁質(zhì)的分子固有磁矩為 0。00 B不顯磁性不顯磁性 ，分分 0 m 0B分分m附加磁矩附加磁矩 0B顯示抗磁性顯示抗磁性矩方向都相同，圓柱體上環(huán)電流形成磁長為截面lS 磁化強(qiáng)度與磁

5、化電流的關(guān)系磁化強(qiáng)度與磁化電流的關(guān)系nMi等于沿軸線單位長度上的磁化電流。等于沿軸線單位長度上的磁化電流。i 即磁化電流密度等于磁即磁化電流密度等于磁化強(qiáng)度沿該表面處的分量。化強(qiáng)度沿該表面處的分量。當(dāng)磁化強(qiáng)度與介質(zhì)表面不平行時(shí)當(dāng)磁化強(qiáng)度與介質(zhì)表面不平行時(shí)iLLiLILSSIVSIMSISimPim總磁矩cossinMMiBMLSBMn 磁化強(qiáng)度的環(huán)流磁化強(qiáng)度的環(huán)流dacdbcabl dMl dMl dMl dMl dM000_abibaMIIldMl 磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度 M 沿閉合回路的沿閉合回路的線積分等于該回路包圍的磁化電線積分等于該回路包圍的磁化電流代數(shù)和。流代數(shù)和。二、有磁介質(zhì)時(shí)磁場的計(jì)

6、算二、有磁介質(zhì)時(shí)磁場的計(jì)算真空中真空中 IldB0介質(zhì)中介質(zhì)中)(00IIldB II0總磁場總磁場IIldB00)(1ldMI000)( IldMB 0MBH為磁場強(qiáng)度為磁場強(qiáng)度 ， 單位：安單位：安/米米 BBB0式中：式中：為穿過回路的總電流為穿過回路的總電流定義定義1. H的環(huán)路定理的環(huán)路定理0 Il dH 磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度 對回路對回路 l 的線積分等于穿過該回的線積分等于穿過該回 傳導(dǎo)電流的代數(shù)和傳導(dǎo)電流的代數(shù)和 (有介質(zhì)存在時(shí)的環(huán)路定理有介質(zhì)存在時(shí)的環(huán)路定理)。H穿過回路傳導(dǎo)電流代數(shù)和穿過回路傳導(dǎo)電流代數(shù)和:0I對各向同性的順磁質(zhì)或抗磁質(zhì)，有對各向同性的順磁質(zhì)或抗磁質(zhì)，有, HM

7、HMmm磁化率磁化率MHB00 )(MH 0)(HHm 0Hm)( 10Hr0 H , mr 1. r0 HHBr0 2. B與與H的關(guān)系的關(guān)系 0MBH依據(jù)真空中真空中0M 00MBH，由，由得得HB00或或oBH0若傳導(dǎo)電流保持不變，則真空中和介質(zhì)中的若傳導(dǎo)電流保持不變，則真空中和介質(zhì)中的H相等，相等， 故在介質(zhì)中有故在介質(zhì)中有000BBHBr磁力線是閉合曲線BBB00)(0SdBBSdB有介質(zhì)時(shí)的高斯定律有介質(zhì)時(shí)的高斯定律3. 有介質(zhì)時(shí)的高斯定律有介質(zhì)時(shí)的高斯定律有介質(zhì)存在時(shí)有介質(zhì)存在時(shí)B的求法：的求法：1. 根據(jù)傳導(dǎo)電流的分布，分析磁場的對稱性；根據(jù)傳導(dǎo)電流的分布，分析磁場的對稱性；2

8、. 選取合適的積分環(huán)路，使選取合適的積分環(huán)路，使H從積分號提出來；從積分號提出來；3. 計(jì)算傳導(dǎo)電流代數(shù)和，由計(jì)算傳導(dǎo)電流代數(shù)和，由H環(huán)路定理求出環(huán)路定理求出H；4. 根據(jù)根據(jù)B與與H的關(guān)系求的關(guān)系求B。例例1 一鐵環(huán)中心線周長一鐵環(huán)中心線周長=30cm,橫截面橫截面S=1.0cm2,環(huán)上密繞環(huán)上密繞N=300 匝的線圈匝的線圈,當(dāng)導(dǎo)線中當(dāng)導(dǎo)線中電流電流I=32mA時(shí)時(shí),通過環(huán)截面的磁通通過環(huán)截面的磁通=210-6wb, 試求鐵芯的磁化率試求鐵芯的磁化率Xm. 解解做一個(gè)環(huán)路做一個(gè)環(huán)路abcda0Il dHmALNIHabLNIabH/32TsB2102abcdAmTHB/1025. 6/44

9、9610m分析：分析：HBm 例例2 2 一細(xì)螺繞環(huán)，它由表面絕緣的導(dǎo)線在鐵環(huán)一細(xì)螺繞環(huán)，它由表面絕緣的導(dǎo)線在鐵環(huán)上密繞而成，每厘米繞上密繞而成，每厘米繞1010匝。匝。I=2AI=2A時(shí)，測得環(huán)內(nèi)時(shí)，測得環(huán)內(nèi)B B為為1.0T1.0T，則鐵環(huán)的相對磁導(dǎo)率，則鐵環(huán)的相對磁導(dǎo)率r r為為 (A)796 (B)398 (C)199 (D)63.3 (A)796 (B)398 (C)199 (D)63.3 411000 25 10 T m/ABnI 0398r 例例3 同軸電纜由一導(dǎo)體圓柱同軸電纜由一導(dǎo)體圓柱(半徑為半徑為a)和同軸導(dǎo)體和同軸導(dǎo)體園管園管(內(nèi)外半徑為內(nèi)外半徑為b、c)構(gòu)成，二者之間充

10、滿構(gòu)成，二者之間充滿磁磁介質(zhì)，電流介質(zhì)，電流I從導(dǎo)體圓柱流去，從導(dǎo)體管流回，求從導(dǎo)體圓柱流去，從導(dǎo)體管流回，求磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。解解 電流軸向分布，磁力線為同心圓。電流軸向分布，磁力線為同心圓。 選磁力線為積分環(huán)路選磁力線為積分環(huán)路12LrHldH1L對所有磁力線環(huán)路成立對所有磁力線環(huán)路成立1L3L2L12LrHldH22LrHldH32LrHldH閉合環(huán)路包圍的傳導(dǎo)電流閉合環(huán)路包圍的傳導(dǎo)電流iI)(3222LarIraI對)(2LI對)()(122222222LbcrcIbrbcII對)(0對電纜外1L3L2L有根據(jù)0 Il dHrIHi2)(22圓柱體內(nèi)aIr)(2圓柱體與管

11、之間rI)(22222導(dǎo)體管內(nèi)bcrcrI)(0對電纜外BHHBr可求出由0 HB)(220圓柱體內(nèi)aIr)(2圓柱體與管之間rI)(222220導(dǎo)體管內(nèi)bcrcrI)(0對電纜外 線 測 變曲，繪出，改BHBI(1) 起始磁化曲線起始磁化曲線(2)Hr曲線曲線 r 隨隨H變化變化三、三、 鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)1. 鐵磁質(zhì)的磁化特性鐵磁質(zhì)的磁化特性 B= H, = 0 r 恒量恒量, 可以很大可以很大 H 時(shí)時(shí), B , 飽和飽和Bs(3) 磁滯回線磁滯回線 當(dāng)溫度高到某一特定溫度值時(shí)當(dāng)溫度高到某一特定溫度值時(shí),鐵磁材料的鐵磁材料的所有特性消失而成為順磁質(zhì)所有特性消失而成為順磁質(zhì) ,這一臨界溫度叫這一

12、臨界溫度叫作居里點(diǎn)。作居里點(diǎn)。 鐵磁質(zhì)中鐵磁質(zhì)中 B 的變化總是的變化總是落后于外加磁場落后于外加磁場 H 變化變化,即即H=0時(shí)時(shí),B0的剩磁現(xiàn)象稱的剩磁現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。為磁滯現(xiàn)象。 退掉剩磁需要矯頑力。退掉剩磁需要矯頑力。 磁滯回線說明鐵磁質(zhì)的磁滯回線說明鐵磁質(zhì)的B與與H的關(guān)系是非的關(guān)系是非線性的線性的,與磁化歷史有關(guān)與磁化歷史有關(guān).Br : 剩磁 Hc : 矯頑力2. 鐵磁質(zhì)的磁化機(jī)理鐵磁質(zhì)的磁化機(jī)理 磁疇理論磁疇理論當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，00 B(1) 磁疇磁疇 在磁介質(zhì)內(nèi)形成的一個(gè)個(gè)在磁介質(zhì)內(nèi)形成的一個(gè)個(gè)微小的自發(fā)磁化區(qū)域。在每個(gè)微小的自發(fā)磁化區(qū)域。在每個(gè)小區(qū)域內(nèi)小區(qū)域內(nèi),原子磁矩排列整齊

13、原子磁矩排列整齊,取向相同取向相同,因而具有很強(qiáng)磁性。因而具有很強(qiáng)磁性。(2) 磁疇理論磁疇理論磁疇取向雜亂無章磁疇取向雜亂無章,不顯磁性不顯磁性.當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，00B每個(gè)磁疇的磁矩都沿每個(gè)磁疇的磁矩都沿B0方向方向, 宏觀上顯示很強(qiáng)的附加磁場。宏觀上顯示很強(qiáng)的附加磁場。各種材料磁疇線度相差較大：各種材料磁疇線度相差較大：磁疇體積約為磁疇體積約為10-6(mm)3，一個(gè)磁疇中約有一個(gè)磁疇中約有10121015個(gè)原子。個(gè)原子。磁疇磁矩沿某個(gè)易磁化方向磁疇磁矩沿某個(gè)易磁化方向(direction of easy所有的磁疇為什么不形成一個(gè)磁化整體呢？所有的磁疇為什么不形成一個(gè)磁化整體呢？NSNS靜磁

14、能高靜磁能高交換能低交換能低NSSN靜磁能低靜磁能低交換能高交換能高 矛盾因素協(xié)調(diào)平矛盾因素協(xié)調(diào)平衡，才使鐵磁體衡，才使鐵磁體整體能量最低。整體能量最低。從從10-3m 到到10-6m，一般為一般為10-410-5m，magnetization)陳列。陳列。 易磁化方向由晶體結(jié)構(gòu)決定。易磁化方向由晶體結(jié)構(gòu)決定。3 . 硬磁和軟磁材料硬磁和軟磁材料 硬磁材料硬磁材料 （hard magnetic material）特點(diǎn)：特點(diǎn)：磁滯損耗大，磁滯損耗大，適合制作永久磁鐵、適合制作永久磁鐵、碳鋼、鎢鋼碳鋼、鎢鋼HHcBBBr 也大，也大，磁芯記憶元件等。磁芯記憶元件等。Hc大大（102A/m），），

15、一般一般Hc 為為104-106A/m，一般為一般為103-104 G。磁滯回線磁滯回線“胖胖”， “矩磁材料矩磁材料”BBrHc H-Hc-BrBr-Br“0” “1”可作記憶元件可作記憶元件 軟磁材料軟磁材料soft magnetic material ）Hc小（?。?02A/m），）， 磁滯回線磁滯回線“瘦瘦”，磁滯損耗小，磁滯損耗小，適于制作交流適于制作交流電磁鐵、變壓電磁鐵、變壓器鐵芯等。器鐵芯等。純鐵、硅鋼純鐵、硅鋼 HBHcBr大大m 坡莫合金坡莫合金(Fe78%、Ni 22%)用于電子設(shè)備用于電子設(shè)備HBBrHc大大i 特點(diǎn)：特點(diǎn)：一般約一般約Hc 為為1A/m 。3.居里點(diǎn)居

16、里點(diǎn)Curie point） 磁磁疇疇MT（自發(fā)磁化減弱）（自發(fā)磁化減弱）0 磁疇磁疇MTTc（磁疇瓦解，表現(xiàn)順磁性）（磁疇瓦解，表現(xiàn)順磁性）Tc是失去鐵磁性的臨界溫度，稱是失去鐵磁性的臨界溫度，稱“居里點(diǎn)居里點(diǎn)”。時(shí)時(shí)，又又恢恢復(fù)復(fù)鐵鐵磁磁性性。當(dāng)當(dāng)cTT Fe ：Tc = 767Ni ：Tc = 357 Co ：Tc = 11174 . 磁致伸縮磁致伸縮方向改變方向改變變變磁疇磁疇MB晶格間距改變晶格間距改變鐵鐵磁磁體體長長度度和和體體積積改改變變 磁致伸縮。磁致伸縮。長度相對改變約長度相對改變約10-5量級，量級，溫下可達(dá)溫下可達(dá)10 -1；某些材料在低某些材料在低磁致伸縮有一定固有頻率

17、，磁致伸縮有一定固有頻率，化頻率和固有頻率一致時(shí)，發(fā)生共振，化頻率和固有頻率一致時(shí)，發(fā)生共振，當(dāng)外磁場變當(dāng)外磁場變可用于制作激振器、超聲波發(fā)生器等?？捎糜谥谱骷ふ衿?、超聲波發(fā)生器等。靜電場與穩(wěn)磁場比較靜電場與穩(wěn)磁場比較靜電場靜電場穩(wěn)恒磁場穩(wěn)恒磁場場源場源靜止電荷靜止電荷dq定常運(yùn)動電荷定常運(yùn)動電荷穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流 Idl 場力場力靜電力靜電力穩(wěn)流導(dǎo)線互作用穩(wěn)流導(dǎo)線互作用 運(yùn)動電荷互作用運(yùn)動電荷互作用電場強(qiáng)度電場強(qiáng)度E磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度BnSIpm00qFE庫侖定律庫侖定律安培力定律安培力定律典型場源典型場源 電偶極子電偶極子圓電流圓電流lqpBvqF 基本規(guī)律基本規(guī)律 物理量物理量小結(jié)小結(jié)靜

18、電場靜電場穩(wěn)恒磁場穩(wěn)恒磁場通量通量seSdE )(SmSdB高斯定律高斯定律真空中：真空中：S S內(nèi)內(nèi)iSqSdE010 )(SSdB介質(zhì)中：介質(zhì)中：0qsdD真空中：真空中：介質(zhì)中：介質(zhì)中：電力線電力線:有源有尾有源有尾磁感應(yīng)線磁感應(yīng)線:閉合線閉合線場本質(zhì)場本質(zhì)有源場有源場, 無旋場無旋場有旋場有旋場, 無源場無源場全部電荷代數(shù)和全部電荷代數(shù)和自由電荷代數(shù)和自由電荷代數(shù)和0SdH靜電場靜電場穩(wěn)恒磁場穩(wěn)恒磁場場環(huán)流場環(huán)流)(0包圍lilIl dB介質(zhì)介質(zhì)兩種極化機(jī)制，兩種極化機(jī)制，多種磁化機(jī)制，多種磁化機(jī)制，束縛電荷，束縛電荷，分子電流分子電流,VpPiVmMmiSjMcoscosp介質(zhì)中介質(zhì)中環(huán)流定理環(huán)