普通物理學(xué)14磁場(chǎng)中的磁介質(zhì)課件

1、第14章 磁場(chǎng)中的磁介質(zhì)114.1 磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響14.2 原子的磁矩14.3 磁介質(zhì)的磁化14.4 磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理14.5 鐵磁質(zhì)14.6 簡(jiǎn)單磁路本章主要內(nèi)容2基本要求1. 了解磁介質(zhì)的磁化現(xiàn)象及其微觀(guān)解釋。2. 了解各向同性介質(zhì)中磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)3. 了解鐵磁質(zhì)的特性。度的聯(lián)系和區(qū)別，了解磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理。314.1 磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響1. 磁介質(zhì) 在考慮物質(zhì)受磁場(chǎng)的影響或它對(duì)磁場(chǎng) 的影響時(shí)，物質(zhì)統(tǒng)稱(chēng)為磁介質(zhì)。2. 磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響B(tài)0：管內(nèi)為真空或空氣時(shí) 的磁感應(yīng)強(qiáng)度磁介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率銅鋁純鐵B：管內(nèi)充滿(mǎn)磁介質(zhì)時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度43. 磁介質(zhì)的分類(lèi)順磁質(zhì)抗磁質(zhì)減弱原場(chǎng)

2、增強(qiáng)原場(chǎng)如 鋅、銅、水銀、鉛等如 錳、鉻、鉑、氧等弱磁性物質(zhì)順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率都非常接近于1。鐵磁質(zhì)通常不是常數(shù)具有顯著的增強(qiáng)原磁場(chǎng)的性質(zhì)如 純鐵、硅鋼、坡莫合金等514.2 原子的磁矩閉合電流的磁矩：在外磁場(chǎng)中受到的磁力矩：核外電子軌道運(yùn)動(dòng)：r v，估算磁矩大小。 經(jīng)典理論：原子內(nèi)電子軌道運(yùn)動(dòng)形成的電流：電子軌道運(yùn)動(dòng)的磁矩：電子軌道運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量：電子的軌道磁矩：6分子磁矩可用一個(gè)等效的圓電流I（分子電流）來(lái)表示。Im 分子磁矩 電子的軌道磁矩電子的自旋磁矩 核的自旋磁矩矢量和 分子在正常情況下，其磁矩的矢量和不為零， 分子在正常情況下，其磁矩的矢量和為零，即分子固有磁矩為零。磁介質(zhì)順

3、磁質(zhì)：分子固有磁矩?？勾刨|(zhì)：71. 順磁質(zhì)有外場(chǎng)：磁矩轉(zhuǎn)向，磁化。分子固有磁矩不為零取向無(wú)規(guī)則，不顯示磁性。無(wú)外場(chǎng)：8電子軌道半徑不變外場(chǎng)方向與電子軌道磁矩方向相反：外場(chǎng)方向與電子軌道磁矩方向相同：2. 抗磁質(zhì)結(jié)論：在外磁場(chǎng)作用下，電子的軌道運(yùn)動(dòng)和自旋運(yùn)動(dòng)以及原子核的自旋運(yùn)動(dòng)都會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生一附加磁矩 ，附加磁矩總是與外磁場(chǎng) 方向相反。注：順磁質(zhì)也有抗磁效應(yīng)，但較順磁效應(yīng)小得多。+感生磁矩?zé)o外場(chǎng)：不顯示磁性有外場(chǎng)：914.3 磁介質(zhì)的磁化一、磁介質(zhì)的磁化二、磁化強(qiáng)度三、磁化強(qiáng)度與束縛電流10一、磁介質(zhì)的磁化順磁質(zhì)磁介質(zhì)的磁化：磁介質(zhì)放到外磁場(chǎng)中時(shí)，在磁介質(zhì)的表面出現(xiàn)束縛電流的現(xiàn)象。順磁質(zhì)的束

4、縛電流的方向與外磁場(chǎng)的方向符合右手螺旋關(guān)系，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)要加強(qiáng)磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)；抗磁質(zhì)的束縛電流的方向與外磁場(chǎng)的方向符合左手螺旋關(guān)系，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)要減弱磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)；順磁質(zhì)放到外磁場(chǎng)中時(shí)，它的分子的固有磁矩要沿著磁場(chǎng)方向取向；抗磁質(zhì)放到外磁場(chǎng)中時(shí)，它的分子要產(chǎn)生感生磁矩。束縛電流（或磁化電流）：磁介質(zhì)放到外磁場(chǎng)中時(shí)，在磁介質(zhì)的表面出現(xiàn)一電流。11二、磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)分子磁矩的矢量和實(shí)驗(yàn)給出：在一般實(shí)驗(yàn)條件下，各向同性的順磁質(zhì)或抗磁質(zhì)（以及鐵磁質(zhì)在磁場(chǎng)較弱時(shí)）的磁化強(qiáng)度都和外磁場(chǎng)成正比，即：真空磁導(dǎo)率：相對(duì)磁導(dǎo)率：磁導(dǎo)率，單位與 相同 磁化強(qiáng)度越強(qiáng)，說(shuō)明磁介質(zhì)磁化程度越強(qiáng)(A/m)1

5、2三、磁化強(qiáng)度與束縛電流dlL 只有環(huán)繞曲線(xiàn)L的分子電流才對(duì)通過(guò)曲面S的電流強(qiáng)度I有貢獻(xiàn)。先計(jì)算環(huán)繞dl的分子電流對(duì)I的貢獻(xiàn)。 以dl為母線(xiàn)作一斜圓柱體，其兩底與分子電流所在平面平行，底的半徑等于分子電流的半徑a 。只有中心處在該斜圓柱體的分子電流才環(huán)繞dl，S閉合路徑L包圍（通過(guò)曲面S）的總束縛電流：以n表示單位體積的分子數(shù)1314.4 磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理 磁場(chǎng)強(qiáng)度穩(wěn)恒磁場(chǎng)、磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理： 磁場(chǎng)強(qiáng)度沿任何閉合回路的線(xiàn)積分，等于該回路所包圍的自由電流的代數(shù)和。14 磁介質(zhì)的磁化率和 關(guān)系的進(jìn)一步推導(dǎo)：15說(shuō) 明1、在國(guó)際單位制中，磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位為A/m。 2

6、、引入磁場(chǎng)強(qiáng)度后，安培環(huán)路定律的右邊只包含自 由電流，便于計(jì)算。 3、磁場(chǎng)強(qiáng)度僅僅是一個(gè)輔助量，真正有意義的是磁感應(yīng)強(qiáng)度。討論：實(shí)驗(yàn)表明，在各向同性均勻磁介質(zhì)中， 和 成正比。16例14.1 同軸電纜由兩同心導(dǎo)體組成，內(nèi)層是半徑為R1的導(dǎo)體圓柱，外層是半徑分別為R2、R3的導(dǎo)體圓筒。兩導(dǎo)體內(nèi)電流等量而反向，均勻分布在橫截面上，導(dǎo)體的相對(duì)磁導(dǎo)率為 r1，兩導(dǎo)體間充滿(mǎn)相對(duì)磁導(dǎo)率為 r2的不導(dǎo)電的均勻磁介質(zhì)。試求在各區(qū)域中的B分布。解：由安培環(huán)路定理，取半徑為r的環(huán)路，則：17例14.2 一無(wú)限長(zhǎng)直螺線(xiàn)管，單位長(zhǎng)度上的匝數(shù)為n，螺線(xiàn)管內(nèi)充滿(mǎn)相對(duì)磁導(dǎo)率為 r 的均勻介質(zhì)。導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)通電流I，求管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)

7、度。解:安培環(huán)路定理 BcabdlHP1814.5 鐵磁質(zhì)一、磁化曲線(xiàn)二、磁滯回線(xiàn)三、鐵磁質(zhì)的宏觀(guān)性質(zhì)四、鐵磁性材料五、鐵磁質(zhì)的微觀(guān)結(jié)構(gòu) 磁疇19鐵、鈷、鎳和它們的一些合金、稀土族金屬（在低溫下）等具有明顯而特殊的磁性： 它們的相對(duì)磁導(dǎo)率都比較大，且隨B的大小而變化。 都有明顯的磁滯效應(yīng)。 I由求出H，再由其他方法測(cè)出B，做B-H (或M-H)曲線(xiàn)20一、磁化曲線(xiàn)（B或M隨H變化的曲線(xiàn)）BH和rH曲線(xiàn)是非線(xiàn)性關(guān)系max 飽和磁感強(qiáng)度OMNPOr=B/0H從試樣完全沒(méi)有磁化開(kāi)始，逐漸增大H，做出的H曲線(xiàn)叫初始磁化曲線(xiàn)21 當(dāng)鐵磁質(zhì)到達(dá)飽和后，慢慢減小H值，B并不沿最初磁化曲線(xiàn)逐慚減小，即鐵磁質(zhì)的

8、磁化過(guò)程并不是可逆的。磁滯回線(xiàn)從此曲線(xiàn)看，B的變化總落后于H的變化，這種現(xiàn)象叫磁滯效應(yīng)。 注意： 各種鐵磁質(zhì)都有一臨界溫度，稱(chēng)居里點(diǎn)（居里溫度），在這溫度以上的鐵磁質(zhì)失去鐵磁性變?yōu)轫槾刨|(zhì)。二、磁滯回線(xiàn)22退磁方法：3. 加交變衰減的磁場(chǎng)使介質(zhì)中的磁場(chǎng)逐漸衰減為 0 ，應(yīng)用在錄音機(jī)中的交流抹音磁頭中。BHoctHo1. 升高溫度，達(dá)到居里溫度以上。2. 加反向磁場(chǎng)：提供矯頑力。4. 敲擊法：通過(guò)振動(dòng)提供使磁疇瓦解的能量。23三、鐵磁質(zhì)的宏觀(guān)性質(zhì)1. 可使原磁場(chǎng)大幅度增加2. 與磁化歷史有關(guān) B-H 非線(xiàn)性3. 磁滯現(xiàn)象4. 居里溫度四、鐵磁性材料軟磁材料：易于磁化，易于退磁，制作電磁鐵，變壓器硬

9、磁材料：BH0軟磁BH0硬磁大，Bmax大， Hc小，磁滯回線(xiàn)窄Br大， Hc大，磁滯回線(xiàn)寬，制作永磁體24 電子的自旋磁矩在一些小區(qū)域自發(fā)的整齊排列，形成自發(fā)磁化的小區(qū)域，稱(chēng)為磁疇。線(xiàn)度在10-4m。無(wú) 整個(gè)鐵磁質(zhì)的總磁矩為零（未經(jīng)磁化的鐵磁質(zhì)）無(wú)外磁場(chǎng)五、鐵磁質(zhì)的微觀(guān)結(jié)構(gòu) 磁疇25有外磁場(chǎng)磁化方向與有同向的磁疇擴(kuò)大磁化方向轉(zhuǎn)向的方向26導(dǎo) 體 半導(dǎo)體 絕緣體鐵磁質(zhì) 順磁質(zhì) 抗磁質(zhì)電介質(zhì)：極化無(wú)磁荷輔助量輔助量I0Q0磁介質(zhì)：磁化磁 場(chǎng) 與 電 場(chǎng) 比 較 基本場(chǎng)量有電荷基本場(chǎng)量27磁路 ：由鐵心（或一定的間隙）構(gòu)成的磁感線(xiàn)集中 的通路。14.6 簡(jiǎn)單磁路28例14.3 如圖示鐵環(huán)，設(shè)環(huán)的長(zhǎng)度為l=0.5m，s=410-4m2，環(huán)的間隙寬度為1.0mm，環(huán)上繞有線(xiàn)圈N=200匝，線(xiàn)圈中的電流為0.5