《電磁學(xué)》第6章 第6.3 介質(zhì)的磁化規(guī)律(2學(xué)時(shí))

華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)系Email：zllin@林志立《電磁學(xué)》第六章磁介質(zhì)（6學(xué)時(shí)）QQ群：200310752內(nèi)容概要第六章磁介質(zhì)（6學(xué)時(shí)）§6.1分子電流觀點(diǎn)（1學(xué)時(shí)）*§6.2等效的磁荷觀點(diǎn)（自學(xué)）§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律（2學(xué)時(shí)）§6.4邊界條件和磁路定理（2學(xué)時(shí)）§6.5磁場(chǎng)的能量和能量密度（1學(xué)時(shí)）§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.1磁化率和磁導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)表明：各向同性非鐵磁質(zhì)中每點(diǎn)

與成線性關(guān)系，

其中為磁介質(zhì)的磁化率，反映介質(zhì)內(nèi)每點(diǎn)處的磁特性。（1）磁化規(guī)律§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.1磁化率和磁導(dǎo)率（2）將代入可得：

一些教材寫為一些教材寫為在一般情況下均成立；而僅在線性磁介質(zhì)

中成立。說明(2)§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.1磁化率和磁導(dǎo)率（2）應(yīng)用：將和結(jié)合，可求解對(duì)稱、特殊分布的磁介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的磁場(chǎng)問題。[例1]充滿各向同性均勻磁介質(zhì)的螺繞環(huán)中的磁場(chǎng)填充磁介質(zhì)后，磁場(chǎng)被放大了μ倍。μ§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.1磁化率和磁導(dǎo)率[例2]軸對(duì)稱系統(tǒng)無限長金屬載流線，半徑為r0，電流強(qiáng)度為I0，外部包裹有各向同性均勻磁介質(zhì)，磁導(dǎo)率為，半徑為R，求B的空間分布?！?.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.1磁化率和磁導(dǎo)率[例3]介質(zhì)中閉合回路L所套連的磁化電流為：證明：L任取，且可無限縮小，故I0

=0處I=0L磁介質(zhì)若無傳導(dǎo)電流處，也無磁化電流。試證明在各向同性均勻磁介質(zhì)內(nèi)部，§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.2順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)（1）磁介質(zhì)分類順磁質(zhì)抗磁質(zhì)§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律鐵磁質(zhì)抗磁質(zhì)順磁質(zhì)6.3.2順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律抗磁質(zhì)(m分子＝0）磁化微觀機(jī)制順磁質(zhì)（

m分子≠0）磁化微觀機(jī)制（2）弱磁質(zhì)磁化的微觀機(jī)制（a）分子無固有磁矩，組成抗磁質(zhì)的物質(zhì)分子磁矩：（b）電子軌道磁矩對(duì)外磁場(chǎng)的響應(yīng)（簡單說明）在順磁性物質(zhì)中，分子具有固有磁矩。無外磁場(chǎng)時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)，各分子磁矩的取向無規(guī)，在每個(gè)宏觀體積元內(nèi)合成的磁矩為0，不產(chǎn)生磁場(chǎng)。在外磁場(chǎng)中每個(gè)分子磁矩受到一個(gè)力矩，各分子磁矩在一定程度上沿外場(chǎng)排列起來，產(chǎn)生磁化磁場(chǎng)。溫度高，磁性下降。6.3.2順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律外加磁場(chǎng)B0→fL（與f庫倫同向）→f向心增加→軌道線速度V增加(f向心=mv2/r）(r=c)→軌道磁矩m增加→→→產(chǎn)生抗磁外加磁場(chǎng)，多了洛倫茲力，r不變庫倫力附加磁矩與外磁場(chǎng)反向6.3.2順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律外加磁場(chǎng)→fL（與f庫倫反向）→f向心減小→軌道線速度V降低(f向心=mv2/r）(r=c)→軌道磁矩m減小→→

產(chǎn)生抗磁→→△ω總與B的方向一致，從而感生的附加磁矩△m總與B的方向相反。附加磁矩與外磁場(chǎng)反向6.3.2順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.3鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律（1）鐵磁質(zhì)定義：鐵磁質(zhì)是指以鐵為代表的一類磁性很強(qiáng)（χm很大）的物質(zhì)。

通常為過渡金屬（鐵，鈷、鎳）、稀土元素(如釓、鏑、鈥）；或鐵與其他金屬或非金屬的合金：如銣鐵硼、氧化鐵、鐵氧體。這些磁性材料不一定具有永久磁性。

（2）鐵磁質(zhì)磁化規(guī)律和性質(zhì)：鐵氧體材料§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.3鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律IBH鐵磁質(zhì)霍耳器件探頭螺繞環(huán)0-+高斯計(jì)測(cè)B電流計(jì)測(cè)IHI()80-+飽和剩磁矯頑力鐵磁質(zhì)磁化研究的示意圖高斯計(jì)（霍爾效應(yīng)）or沖擊電流計(jì)（電磁感應(yīng)）改變電流測(cè)出：M~H,B~H曲線§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.3鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律起始點(diǎn)：H=0(I0=0)，B=0,M=0磁化曲線特征：①

起始磁化曲線（第一次加磁場(chǎng)）（d）結(jié)果

為什么兩曲線性狀類似？abcsabcs飽和磁化強(qiáng)度飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度起始磁化曲線M-H起始磁化曲線B-H§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.3鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律②abcs起始(相對(duì)）磁導(dǎo)率：起始磁化率：最大磁化率：最大(相對(duì)）磁導(dǎo)率：§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.3鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律③磁滯回線問題：外加電流降低，H變小，M如何變化？起始磁化反向退磁正向充磁正向退磁§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.3鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律③磁滯回線起始磁化反向退磁正向充磁正向退磁磁滯回線§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.3鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律

“磁滯”的含義指：M,B的大小變化滯后于H（或I0）④有關(guān)解釋及性質(zhì)磁滯回線“回線”M=0,B是否也同時(shí)為零？非線性、非單值關(guān)系鐵磁質(zhì)的M~H，B~H關(guān)系性質(zhì)：不但非線性，而且非單值。M,B的數(shù)值除了與H（I0）數(shù)值有關(guān)外，還決定于介質(zhì)的磁化歷史?！?.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.3鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律問題：充磁后如何恢復(fù)到M=0,B=0的狀態(tài)？即如何消磁？錄音磁帶的交流消磁方法：先把磁帶放在交流磁場(chǎng)中，然后漸漸移出．§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.4磁滯損耗鐵芯在交變磁場(chǎng)中有能量損耗——鐵損。鐵損包括兩個(gè)方面：鐵磁介質(zhì)的磁滯損耗分析：§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.4磁滯損耗電源做功計(jì)算：§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.4磁滯損耗電源做功計(jì)算：正功負(fù)功凈功做功分析：§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.4磁滯損耗一個(gè)周期后，鐵心螺線管的自感磁能不變，但電源做正功。

A=ΔWm(=0)+

ΔW？

圖中磁滯回線所包圍“面積”代表在一個(gè)磁化循環(huán)中單位體積的鐵芯內(nèi)損耗的能量。磁疇摩擦--熱能討論:

線性磁介質(zhì)沒有磁滯，回線面積為零，沒有對(duì)應(yīng)磁化損耗。§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.5鐵磁質(zhì)的分類三類常見的鐵磁材料及其磁滯回線形狀HBOHBOHBO軟磁材料硬磁材料（永磁體）矩磁材料矯頑力小,易充、退磁.如純鐵硅鋼等.用于電機(jī)變壓器繼電器等的鐵芯.矯頑力大,剩磁也大.如錳鎂鐵氧體等用于電磁儀表揚(yáng)聲器等的永久磁鐵.剩磁值接近飽和值.如碳鋼鋇鐵氧體等.兩剩磁態(tài)可控翻轉(zhuǎn),用于計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存元件.磁化損耗小§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.6鐵磁質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)鐵磁性產(chǎn)生的條件：①原子本征磁矩不為零，原子內(nèi)部要有末填滿的電子殼層。對(duì)于過渡族金屬，原子的3d的狀態(tài)與s態(tài)能量相差不大，因此它們的電子云也將重疊，引起s、d狀態(tài)電子的再分配。這種交換便產(chǎn)生一種交換能Eex(與交換積分有關(guān))，這種相鄰原子的電子交換效應(yīng)，其本質(zhì)仍是靜電力迫使相鄰原子內(nèi)d層末抵消的自旋磁矩同向排列起來。②要有一定的晶體結(jié)構(gòu)，并且原子核之間的距離Rab與參加交換作用的電子距核的距離(電子殼層半徑)的比值r之比要大于3，使交換積分A為正。量子力學(xué)計(jì)算表明，當(dāng)磁性物質(zhì)內(nèi)部相鄰原子的電子交換積分為正時(shí)(A＞0)，相鄰原子磁矩將同向平行排列，從而實(shí)現(xiàn)自發(fā)磁化。這就是鐵磁性產(chǎn)生的原因。量子理論解釋：鐵磁性的產(chǎn)生機(jī)理§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.6鐵磁質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)磁疇(MagneticDomain)所謂磁疇，是指鐵磁體材料在自發(fā)磁化的過程中為降低靜磁能而產(chǎn)生分化的方向各異的小型磁化區(qū)域，每個(gè)區(qū)域內(nèi)部包含大量原子，這些原子的磁矩都象一個(gè)個(gè)小磁鐵那樣整齊排列，但相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩排列的方向不同，如圖所示。

各個(gè)磁疇之間的交界面稱為磁疇壁。宏觀物體一般總是具有很多磁疇，這樣，磁疇的磁矩方向各不相同，結(jié)果相互抵消，矢量和為零，整個(gè)物體的磁矩為零，它也就不能吸引其它磁性材料。也就是說磁性材料在正常情況下并不對(duì)外顯示磁性。只有當(dāng)磁性材料被磁化以后，它才能對(duì)外顯示出磁性。

磁疇理論使得可用量子理論從微觀上說明鐵磁質(zhì)的磁化機(jī)理。§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.6鐵磁質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)純鐵硅鐵鈷§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.6鐵磁質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)鐵磁性的產(chǎn)生機(jī)理在沒有外磁場(chǎng)的條件下，相鄰原子中的電子自旋磁矩，可以自發(fā)地平行排列，形成一個(gè)個(gè)小的自發(fā)磁化微區(qū)-----磁疇。(疇：已耕作的田地，被溝壟劃分成塊)

各種材料磁疇的線度相差較大：微米--毫米。一個(gè)磁疇中約有1012--1015個(gè)原子。(由電子自旋磁矩引起)

用磁疇理論可以解釋：鐵磁質(zhì)的磁化過程、磁滯現(xiàn)象、磁滯損耗以及居里點(diǎn)

無外磁場(chǎng)：各磁疇磁化方向雜亂無章----對(duì)外不顯磁性§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.6鐵磁質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)加大外磁場(chǎng)時(shí)：磁場(chǎng)較弱：自發(fā)磁化方向與外磁場(chǎng)方向相同或相近的磁疇的體積逐漸增大，反之則逐漸縮小(疇壁運(yùn)動(dòng))磁場(chǎng)較強(qiáng)：縮小著的磁疇消失，其它磁疇的磁化方向轉(zhuǎn)向外場(chǎng)方向。外場(chǎng)越強(qiáng)，轉(zhuǎn)向越充分。所有磁疇都沿外磁場(chǎng)方向排列時(shí)則達(dá)到飽和磁化狀態(tài)。H0HHHH§6.3介質(zhì)的磁化規(guī)律6.3.6鐵磁質(zhì)的微觀