第11章磁場(chǎng)中的磁介質(zhì)

上章我們學(xué)習(xí)了真空中穩(wěn)恒電流激發(fā)的磁場(chǎng)及其規(guī)律。當(dāng)空間有介質(zhì)(導(dǎo)體、絕緣體)存在時(shí)，磁場(chǎng)將與介質(zhì)發(fā)生相互作用，我們把磁場(chǎng)中的介質(zhì)稱為磁介質(zhì)。磁介質(zhì)在外加磁場(chǎng)作用下自身產(chǎn)生附加磁場(chǎng)的過(guò)程稱為磁化。本章簡(jiǎn)要介紹磁介質(zhì)的性質(zhì)、磁化的機(jī)制、以及磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理。第十一章磁場(chǎng)中的磁介質(zhì)與電介質(zhì)的狀況類似，穩(wěn)恒磁場(chǎng)中的磁介質(zhì)因磁化而產(chǎn)生磁化電流和附加磁場(chǎng)；磁介質(zhì)內(nèi)的總場(chǎng)為原磁場(chǎng)B0與附加磁場(chǎng)B’的矢量和。一、磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響§11.1磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，與之間的關(guān)系為:稱為磁介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率。順磁質(zhì)：μr≥1如金屬鋁、錳、鉻等。抗磁質(zhì)：μr

≤1如金屬金、銀、銅等。鐵磁質(zhì)：μr

>>1如金屬鐵、鈷、鎳等。弱磁性物質(zhì)強(qiáng)磁性物質(zhì)任何物質(zhì)皆由原子或分子構(gòu)成。原子（分子）中的電子同時(shí)參與兩種運(yùn)動(dòng)：自旋及繞核的軌道運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)有軌道磁矩和自旋磁矩。二、磁介質(zhì)的磁化這就是安培提出的分子電流假設(shè)。分子電流——分子磁矩產(chǎn)生的磁效應(yīng)可以用一等效的圓電流的磁矩來(lái)表示。分子磁矩——分子全部電子的軌道磁矩與自旋磁矩的矢量和，稱為分子固有磁矩，簡(jiǎn)稱為分子磁矩m。分子磁矩的方向與電子運(yùn)動(dòng)的角速度方向相反。順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的磁化可用安培分子電流假說(shuō)說(shuō)明，而鐵磁質(zhì)的磁化很困難。1.順磁質(zhì)的磁化機(jī)理——順磁性無(wú)外場(chǎng)Bo時(shí)，分子的磁矩排列雜亂無(wú)章，介質(zhì)內(nèi)分子磁矩的矢量和m=m=0有外場(chǎng)Bo時(shí)，分子磁矩轉(zhuǎn)到與外磁場(chǎng)方向一致，分子磁矩的矢量和m=m≠0等效對(duì)各向同性（勻整）磁介質(zhì)，磁化電流I′只出現(xiàn)在介質(zhì)表面，介質(zhì)內(nèi)部無(wú)磁化電流，且磁化電流I′不行引出，因此，磁化電流也稱為束縛電流。對(duì)各向同性（均勻）磁介質(zhì)，從導(dǎo)體橫截面看，導(dǎo)體內(nèi)部分子電流兩兩反向，相互抵消。導(dǎo)體邊緣分子電流同向。⊙對(duì)各向同性（均勻）磁介質(zhì)，分子電流可等效成磁介質(zhì)表面的磁化電流I′，I′產(chǎn)生附加磁場(chǎng)B'。I′

在無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)，抗磁質(zhì)中分子固有磁矩為零:m=0，物質(zhì)不顯磁性。2.抗磁質(zhì)的磁化機(jī)理——抗磁性有外場(chǎng)時(shí)，電子的軌道角動(dòng)量會(huì)圍著磁場(chǎng)方向旋進(jìn),形成一個(gè)電的環(huán)流,但電子帶負(fù)電,這就相當(dāng)于一個(gè)與原磁場(chǎng)方向反向的正的環(huán)流,產(chǎn)生的磁矩指向磁場(chǎng)的相反方向.有磁介質(zhì)時(shí)，安培環(huán)路定理是：磁介質(zhì)的總磁場(chǎng)傳導(dǎo)電流磁化電流總和三、磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理根據(jù)實(shí)驗(yàn)規(guī)律無(wú)磁介質(zhì)時(shí)：由于磁化電流的計(jì)算很繁，所以我們從無(wú)磁介質(zhì)時(shí)動(dòng)身。定義磁場(chǎng)強(qiáng)度：磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理：即：磁場(chǎng)強(qiáng)度沿隨意閉合路徑的線積分（環(huán)流），等于穿過(guò)以該回路為邊界的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和。H是為消退磁化電流的影響而引入的協(xié)助物理量。H的環(huán)流僅與傳導(dǎo)電流I0有關(guān),與介質(zhì)無(wú)關(guān)(當(dāng)I相同時(shí)，盡管介質(zhì)不同，H在同一點(diǎn)上卻相同)。因此可以先求磁場(chǎng)強(qiáng)度H，再求磁感應(yīng)強(qiáng)度B。H的單位：安培/米(A/m)說(shuō)明：例1、長(zhǎng)直單芯電纜的芯是一根半徑為R1的金屬導(dǎo)體，它與外壁之間充溢勻整磁介質(zhì),其相對(duì)磁導(dǎo)率為，外筒半徑為R2,電流從芯流過(guò)再沿外壁流回。求(1)導(dǎo)線內(nèi)的磁場(chǎng)分布;(2)磁介質(zhì)中磁場(chǎng)分布;(3)磁介質(zhì)外的磁場(chǎng)分布。解:(1)導(dǎo)線內(nèi)的磁場(chǎng)分布(2)磁介質(zhì)內(nèi)的磁場(chǎng)分布(3)磁介質(zhì)外的磁場(chǎng)分布電介質(zhì)中的高斯定理磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理§11.2鐵磁質(zhì)在工程技術(shù)上常用的磁介質(zhì)是鐵磁質(zhì)，如電機(jī)、變壓器和電表等。鐵磁質(zhì)有如下特點(diǎn)：1．在外磁場(chǎng)作用下能產(chǎn)生很強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；μ>>12．當(dāng)外磁場(chǎng)停止作用時(shí)，仍能保持其磁化狀態(tài)；3．B與H之間不是簡(jiǎn)潔的線性關(guān)系；4．鐵磁質(zhì)都有一臨界溫度。在此溫度（居里溫度）之上，鐵磁性完全消逝而成為順磁質(zhì)。Fe(1040K)Co(630K)Ni(1390K)磁化曲線——磁介質(zhì)內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H的變更關(guān)系曲線。OHBABCS一、鐵磁介質(zhì)的磁化機(jī)理——磁疇1.磁疇磁疇——鐵磁質(zhì)中因電子自旋而引起的猛烈相互作用，在鐵磁質(zhì)內(nèi)形成磁性很強(qiáng)的小區(qū)域。磁疇的體積約為10-12m3。在無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)，各磁疇排列雜亂無(wú)章，鐵磁質(zhì)不顯磁性；在外磁場(chǎng)中，各磁疇沿外場(chǎng)轉(zhuǎn)向，介質(zhì)內(nèi)部的磁場(chǎng)快速增加，在鐵磁質(zhì)充磁過(guò)程中伴隨著發(fā)聲、發(fā)熱。2.磁疇的形成依據(jù)量子理論,鐵磁質(zhì)內(nèi)電子間存在著很強(qiáng)的由電子自旋引起的相互作用——電子交換作用,使各電子的自旋磁矩排列整齊，從而形成磁疇。每個(gè)磁疇內(nèi)的電子自旋磁矩整齊排列，磁性很強(qiáng)——自發(fā)磁化。3.磁疇與外磁場(chǎng)的關(guān)系無(wú)外磁場(chǎng)時(shí),各個(gè)磁疇由于熱運(yùn)動(dòng)其方向排列無(wú)序,因而整體對(duì)外不顯磁性。有外磁場(chǎng)時(shí),各個(gè)磁疇的磁矩在外磁場(chǎng)的磁力矩作用下以整體的形式趨向外磁場(chǎng)方向排列,從而對(duì)外顯示很強(qiáng)的磁性。出現(xiàn)高m值。具體過(guò)程:與外磁場(chǎng)方向一樣和相同的磁疇范圍擴(kuò)大,磁疇磁矩方向同時(shí)盡力轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)的方向。4.磁疇與溫度的關(guān)系:當(dāng)溫度持續(xù)上升到某值時(shí),由于猛烈的熱運(yùn)動(dòng),磁疇瓦解,鐵磁質(zhì)的鐵磁性消逝,過(guò)渡到順磁質(zhì)。此溫度叫做居里溫度或居里點(diǎn)。5.磁飽和狀態(tài)磁飽和狀態(tài)HBoabcd隨著外磁場(chǎng)增加，能夠供應(yīng)轉(zhuǎn)向的磁疇越來(lái)越少，鐵磁質(zhì)中的磁場(chǎng)增加的速度變慢，最終外磁場(chǎng)再增加，介質(zhì)內(nèi)的磁場(chǎng)也不會(huì)增加，鐵磁質(zhì)達(dá)到磁飽和狀態(tài)。二、鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律——磁滯回線1.試驗(yàn)?zāi)康?確定鐵磁質(zhì)內(nèi)的B隨外場(chǎng)H的變更關(guān)系,確定其磁導(dǎo)率m的特點(diǎn)和鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律。a2.試驗(yàn)結(jié)果o~a

:

起始磁化曲線，未經(jīng)磁化的鐵磁質(zhì),起始時(shí),B

隨H

而增大,到a點(diǎn)達(dá)到飽和。bBrBHoa~b:當(dāng)外磁場(chǎng)減小時(shí)，介質(zhì)中的磁場(chǎng)并不沿起始磁化曲線返回，而是滯后于外磁場(chǎng)變更——磁滯現(xiàn)象,當(dāng)H=0時(shí),B=Br≠0，Br——剩磁。b~c:加上反向外磁場(chǎng)，則B接著減小,當(dāng)H=-Hc時(shí)，B=0，Hc稱為矯頑力,即為了消退剩磁所需加的反向外磁場(chǎng)Hc。BrHcBHoac~d：接著增加反向磁場(chǎng)，介質(zhì)達(dá)到反向磁飽和狀態(tài)。d~e~f：變更外磁場(chǎng)為正向磁場(chǎng)，不斷增加外場(chǎng)，介質(zhì)又達(dá)到正向磁飽和狀態(tài)。bcdef磁滯回線——閉合曲線abcdefa。試驗(yàn)結(jié)論鐵磁質(zhì)具有非線性，其m值具有非單值性，與磁化的歷史有關(guān)。鐵磁質(zhì)會(huì)出現(xiàn)磁滯和剩磁現(xiàn)象。4.說(shuō)明:起始磁導(dǎo)率磁化飽和:當(dāng)全部磁疇的磁矩都轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)方向時(shí),磁化即達(dá)到飽和。剩磁:鐵磁質(zhì)中的雜質(zhì)和內(nèi)應(yīng)力,在外磁場(chǎng)撤消后阻礙磁疇復(fù)原原來(lái)的狀態(tài),因而產(chǎn)生了剩磁。三、鐵磁質(zhì)的特點(diǎn)磁疇；高m值；非線性；磁滯；居里點(diǎn)；

m的非單值性。四、退磁方法1.加熱法當(dāng)鐵磁質(zhì)的溫度上升到某一溫度時(shí)，磁性消逝，由鐵磁質(zhì)變?yōu)轫槾刨|(zhì)，該溫度為居里溫度tc。當(dāng)溫度低于tc時(shí)，又由順磁質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁質(zhì)。鐵的居里溫度tc

=770°C；30%的坡莫合金居里溫度tc

=70°C；利用鐵磁質(zhì)具有居里溫度的特點(diǎn)，可將其制作溫控元件，如電飯鍋?zhàn)詣?dòng)控溫。緣由：由于加熱使磁介質(zhì)中的分子、原子的振動(dòng)加劇，供應(yīng)了磁疇轉(zhuǎn)向的能量，使鐵磁質(zhì)失去磁性。2.敲擊法通過(guò)振動(dòng)可供應(yīng)磁疇轉(zhuǎn)向的能量，使介質(zhì)失去磁性。如敲擊永久磁鐵會(huì)使磁鐵磁性減小。3.加反向磁場(chǎng)加反向磁場(chǎng)，供應(yīng)矯頑力Hc,使鐵磁質(zhì)退磁。4.加交變衰減的磁場(chǎng)使介質(zhì)中的磁場(chǎng)漸漸衰減為0，應(yīng)用在錄音機(jī)中的溝通抹音磁頭中。tHoBHoc五、鐵磁材料分類1.金屬磁性材料特點(diǎn)：適用于高穩(wěn)定、低頻、大功率,但高頻應(yīng)用受限。軟磁材料:Br大,但Hc小,磁滯回線面積小,因而易磁化,易消磁;適用于制造電磁鐵、變壓器、溝通電機(jī)的鐵心。如：象軟鐵、坡莫合金、硒鋼片、鐵鋁合金、鐵鎳合金等。由于軟磁材料磁滯損耗小，適合用在交變磁場(chǎng)中，如變壓器鐵芯、繼電器、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、定子都是用軟件磁性材料制成。由金屬合金或化合物制成(大部分以鐵、鈷、鎳為基礎(chǔ))。硬磁性材料：Br大，Hc大，磁滯回線面積大,，因而磁滯特性明顯，一旦被磁化,，剩磁即難于消退。用于制作永磁體，以產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)。

如碳鋼、鋁鎳鈷合金和鋁鋼等。

可用在磁電式電表、永磁揚(yáng)聲器、耳機(jī)以及雷達(dá)中的磁控管等。2.壓磁材料具有較強(qiáng)的磁致伸縮性能,用于制作機(jī)電換能器和聲電換能器。3.非金屬氧化物----鐵氧體由三氧化二鐵Fe2O3和其它二價(jià)金屬氧化物（如NiO，ZnO等）的粉末混合燒結(jié)而成特點(diǎn):具有高磁導(dǎo)率,高電阻率,渦流損耗少,適用于高頻技術(shù)。作記憶元件,或作天線和電感中的磁心。例如:矩磁鐵氧體,其磁滯回線近似矩形而得名。六、超導(dǎo)體1911年，荷蘭物理學(xué)家H·K·昂納斯及其助手首先發(fā)覺(jué)在溫度降至液氦的沸點(diǎn)（4.2K）以下時(shí)，水銀的電阻為0。超導(dǎo)體——在低溫下電阻為零的物質(zhì)。1913年昂納斯因他在低溫物理和超導(dǎo)領(lǐng)域所做的杰出貢獻(xiàn)，獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1.超導(dǎo)體的基本性質(zhì)零電阻率超導(dǎo)體在臨界溫度以下時(shí)，電阻為零，所以它可以通過(guò)很大的電流，而幾乎無(wú)熱損耗。有人曾用超導(dǎo)體做成一個(gè)圓環(huán)，當(dāng)把它冷卻到臨界溫度以下后，突然去掉磁場(chǎng)，由于電磁感應(yīng)，在超導(dǎo)體環(huán)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)強(qiáng)的電流，這個(gè)電流在持續(xù)兩年半的時(shí)間內(nèi)仍沒(méi)發(fā)覺(jué)可觀的變更。2.邁斯納效應(yīng)—完全抗磁性Bo1933年德國(guó)物理學(xué)家W.邁斯納發(fā)覺(jué)完全抗磁性。將超導(dǎo)體放入磁場(chǎng)中，表面產(chǎn)生超導(dǎo)電流，超導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)抵消，使超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0。超導(dǎo)體在磁場(chǎng)中由于超導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)的斥力作用，使超導(dǎo)體可懸浮在空中。NFmg由于超導(dǎo)體內(nèi)電阻為0，超導(dǎo)電流不會(huì)產(chǎn)生熱量，超導(dǎo)電流也就不會(huì)消逝，超導(dǎo)體始終會(huì)懸浮在磁場(chǎng)中。利用這種現(xiàn)象可制成超導(dǎo)重力儀，用來(lái)預(yù)料地震，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生之前，地表面的重力場(chǎng)會(huì)發(fā)生變更，超導(dǎo)球的位置也會(huì)發(fā)生變更，由此來(lái)預(yù)料地震。還可制造超導(dǎo)磁懸浮列車，世界上最快的磁懸浮列車時(shí)速超過(guò)500公里/小時(shí)。3.超導(dǎo)體的應(yīng)用無(wú)損耗輸電。傳統(tǒng)輸電過(guò)程中總要產(chǎn)生一部分焦耳熱損耗，一般在10%~20%，假如接受超導(dǎo)體輸電，幾乎沒(méi)有電能損失，而且不須