第七章磁介質(zhì)

第七章磁介質(zhì)第七章磁介質(zhì)第1頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)由現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論可知：物質(zhì)內(nèi)部原子、分子中的每個(gè)電子參與兩種運(yùn)動(dòng)：一是軌道運(yùn)動(dòng)，即電子繞原子核的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)會(huì)形成一個(gè)電流，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁矩，稱為軌道磁矩；二是電子的自旋運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)地也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁矩，稱為自旋磁矩。一個(gè)分子中所有電子的各種磁矩之總和構(gòu)成這個(gè)分子的固有磁矩Pm，稱為分子磁矩，這個(gè)分子固有磁矩可以看成是由一個(gè)等效的圓形分子電流i產(chǎn)生的。一．磁介質(zhì)的電結(jié)構(gòu)§7.1磁場(chǎng)中的介質(zhì)第2頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)1.磁介質(zhì)磁化：磁場(chǎng)對(duì)磁場(chǎng)中的物質(zhì)的作用稱為磁化。磁介質(zhì)：在磁場(chǎng)中影響原磁場(chǎng)的物質(zhì)稱為磁介質(zhì)。總磁感強(qiáng)度附加磁感強(qiáng)度外加磁感強(qiáng)度就像電介質(zhì)分為有極性分子和無(wú)極性分子一樣，一般磁介質(zhì)也可分為兩大類：一類是分子中各電子的磁矩不完全抵消而整個(gè)分子具有一定的固有磁矩，稱為順磁性物質(zhì)，如氧、鋁等；一類是分子中各電子的磁矩，完全相互抵消而整個(gè)分子不具有固有磁矩，稱為抗磁性物質(zhì)，如氫、銅等，但這兩類物質(zhì)都是弱磁性物質(zhì)。另外還有一類強(qiáng)磁性介質(zhì)，稱作鐵磁質(zhì)，鐵、鈷、錦及其合金就屬于這一類?！?.1磁場(chǎng)中的介質(zhì)第3頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)抗磁質(zhì)(銅、鉍、硫、氫、銀等)鐵磁質(zhì)(鐵、鈷、鎳等)順磁質(zhì)(錳、鉻、鉑、氧、氮等)定義在介質(zhì)均勻充滿磁場(chǎng)的情況下相對(duì)磁導(dǎo)率磁介質(zhì)的分類§7.1磁場(chǎng)中的介質(zhì)第4頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)2.分子電流和分子磁矩分子電流：把分子或原子看作一個(gè)整體，分子或原子中各個(gè)電子對(duì)外界所產(chǎn)生磁效應(yīng)的總和，可用一個(gè)等效的圓電流表示，統(tǒng)稱為分子電流。分子磁矩：把分子所具有的磁矩總和稱為分子磁矩，用符號(hào)表示。電子的進(jìn)動(dòng)：在外磁場(chǎng)的作用下，分子或原子中和每個(gè)電子相聯(lián)系的磁矩都受到磁力矩的作用，由于分子或原子中的電子以一定的角動(dòng)量作高速轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)，每個(gè)電子除了保持環(huán)繞原子核的運(yùn)動(dòng)和電子本身的自旋以外，還要附加電子磁矩以外磁場(chǎng)方向?yàn)檩S線的轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為電子的進(jìn)動(dòng)?！?.1磁場(chǎng)中的介質(zhì)第5頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)進(jìn)動(dòng)進(jìn)動(dòng)進(jìn)動(dòng)附加磁矩：因進(jìn)動(dòng)而產(chǎn)生的等效磁矩稱為附加磁矩，用符號(hào)表示?？梢宰C明：不論電子原來(lái)的磁矩與磁場(chǎng)方向之間的夾角是何值，在外磁場(chǎng)中，這種等效圓電流的磁矩的方向永遠(yuǎn)與的方向相反?！?.1磁場(chǎng)中的介質(zhì)第6頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)3.抗磁質(zhì)的磁化

抗磁材料在外磁場(chǎng)的作用下，磁體內(nèi)任意體積元中大量分子或原子的附加磁矩的矢量和有一定的量值，結(jié)果在磁體內(nèi)激發(fā)一個(gè)和外磁場(chǎng)方向相反的附加磁場(chǎng)，這就是抗磁性的起源。它是一切磁介質(zhì)所共有的性質(zhì)。4.順磁質(zhì)的磁化

在順磁體內(nèi)任意取一體積元，其中各分子磁矩的矢量和將有一定的量值，因而在宏觀上呈現(xiàn)出一個(gè)與外磁場(chǎng)同向的附加磁場(chǎng)，這就是順磁性的起源。§7.1磁場(chǎng)中的介質(zhì)第7頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)1.磁化強(qiáng)度反映磁介質(zhì)磁化程度(大小與方向)的物理量。均勻磁化：非均勻磁化：磁化強(qiáng)度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所有分子固有磁矩的矢量和加上附加磁矩的矢量和，稱為磁化強(qiáng)度，用表示。其單位為：

§7.1磁場(chǎng)中的介質(zhì)第8頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)注意：對(duì)順磁質(zhì)，可以忽略；對(duì)抗磁質(zhì)，對(duì)于真空，。外磁場(chǎng)為零，磁化強(qiáng)度為零。外磁場(chǎng)不為零:順磁質(zhì)抗磁質(zhì)§7.1磁場(chǎng)中的介質(zhì)第9頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)對(duì)于各向同性的均勻介質(zhì)，介質(zhì)內(nèi)部各分子電流相互抵消，而在介質(zhì)表面，各分子電流相互疊加，在磁化圓柱的表面出現(xiàn)一層電流，好象一個(gè)載流螺線管，稱為磁化面電流（或安培表面電流）。由磁化而出現(xiàn)的宏觀電流叫做磁化電流。除磁化電流之外的電流叫做傳導(dǎo)電流?！?.2

磁化電流第10頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)

設(shè)介質(zhì)表面沿軸線方向單位長(zhǎng)度上的磁化電流為（面磁化電流密度），則長(zhǎng)為l的一段介質(zhì)上的磁化電流強(qiáng)度IS為§7.2

磁化電流第11頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)取一長(zhǎng)方形閉合回路ABCD，AB邊在磁介質(zhì)內(nèi)部，平行與柱體軸線，長(zhǎng)度為l，而B(niǎo)C、AD兩邊則垂直于柱面。磁化強(qiáng)度對(duì)閉合回路的線積分等于通過(guò)回路所包圍的面積內(nèi)的總磁化電流。§7.2

磁化電流第12頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)例題：試求磁距為pm=1.4×10-26A·m2，自旋角動(dòng)量為L(zhǎng)p=0.53×10-34kg·m2/s的質(zhì)子,在磁感應(yīng)強(qiáng)度B為0.50T的均勻磁場(chǎng)中進(jìn)動(dòng)的角速度。

BLPdLPd

解：質(zhì)子帶正電,它的自旋磁距與自旋角動(dòng)量的方向相同,如圖所示.質(zhì)子在磁場(chǎng)中受到的磁力矩為在磁力矩的作用下，質(zhì)子以磁場(chǎng)為軸線作進(jìn)動(dòng)，在dt時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)角度d

，角動(dòng)量的增量為第13頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)

可以看出，不管與磁場(chǎng)的夾角是大于900還是小于900，質(zhì)子在磁場(chǎng)中進(jìn)動(dòng)時(shí)也產(chǎn)生一與磁場(chǎng)方向相反的附加磁矩。從而可求得質(zhì)子在磁場(chǎng)中的進(jìn)動(dòng)角速度把pm和L的數(shù)值代入可算出又因角動(dòng)量的時(shí)間變化率等于力矩，即所以第14頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)無(wú)磁介質(zhì)時(shí)：有磁介質(zhì)時(shí)：一、有磁介質(zhì)時(shí)的安培環(huán)路定理§7.3

磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)第15頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)定義

為磁場(chǎng)強(qiáng)度

磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理：磁場(chǎng)強(qiáng)度沿任意閉合路徑的線積分等于穿過(guò)該路徑的所有傳導(dǎo)電流的代數(shù)和，而與磁化電流無(wú)關(guān)。有磁介質(zhì)時(shí)的安培環(huán)路定理§7.3

磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)第16頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)(2)中的應(yīng)理解為所圍回路按右手定則確定的傳導(dǎo)電流之代數(shù)和。并非與無(wú)關(guān)，而是的環(huán)流與無(wú)關(guān)。

(3)為一輔助物理量，在SI單位制中：的單位同于，為；

常用單位為奧斯特（oe），1。(4)對(duì)于真空，，則，或。

(1)當(dāng)具有某種對(duì)稱性時(shí)可由安培環(huán)路定理求出，進(jìn)而求出，再求和等。討論：§7.3

磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)第17頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)實(shí)驗(yàn)證明：對(duì)于各向同性的非鐵磁介質(zhì)，在磁介質(zhì)中任意一點(diǎn)磁化強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。

式中只與磁介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，稱為磁介質(zhì)的磁化率，是一個(gè)純數(shù)。如果磁介質(zhì)是均勻的，它是一個(gè)常量；如果磁介質(zhì)是不均勻的，它是空間位置的函數(shù)。§7.3

磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)第18頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)相對(duì)磁導(dǎo)率絕對(duì)磁導(dǎo)率值得注意：為研究介質(zhì)中的磁場(chǎng)提供方便而不是反映磁場(chǎng)性質(zhì)的基本物理量，才是反映磁場(chǎng)性質(zhì)的基本物理量。§7.3

磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)第19頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)例題：在均勻密繞的螺繞環(huán)內(nèi)充滿均勻的順磁介質(zhì)，已知螺繞環(huán)中的傳導(dǎo)電流為，單位長(zhǎng)度內(nèi)匝數(shù)，環(huán)的橫截面半徑比環(huán)的平均半徑小得多，磁介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率和磁導(dǎo)率分別為和。求環(huán)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度。解：在環(huán)內(nèi)任取一點(diǎn)，過(guò)該點(diǎn)作一和環(huán)同心、半徑為的圓形回路。式中為螺繞環(huán)上線圈的總匝數(shù)。由對(duì)稱性可知，在所取圓形回路上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小相等，方向都沿切線。第20頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)解：當(dāng)環(huán)內(nèi)是真空時(shí)當(dāng)環(huán)內(nèi)充滿均勻介質(zhì)時(shí)例題：在均勻密繞的螺繞環(huán)內(nèi)充滿均勻的順磁介質(zhì)，已知螺繞環(huán)中的傳導(dǎo)電流為，單位長(zhǎng)度內(nèi)匝數(shù)，環(huán)的橫截面半徑比環(huán)的平均半徑小得多，磁介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率和磁導(dǎo)率分別為和。求環(huán)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度。第21頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)例題：如圖所示，一半徑為R1的無(wú)限長(zhǎng)圓柱體（導(dǎo)體

≈

0）中均勻地通有電流I，在它外面有半徑為R2的無(wú)限長(zhǎng)同軸圓柱面，兩者之間充滿著磁導(dǎo)率為

的均勻磁介質(zhì)，在圓柱面上通有相反方向的電流I。試求（1）圓柱體外圓柱面內(nèi)一點(diǎn)的磁場(chǎng)；（2）圓柱體內(nèi)一點(diǎn)磁場(chǎng)；（3）圓柱面外一點(diǎn)的磁場(chǎng)。解：（1）當(dāng)兩個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的同軸圓柱體和圓柱面中有電流通過(guò)時(shí)，它們所激發(fā)的磁場(chǎng)是軸對(duì)稱分布的，而磁介質(zhì)亦呈軸對(duì)稱分布，因而不會(huì)改變場(chǎng)的這種對(duì)稱分布。設(shè)圓柱體外圓柱面內(nèi)一點(diǎn)到軸的垂直距離是r1，以r1為半徑作一圓，取此圓為積分回路，根據(jù)安培環(huán)路定理有IIIR1R2r2r1r3第22頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)（2）設(shè)在圓柱體內(nèi)一點(diǎn)到軸的垂直距離是r2，則以r2為半徑作一圓，根據(jù)安培環(huán)路定理有式中是該環(huán)路所包圍的電流部分，由此得§7.3

磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)第23頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)由B＝

H，得

（3）在圓柱面外取一點(diǎn)，它到軸的垂直距離是r3，以r3為半徑作一圓，根據(jù)安培環(huán)路定理,考慮到環(huán)路中所包圍的電流的代數(shù)和為零，所以得即或§7.3

磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)第24頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)二、鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律1、關(guān)系的測(cè)定

(1)：可由勵(lì)磁電流決定。如圖所示，外面密繞匝線圈，有其中由電流表測(cè)出，n已知，則可知H；而，故改變（包括改變電源的極性連接）

RK原副GN1N2I0ε§7.3

磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)第25頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)(2)：副線圈匝數(shù)少些，外接磁通計(jì)，因?yàn)楣蕼y(cè)得磁通，再由已知副線圈匝數(shù)、截面積，便可得。測(cè)得對(duì)應(yīng)的，描點(diǎn)作圖即可研究樣品鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律。開(kāi)始應(yīng)使樣品處于未磁化狀態(tài)：因磁化與歷史有關(guān)，為方便研究，要求在研究前應(yīng)除去已有磁性。2、起始磁化曲線§7.3

磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)第26頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)QˊSˊCHCOB

R

BR

B1ˊB1

H1S

HS退磁段反向磁化正向磁化起始磁化曲線：

B

OA非線性SCHSH3、磁滯回線對(duì)應(yīng)稱之為矯頑力。H=0，BR稱為剩磁。此曲線為磁化一周的情況，閉合曲線被稱為磁滯回線?！?.3

磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)第27頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)(2)上述回線為對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)之最大磁滯回線，當(dāng)而即減小時(shí)，回線也小。綜上可見(jiàn)：鐵磁質(zhì)的的關(guān)系不但非線性，而且非單值。的數(shù)值除了與數(shù)值有關(guān)外，還決定于該介質(zhì)的磁化歷史。[說(shuō)明]這種“跟不上”并非時(shí)間上滯后，是非線性、非單值所致。

(1)“磁滯”的含義指：

§7.3

磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)第28頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)（3）對(duì)于各向同性非鐵磁質(zhì)對(duì)于鐵磁質(zhì)，也可以寫(xiě)成不是常數(shù)。如果：§7.3

磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)約定用起始磁化曲線按定義鐵磁質(zhì)的絕對(duì)磁導(dǎo)率。第29頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)作業(yè)：螺繞環(huán)中心周長(zhǎng)為l=10cm，環(huán)上均勻密繞線圈為N=200匝，線圈中通有電流為I0=0.1安.試求：(1)若管內(nèi)充滿相對(duì)磁導(dǎo)率的介質(zhì)，求管內(nèi)的B和H;(2)求磁介質(zhì)中由導(dǎo)線中電流產(chǎn)生的B0和由磁化電流產(chǎn)生的B’。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，大小為I，均勻分布在橫截面上，導(dǎo)體的相對(duì)磁導(dǎo)率為，兩導(dǎo)體間充滿相對(duì)磁導(dǎo)率為的不導(dǎo)電的均勻磁介質(zhì)。求B在各區(qū)域中的分布。第30頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)邊界條件：電介質(zhì)的性能方程有電介質(zhì)時(shí)的靜電場(chǎng)方程有磁介質(zhì)時(shí)的靜磁場(chǎng)方程磁介質(zhì)的性能方程一、邊界條件§7.4邊界條件磁路定理第31頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)類比電路中，電流在導(dǎo)線內(nèi)流動(dòng)，相當(dāng)?shù)兀阼F芯中有線在“流動(dòng)”，把由鐵芯等組成的磁感應(yīng)管閉路稱之為磁路。(2)沿磁路選取積分回路-----串聯(lián)回路為例二、磁路定理1、磁路2、磁路定理（場(chǎng)論——路論）(1)基礎(chǔ)磁路中的磁通對(duì)應(yīng)于電路中的電流強(qiáng)度。只要用鐵磁質(zhì)把B線近似地限制于磁路之內(nèi)，就可以認(rèn)為無(wú)分支的閉合磁路各截面的磁通相等。I§7.4邊界條件磁路定理第32頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)其中各段的磁通相同。定義：磁動(dòng)勢(shì)——

磁阻——

磁位降——

所以

類似于電路中全電路歐姆定律:。

單位：安匝單位：1/亨無(wú)分支閉合磁路的歐姆定律§7.4邊界條件磁路定理第33頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)并聯(lián)、串聯(lián)規(guī)律同于電學(xué)相應(yīng)規(guī)律，只需作如下對(duì)換：

磁電類似問(wèn)題，如回路磁位定律、節(jié)點(diǎn)磁通定律，等。3.討論§7.4邊界條件磁路定理第34頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)例題：圖中線圈的匝數(shù)N=300，鐵心的橫截面積S=3×10-3平方米，平均長(zhǎng)度為l=1米，鐵磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率為2600，欲在鐵心中激發(fā)3×10-3韋伯的磁通，線圈應(yīng)通過(guò)多大的電流。I解：磁路的總磁阻為：磁路的磁動(dòng)勢(shì)所以，線圈應(yīng)通過(guò)的電流為：第35頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第七章磁介質(zhì)例題：上題中鐵心開(kāi)一長(zhǎng)為l2=2×10-3米的氣隙，假定B線穿過(guò)氣隙時(shí)所占面積擴(kuò)展為S2=4×10-3平方米，欲維持鐵心內(nèi)磁通為3×10-3韋伯，問(wèn)線圈的電流應(yīng)增為多少。解：開(kāi)氣隙后鐵心的長(zhǎng)度變化很小，可以認(rèn)為Rm1（鐵心的磁阻）