大學(xué)物理第12章磁場中磁介質(zhì)課件

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RI

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RI磁介質(zhì)錳、鉻、氮?dú)?---銀、銅、氫….鐵、鈷、鎳及其合金充有磁介質(zhì)，有三種情況1）2）3）此種磁介質(zhì)稱為順磁質(zhì)此種磁介質(zhì)稱為抗磁質(zhì)此種磁介質(zhì)稱為鐵磁質(zhì)1R2（1）順磁質(zhì)（3）鐵磁質(zhì)（2）抗磁質(zhì)根據(jù)的大小和方向可將磁介質(zhì)分為四大類附加磁場二、分子電流與分子磁矩分子磁矩軌道磁矩自旋磁矩——電子繞核的軌道運(yùn)動——電子本身自旋等效于圓電流——分子電流(4)超導(dǎo)體B=02（1）順磁質(zhì)（3）鐵磁質(zhì)（2）抗磁質(zhì)根據(jù)的大小3軌道角動量與磁矩的關(guān)系：電子磁矩受到力矩角動量定理繞磁場進(jìn)動附加一磁矩與外場反向。3軌道角動量與磁矩的關(guān)系：電子磁矩受到力矩角動量定理繞磁場進(jìn)41、順磁質(zhì)分子的固有磁矩不為零無外磁場作用時(shí)，由于分子的熱運(yùn)動，分子磁矩取向各不相同,整個(gè)介質(zhì)不顯磁性。三、磁介質(zhì)的順磁性與抗磁性41、順磁質(zhì)分子的固有磁矩不為零無外磁場作用時(shí)，由于分子的熱5有外磁場時(shí)，分子磁矩要受到一個(gè)力矩的作用，使分子磁矩轉(zhuǎn)向外磁場的方向。分子磁矩產(chǎn)生的磁場方向和外磁場方向一致，順磁質(zhì)磁化結(jié)果，使介質(zhì)內(nèi)部磁場增強(qiáng)。5有外磁場時(shí)，分子磁矩要受到一個(gè)力矩的作用，使分6指出一點(diǎn)：附加磁矩與相比要小得多，相差兩個(gè)數(shù)量級。因此磁介質(zhì)中的磁場是加強(qiáng)了。（順磁質(zhì)）6指出一點(diǎn)：附加磁矩與相比要小72、抗磁質(zhì)分子的固有磁矩為零在外磁場中，抗磁質(zhì)分子會產(chǎn)生附加磁矩電子繞核的軌道運(yùn)動電子本身自旋外磁場場作用下產(chǎn)生附加磁矩電子的附加磁矩總是削弱外磁場的作用。抗磁性是一切磁介質(zhì)共同具有的特性?？偱c外磁場方向反向72、抗磁質(zhì)分子的固有磁矩為零在外磁場中，抗磁質(zhì)分子會產(chǎn)生附83.介質(zhì)磁化的過程如下：在外場中在外場中順磁質(zhì)抗磁質(zhì)83.介質(zhì)磁化的過程如下：在外場中在外場中順磁質(zhì)抗磁質(zhì)9定義:磁化強(qiáng)度四、磁化強(qiáng)度與磁化電流Is——磁化電流

s——沿軸線單位長度上的磁化電流（磁化面電流密度）磁化強(qiáng)度M在量值上等于磁化面電流密度。9定義:磁化強(qiáng)度四、磁化強(qiáng)度與磁化電流Is——磁化電流s—10式中：為磁化強(qiáng)度為介質(zhì)表面外法線的單位矢。abcd取如圖所示的積分環(huán)路abcda:磁化強(qiáng)度對閉合回路L的線積分，等于穿過以L為周界的任意曲面的磁化電流的代數(shù)和。10式中：為磁化強(qiáng)度為介質(zhì)表面外法線的單位矢。abcd取如圖11S一、磁介質(zhì)中的高斯定理通過磁場中任一閉合曲面的總磁通量為零磁介質(zhì)中的高斯定理12-2介質(zhì)中的磁場

磁場強(qiáng)度11S一、磁介質(zhì)中的高斯定理通過磁場中任一閉合曲面的總磁通量12二、磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理定義磁場強(qiáng)度在穩(wěn)恒磁場中，磁場強(qiáng)度矢量沿任一閉合路徑的線積分（即環(huán)流）等于包圍在環(huán)路內(nèi)各傳導(dǎo)電流電流的代數(shù)和，而與磁化電流無關(guān)。單位：安培/米(A/m)12二、磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理定義磁場強(qiáng)度在穩(wěn)13幾點(diǎn)說明：1）是一輔助物理量，描述磁場的基本物理量仍然是（名稱張冠李戴了）2）的單位是A/m（SI制）3）是一普遍關(guān)系式，可以寫成：13幾點(diǎn)說明：1）是一輔助物理量，描述磁場的基本物理14三各向同性的磁介質(zhì)介質(zhì)的磁導(dǎo)率令：稱為相對磁導(dǎo)率14三各向同性的磁介質(zhì)介質(zhì)的磁導(dǎo)率令：稱為相對磁導(dǎo)率15電介質(zhì)中的高斯定理磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理15電介質(zhì)中的磁介質(zhì)中的16稱為相對電容率或相對介電常量之間的關(guān)系之間的關(guān)系稱為相對磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率16稱為相對電容率之間的關(guān)系之間的關(guān)系稱為相對磁導(dǎo)率磁17例1一環(huán)形螺線管，管內(nèi)充滿磁導(dǎo)率為μ，相對磁導(dǎo)率為μr的順磁質(zhì)。環(huán)的橫截面半徑遠(yuǎn)小于環(huán)的半徑。單位長度上的導(dǎo)線匝數(shù)為n。

求：環(huán)內(nèi)的磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度解：17例1一環(huán)形螺線管，管內(nèi)充滿磁導(dǎo)率為μ，相對磁導(dǎo)率18例2一無限長載流圓柱體，通有電流I，設(shè)電流

I

均勻分布在整個(gè)橫截面上。柱體的磁導(dǎo)率為μ，柱外為真空。求：柱內(nèi)外各區(qū)域的磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度。解：IR18例2一無限長載流圓柱體，通有電流I，設(shè)電流I均19在分界面上H

連續(xù),B不連續(xù)IR19在分界面上H連續(xù),B不連續(xù)IR20練習(xí)一磁導(dǎo)率為

1的無限長圓柱形直導(dǎo)線，半徑為R1，其中均勻地通有電流I。在導(dǎo)線外包一層磁導(dǎo)率為

2

的圓柱形不導(dǎo)電的磁介質(zhì)，其外半徑為

R2，如圖所示。求磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布。

2

1IR2R120練習(xí)一磁導(dǎo)率為1的無限長圓柱形直導(dǎo)線，半徑為R21解：由安培環(huán)路定律

2

1IR2R121解：由安培環(huán)路定律21IR2R122無限長直電流的磁場圓電流中心的磁場長螺線管電流中部的磁場環(huán)形長螺線管中部的磁場無限大均勻磁介質(zhì)中磁場的畢-沙伐定律22無限長直電流的磁場圓電流中心的磁場長螺線管電流中部的磁場23靜電場與靜磁場的比較靜電場靜磁場（穩(wěn)恒磁場）對應(yīng)量高斯定理環(huán)路定理性質(zhì)方程23靜電場與靜磁場的比較靜電場靜磁場（穩(wěn)恒磁場）對應(yīng)量高斯定24測量磁滯回線的實(shí)驗(yàn)裝置05101520磁強(qiáng)計(jì)A測量H測量B

的探頭（霍爾元件）電阻電流表螺繞環(huán)鐵環(huán)狹縫換向開關(guān)12-3鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律24測量磁滯回線的實(shí)驗(yàn)裝置05101520磁強(qiáng)計(jì)A測量H測量251、磁化曲線磁強(qiáng)計(jì)測量B,如用感應(yīng)電動勢測量或用小線圈在縫口處測量；由得出曲線鐵磁質(zhì)的不一定是個(gè)常數(shù)，它是的函數(shù)原理:勵(lì)磁電流I;

用安培定理得H05101520磁強(qiáng)計(jì)A251、磁化曲線磁強(qiáng)計(jì)測量B,如用感應(yīng)電動勢測量由26鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律BHo.1..2.ca.初始磁化曲線飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BssBsBsH.rBbrB剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度.ccHcH矯頑力.dsBcH..rBe磁滯回線磁滯現(xiàn)象：B滯后于

H

的變化2、磁滯回線26鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律BHo.1..2.ca.初始磁化曲線飽和27初始磁化曲線.......矯頑力飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度磁滯回線剩磁27初始磁.......矯頑力飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度磁滯回線剩磁28（1）根據(jù)現(xiàn)代理論，鐵磁質(zhì)相鄰原子的電子之間存在很強(qiáng)的“交換耦合作用”，使得在無外磁場作用時(shí)，電子自旋磁矩能在小區(qū)域內(nèi)自發(fā)地平行排列，形成自發(fā)磁化達(dá)到飽和狀態(tài)的微小區(qū)域。這些區(qū)域稱為“磁疇”多晶磁疇結(jié)構(gòu)示意圖二、鐵磁質(zhì)內(nèi)的磁疇結(jié)構(gòu)28（1）根據(jù)現(xiàn)代理論，鐵磁質(zhì)相鄰原子的電子之間29（2）在外磁場作用下，磁疇發(fā)生變化。分兩步：A外磁場較弱時(shí)，凡磁矩方向與外磁場相同或相近的磁疇都要擴(kuò)大（疇壁向外移動）。B外磁場較強(qiáng)時(shí)，每個(gè)磁疇的磁矩方向都程度不同地向外磁場方向靠攏（即取向）。外磁場越強(qiáng)，取向作用也越強(qiáng)。此上兩種變化都導(dǎo)致單位物理小體積內(nèi)磁矩矢量和(即磁化強(qiáng)度M)從零逐漸增大，其方向與外場相同。外磁場越強(qiáng)，M也越強(qiáng)，這便是起始磁化曲線的成因。29（2）在外磁場作用下，磁疇發(fā)生變化。分兩步：A外磁場較30當(dāng)再加外磁場時(shí)，M不再增加，磁化達(dá)到飽和。（3）疇壁的外移及磁疇磁矩的取向是不可逆的，當(dāng)外磁場減弱或消失時(shí)磁疇不按原來變化規(guī)律逆著退回原狀。這解釋了磁滯的原因。（4）既然磁疇起因于電子自旋磁矩的自發(fā)有序排列，而熱運(yùn)動是有序排列的破壞者，因而當(dāng)溫度高于某一臨界時(shí)，磁疇就不復(fù)存在，鐵磁質(zhì)就變?yōu)槠胀槾刨|(zhì)。這一臨界溫度叫居里點(diǎn)。30當(dāng)再加外磁場時(shí)，M不再增加，磁化達(dá)到飽和。（3）疇壁31把一塊有剩磁的鐵磁質(zhì)加熱至居里點(diǎn)以上再冷卻，其剩磁會完全消失。順磁性

來自分子的固有磁矩?？勾判?/p>

起因于電子的軌道運(yùn)動在外磁場作用的變化。鐵磁性

起因于電子自旋磁矩的自發(fā)有序排列。例如，鐵的居里點(diǎn)是1043K。三種磁介質(zhì)起因的比較31把一塊有剩磁的鐵磁質(zhì)加熱至居里點(diǎn)以上再冷卻，其剩磁會完全32顯示磁疇結(jié)構(gòu)的鐵粉圖形32顯示磁疇結(jié)構(gòu)的鐵粉圖形33純鐵硅鐵鈷三種鐵磁性物質(zhì)的磁疇33純鐵硅鐵鈷三種鐵磁性物質(zhì)的磁疇34Si-Fe單晶(001)面的磁疇結(jié)構(gòu)箭頭表示磁化方向34Si-Fe單晶箭頭表示353.有剩磁、磁飽和及磁滯現(xiàn)象。鐵磁質(zhì)的特性2.有很大的磁導(dǎo)率。放入線圈中時(shí)可以使磁場增強(qiáng)102~

104倍。4.溫度超過居里點(diǎn)時(shí)，鐵磁質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾刨|(zhì)。1.磁導(dǎo)率μ不是一個(gè)常量，它的值不僅決定于原線圈中的電流，還決定于鐵磁質(zhì)樣品磁化的歷史。

B和H

不是線性關(guān)系。353.有剩磁、磁飽和及磁滯現(xiàn)象。鐵磁質(zhì)的特性2.有很大36三鐵磁質(zhì)的應(yīng)用軟磁材料作變壓器。純鐵，硅鋼坡莫合金(Fe，Ni)，鐵氧體等。

r大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大，矯頑力(Hc)小，磁滯回線的面積窄而長，損耗小（HdB面積?。?。還用于繼電器、電機(jī)、以及各種高頻電磁元件的磁芯、磁棒。(1)軟磁材料36三鐵磁質(zhì)的應(yīng)用軟磁材料作變壓器。r大，易磁化、易37(2)硬磁材料——作永久磁鐵鎢鋼，碳鋼，鋁鎳鈷合金(3)矩磁材