第七章磁介质.

磁介质放入磁场中要受到磁场作用而发生磁化，本章以环形电流与磁偶极子等效为出发点，描述了介质的磁化情况，由此得出有介质存在时静磁场的基本规律。什么是磁介质?在外磁场的作用下内部结构发生变化，并且反过来影响外磁场的物质。磁介质的磁化：在磁场的作用下磁介质内部结构发生变化的过程。上一页下一页返回§7-1磁介质的磁化（一）磁介质对磁场的影响BI实验表明，软铁心使管内的磁感应强度B大大增强．IB0B以B0和B分别表示管内为真空和充满磁介质时的磁感应强度，则由实验得出它们的大小关系为0BBr称为磁介质的相对磁导率rr磁介质的种类或状态的不同，则不同.上一页下一页返回(铜、水、氢、银等)0BB(铁、钴、镍等)0BB(空气,铝、铬、等)0BBr顺磁质1抗磁质1铁磁质1磁介质的分类(1)顺磁质：在外磁场中呈现十分微弱的磁性，磁化后具有与外磁场同向的附加磁场的物质，如铝，铬等(2)抗磁质：在外磁场中呈现十分微弱的磁性，磁化后具有与外磁场反向的附加磁场的物质，如铜，铅等上一页下一页返回(3)铁磁质：在外磁场中呈现很强的磁性，磁化后具有很强的，与外磁场同向的附加磁场的物质，如铁，钴，镍等（二）分子电流分子磁矩分子电流原子中电子参与两种运动：自旋及绕核的轨道运动，对应有轨道磁矩和自旋磁矩。Im整个分子磁矩是其中各个电子的轨道磁矩和自旋磁矩以及核的自旋磁矩的矢量和（核的自旋磁矩常可忽略）。neISpm上一页下一页返回一个分子的各种磁矩的矢量和称为分子的固有磁矩，简称分子磁矩，用表示mp（三）顺磁质和抗磁质影响磁场的微观解释每个分子可以用一个等效的原电流表示，称为分子电流。(1)顺磁质：无外磁场作用时，分子的固有磁矩不为零但各个分子磁矩的取向杂乱无章，因而所有分子磁矩的矢量和等于零。无外磁场顺磁质的磁化0B有外磁场sI上一页下一页返回00BBBBBBB0'0BBB在有外磁场时，一方面分子磁矩沿方向取向，所以总磁矩不为零，总磁矩沿的方向，介质被磁化了。也就是说，这种介质处于外磁场中时，在宏观上显示了磁性并产生附加磁场，使介质所在空间的磁场增强。设附加磁场的磁感应强度为0B0BB总磁场大小所以，总磁场加强结论：无外磁场时顺磁质对外界不表现磁性。上一页下一页返回（2）抗磁质：无外磁场作用时，分子的固有磁矩为零。结论：无外磁场时这种磁介质在宏观上不显磁性。在有外磁场时产生感应磁矩，宏观上显示磁性，而附加分子磁矩与反向，因此总磁矩不为零。0B00BBBBBBB0'0BBB总磁场大小所以，总磁场减小上一页下一页返回（3）铁磁质单晶磁畴结构示意图多晶磁畴结构示意图在铁磁质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子中电子的自旋磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域称为磁畴。上一页下一页返回§7-2磁化强度矢量（一）磁化强度矢量VpMim注意：因为0mp②真空中。0M①无外磁场Bo时，介质中。0M定义：单位体积内的分子磁矩的矢量和称为磁化强度矢量，用表示。M在已磁化的磁体内取任一体积元体积元内分子磁矩矢量和为impV单位：A/m上一页下一页返回当磁介质中各点的M均相同时，则表示该介质是均匀磁化的．顺磁质磁化时，M与外磁场B0方向相同；抗磁质磁化时，M与外磁场B0方向相反．（二）磁化电流与磁化强度矢量的关系磁化面电流的出现磁化电流0B上一页下一页返回在一般磁化情况下，可以证明，穿过以L为边界线的S曲面的总磁化电流与磁化强度矢量M的关系为in/IIldM对于各向同性的均匀介质，介质内部各分子电流相互抵消，而在介质表面，各分子电流相互叠加，在磁化圆柱的表面出现一层电流，好象一个载流螺线管，称为磁化电流（或束缚电流）。上一页下一页返回lIssiSlSIssipimVMimpninissSlSlMABCDlsII设介质表面沿轴线方向单位长度上的磁化电流为（面磁化电流密度），则长为l的一段介质上的磁化电流强度IS为si证明：上一页下一页返回取一长方形闭合回路ABCD，AB边在磁介质内部，平行与柱体轴线，长度为l，而BC、AD两边则垂直于柱面。BAlMlMddABMMlsMiLidIllMs磁化强度对闭合回路的线积分等于通过回路所包围的面积内的总磁化电流。MABCDlsIIIlMd上一页下一页返回•（1）磁介质内部磁化电流体密度J’由磁化强度决定。在均匀磁化的磁介质中J‘=0。•（2）两磁介质界面上的磁化电流面密度由磁强度M依下式决定：n12eMM'§7.1-3磁介质存在时的安培环路定理LLLIldBi0i0I束缚电流传导电流有磁介质的总磁场不管是传导电流产生磁场，还是磁化电流产生磁场，都遵守毕奥一萨伐尔定律和叠加原理，所以，第五章讲的安培环路定理应改为上一页下一页返回磁介质中的安培环路定理LLLIldBi0i0IldMIldBLLL0i0ii0)(IldMBL束缚电流传导电流LLldMiI有磁介质的总磁场1I2ILiIknI1nI上一页下一页返回MBH0定义磁场强度则有：iiIldHL磁场强度沿任意闭合回路L的线积分等于该闭合路径所包围的自由电流的代数和。物理意义H的环流仅与传导电流I有关,与介质无关。(当I相同时，尽管介质不同，H在同一点上也不相同，然而环流却相同)。因此可以用它求场量，就象求那样。HD磁场强度H的单位：安培/米(A/m),高斯单位制中单位是：Oe(奥斯特)1奥斯特=103/4(A/m)1高斯=104特斯拉上一页下一页返回I为负值II为正值I绕行方向IdB0IdB0IdHIdH电流I的正负规定：积分路径的绕行方向与电流成右手螺旋关系时，电流I为正值；反之I为负值。上一页下一页返回Il22I1l1I例如：2101IIldBl20lldB20Hlld211HIIldl上一页下一页返回L2I1I3IldBldB）（）（210210II]I-I[)2II(210ldH）（）（2121II]I-I[ldH)2II(21上一页下一页返回关于恒定磁场中的另一定理―磁场中的高斯定理，由于传导电流和磁化电流产生磁场的规律相同，所以在磁介质中仍成立，即有物理意义：在磁场中，通过任意封闭曲面的磁通量恒等于零。上一页下一页返回0sd.BBgM之间的关系MHB,,B)g1(MBH00000g1g11HHBr0r称为相对磁导率r0称为磁导率实验表明，各向同性的非铁磁性物质，M与B成正比上一页下一页返回BBB0抗磁质(铜、铋、硫、氢、银等)0BB铁磁质(铁、钴、镍等)0BB顺磁质(锰、铬、铂、氧、氮等)0BB0BBr定义在介质均匀充满磁场的情况下相对磁导率r顺磁质1抗磁质1铁磁质1磁介质的分类g顺磁质0抗磁质0铁磁质0上一页下一页返回2R1RBL1)圆柱体内的B2)圆柱体外圆柱面内某点的磁场B3)圆柱面外的B例题1如图所示，磁导率为u1的无限长磁介质圆柱体，半径为R1，其中均匀地通有电流I,在它外面有半径为R2无限长同轴圆柱面，通有相反方向的电流I,二者之间充满不导电的磁导率u2的均匀磁介质，试求：IIu1u2上一页下一页返回2R1RBL1）当0rR1时212rIHR2111R2rIHBr2IH2）当R1rR2时r2IHB223）当R2r时H=0B=0上一页下一页返回作以轴为圆心、半径为r的圆环为积分路径由安培环路定理：iiIr2HldHL221rRIIiiIIii0Iii例题2•螺绕环，rR•已知：I0,n,,V求：H,B,L•解：环内：选取闭合回路如图RrRHL2d内lHRnI200()HnI内切向)(0切向内内nIHB•（环外：H外=0,B外=0）自=B内S=nI0S，自=N自=n2R·nI0S=n2VI0•L=自/I0=n2V（真空：L0=0n2V）•=rL0电介质中的高斯定理磁介质中的安培环路定理SSqqSdE)(1'0000'LLLBdlIIldMIldBLLL00LLIldMB)(0MBHdef0LLIldHSSSSdPqSdE00011SSqSdPE00)(PEDdef0VeSdVSdD上一页下一页返回EDe0)1(EEDr0r称为相对电容率或相对介电常量。之间的关系：EDP、、)1(erEPe0HMm之间的关系MHB,,实验规律量纲MBHdef0PEDdef0HBm)1(0)1(mrHHBr0r称为相对磁导率r0磁导率电磁场的性能方程上一页下一页返回§7-3铁磁质1）附加磁场很大，Bm,H2）是的复杂函数，即非线性HM3)或B落后于，——磁滞现象4)剩余磁性——剩磁5)居里温度，高于居里温度时，铁磁质呈现顺磁性,温度降至居里点以下后，又恢复铁磁性（一）铁磁体的特点材料居里点铁1043k钴1388k镍631k日常应用例：电饭煲。上一页下一页返回即高μ值0MH123。。。(a)M~H曲线0BH123。。。(b)B~H曲线【讨论一】：磁化曲线（起始磁化曲线）1)“0~1”：缓慢上升；2)“1~2”：激烈上升；3)“2~3”：减慢上升；4)“3~”：M不变，B线性上升上一页下一页返回磁滞回线0MH(c)M~H磁滞回线●a’●b’●c’c●-Hcb●Jba●Ma0BH(d)B~H磁滞回线a●c●●a’●b’●c’b●Bb【讨论二】：1)“a”点：Ma饱和磁化强度；2)“b”点：Mb剩余磁化强度，3)“c”点：Hc——矫顽力；Bb剩余磁感应强度；B和M的变化总是落后于H的现象称为磁滞现象看动画吧上一页下一页返回图磁畴磁畴与磁化当时，00B如右图所示,1、磁畴概述当时，00B磁畴转向外场方向排列。——铁磁质磁化。2、铁磁质磁化机理M=0M慢增M跳增转向饱和H=0HHHH可逆不可逆上一页下一页返回1、硬磁材料，矫顽力大：炭钢、合金钢、锰钢、钴钢和铁氧体等，可充磁成恒磁或称永磁。用于磁电式仪表，电声换能元件，永磁电机，指南针。（二）铁磁体分类与应用变压器，互感器，接触器，继电器，电机，电磁铁，磁芯，磁棒等广泛应用于2、软磁材料，矫顽力小：电工软铁（含C1‰），硅钢，铁氧体等。上一页下一页返回3、矩磁材料，剩磁大的软磁材料（见右图）BH矩磁可用作记忆元件，控制元件，开关元件4、磁致伸缩：高频振荡，超声波发生器等上一页下一页返回§4.磁场的能量•能量存在于“场”中，磁场中每点有wm能量密度•以螺线管为例•管内：H=nI，B=nI（均匀磁场）•管外：H=0，B=0•自感：•磁能：•能量密度：•非均匀磁场：wm(x,y,z)IL221LIWmVWwmmINBSISnInlVn22221VInHBV21HB21BH21VmVWd21BH例题•长同轴电缆，半径r1，r2的圆筒（