大学物理第14章.

1第14章磁场中的磁介质214.1磁介质对磁场的影响14.2原子的磁矩14.3磁介质的磁化本章主要内容了解磁介质的磁化现象及其微观解释。基本要求3BII14.1磁介质对磁场的影响1.磁介质——在考虑物质受磁场的影响或它对磁场的影响时，物质统称为磁介质。2.磁介质对磁场的影响B0：管内为真空或空气时的磁感应强度磁介质的相对磁导率铜铝纯铁)(1051065.11100.11355最大值B：管内充满磁介质时的磁感应强度43.磁介质的分类顺磁质抗磁质减弱原场增强原场如锌、铜、水银、铅等如锰、铬、铂、氧等弱磁性物质顺磁质和抗磁质的相对磁导率都非常接近于1。铁磁质通常不是常数具有显著的增强原磁场的性质如纯铁、硅钢、坡莫合金等514.2原子的磁矩Lmeme2闭合电流的磁矩：在外磁场中受到的磁力矩：核外电子轨道运动：rv，估算磁矩大小。neSIm经典理论：BmMrevvreI22ISm22rrev2evrvrmLe原子内电子轨道运动形成的电流：电子轨道运动的磁矩：电子轨道运动的角动量：电子的轨道磁矩：6分子磁矩可用一个等效的圆电流I（分子电流）来表示。Im分子磁矩电子的轨道磁矩电子的自旋磁矩核的自旋磁矩矢量和分子在正常情况下，其磁矩的矢量和不为零，分子在正常情况下，其磁矩的矢量和为零，即分子固有磁矩为零。磁介质→顺磁质：——分子固有磁矩。抗磁质：71.顺磁质0B有外场：磁矩转向，磁化。'0BBB分子固有磁矩不为零0m取向无规则，不显示磁性。无外场：8电子轨道半径不变外场方向与电子轨道磁矩方向相反：m外场方向与电子轨道磁矩方向相同：2.抗磁质结论：在外磁场作用下，电子的轨道运动和自旋运动以及原子核的自旋运动都会发生变化，产生一附加磁矩，附加磁矩总是与外磁场方向相反。注：顺磁质也有抗磁效应，但较顺磁效应小得多。0mLL++—感生磁矩无外场：不显示磁性有外场：914.3磁介质的磁化一、磁介质的磁化二、磁化强度三、磁化强度与束缚电流10一、磁介质的磁化顺磁质0I磁介质的磁化：磁介质放到外磁场中时，在磁介质的表面出现束缚电流的现象。顺磁质的束缚电流的方向与外磁场的方向符合右手螺旋关系，其产生的磁场要加强磁介质中的磁场；抗磁质的束缚电流的方向与外磁场的方向符合左手螺旋关系，其产生的磁场要减弱磁介质中的磁场；顺磁质放到外磁场中时，它的分子的固有磁矩要沿着磁场方向取向；抗磁质放到外磁场中时，它的分子要产生感生磁矩。束缚电流（或磁化电流）：磁介质放到外磁场中时，在磁介质的表面出现一电流。'I11二、磁化强度磁化强度：单位体积内分子磁矩的矢量和实验给出：在一般实验条件下，各向同性的顺磁质或抗磁质（以及铁磁质在磁场较弱时）的磁化强度都和外磁场成正比，即VmMiBMrr010：真空磁导率r：相对磁导率r0：磁导率，单位与相同0磁化强度越强，说明磁介质磁化程度越强(A/m)12三、磁化强度与束缚电流dlL只有环绕曲线L的分子电流才对通过曲面S的电流强度I'有贡献。先计算环绕dl的分子电流对I的贡献。以dl为母线作一斜圆柱体，其两底与分子电流所在平面平行，底的半径等于分子电流的半径a。只有中心处在该斜圆柱体的分子电流才环绕dl，LldMIMScos2dlainIdcosnmdlldM闭合路径L包围（通过曲面S）的总束缚电流：以n表示单位体积的分子数13本章小结•磁介质：抗磁质、顺磁质、铁磁质•原子的磁矩：顺磁质有固有磁矩抗磁质无固有磁矩•磁介质的磁化：束缚电流、磁化强度1414.4磁介质中的安培环路定理'0BBBMBH00inIldHL—磁场强度BILdI'0IdMr)(inin00IIldBL0in0)(IldMBLin00in0II—稳恒磁场、磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理：磁场强度沿任何闭合回路的线积分，等于该回路所包围的自由电流的代数和。LldMI15)1(0BMrrBHHm—磁介质的磁化率mHBMBH0BBrr001rB0Br0和关系的进一步推导：BMrr01Hr)1(16说明1、在国际单位制中，磁场强度的单位为A/m。2、引入磁场强度后，安培环路定律的右边只包含自由电流，便于计算。3、磁场强度仅仅是一个辅助量，真正有意义的是磁感应强度。DHEBqsdD比较：、将上式与4讨论：实验表明，在各向同性均匀磁介质中，和成正比。HHBr00inIldHLBMBH0BH17例14.1同轴电缆由两同心导体组成，内层是半径为R1的导体圆柱，外层是半径分别为R2、R3的导体圆筒。两导体内电流等量而反向，均匀分布在横截面上，导体的相对磁导率为r1，两导体间充满相对磁导率为r2的不导电的均匀磁介质。试求在各区域中的B分布。解：由安培环路定理，取半径为r的环路，则：0inIldHrH22210in1:rRIIRr212RrIH21012RrIBrIIRrR0in21:rIH2rIBr202IRRRrIIRrR)()(:22232220in32)(2)(2223223RRrIrRH)(2)(222322301RRrIrRBr0:0in3IRr0H0B1R2R3R2r1rr18例14.2一无限长直螺线管，单位长度上的匝数为n，螺线管内充满相对磁导率为r的均匀介质。导线内通电流I，求管内磁感应强度。解:nlInIHnIHBr0安培环路定理Bcabd•lHPabLldHldHHl1914.5铁磁质一、磁化曲线二、磁滞回线三、铁磁质的宏观性质四、铁磁性材料五、铁磁质的微观结构磁畴20铁、钴、镍和它们的一些合金、稀土族金属（在低温下）等具有明显而特殊的磁性：(1)它们的相对磁导率都比较大，且随B的大小而变化。(2)都有明显的磁滞效应。I由rNIH2求出H，再由其他方法测出B，做B-H(或M-H)曲线21一、磁化曲线（B或M随H变化的曲线）B—H和r—H曲线是非线性关系Ｂmax─饱和磁感强度HrmaxOBmaxBMNPHOr=B/0H从试样完全没有磁化开始，逐渐增大H，做出的Ｂ─H曲线叫初始磁化曲线曲线HB曲线Hr22当铁磁质到达饱和后，慢慢减小H值，B并不沿最初磁化曲线逐惭减小，即铁磁质的磁化过程并不是可逆的。BHOAFabcdefrBrBCHCH剩磁时，rBBH0矫顽力，时，ccHHHB0磁滞回线从此曲线看，B的变化总落后于H的变化，这种现象叫磁滞效应。注意：各种铁磁质都有一临界温度，称居里点（居里温度），在这温度以上的铁磁质失去铁磁性变为顺磁质。二、磁滞回线23退磁方法：3.加交变衰减的磁场使介质中的磁场逐渐衰减为0，应用在录音机中的交流抹音磁头中。BHoctHocH1.升高温度，达到居里温度以上。2.加反向磁场：提供矫顽力。4.敲击法：通过振动提供使磁畴瓦解的能量。24三、铁磁质的宏观性质1.可使原磁场大幅度增加2.与磁化历史有关B-H非线性3.磁滞现象4.居里温度四、铁磁性材料软磁材料：易于磁化，易于退磁，制作电磁铁，变压器硬磁材料：BH0软磁BH0硬磁1rrμ大，Bmax大，Hc小，磁滞回线窄Br大，Hc大，磁滞回线宽，制作永磁体25电子的自旋磁矩在一些小区域自发的整齐排列，形成自发磁化的小区域，称为磁畴。线度在10-4m。无0B——整个铁磁质的总磁矩为零（未经磁化的铁磁质）无外磁场五、铁磁质的微观结构磁畴26逐渐增大BB有外磁场磁化方向与有0B同向的磁畴扩大0B磁化方向转向的方向0B27导体半导体绝缘体铁磁质顺磁质抗磁质电介质：极化无磁荷BPEo辅助量HMBo辅助量DHI0Q0D磁介质：磁化磁场与电场比较基本场量有电荷E基本场量28I磁路：由铁心（或一定的间隙）构成的磁感线集中的通路。14.6简单磁路29例14.3如图示铁环，设环的长度为l=0.5m，s=4×10-4m2，环的间隙宽度为1.0mm，环上绕有线圈N=200匝，线圈中的电流为0.5A，铁心的r=5000，求间隙处的B数值。解：忽略漏磁通，铁心各截面的磁通相等SΦBSΦBB0由于间隙宽度很小，仍可认为磁通集中在面积S内，做一条沿环轴线的回路，应用磁场强度H的环路定理NIHHlldHL030NISSlΦr)(00NIBBlr00rlNIB0rBH0SΦB磁通————磁阻磁动势