Ch9(介质中的磁场).

物质（磁介质[MagneticMedium]）在磁场的作用下，将发生变化，这种变化反过来又影响原来的磁场，这种物质称为磁介质。在磁场作用下磁介质的变化──磁化。这个与电介质在电场中的情形类似，因此，磁介质的描述方法及物理量与电介质非常相似。磁介质的应用主要有：发电机、电动机、变压器中的铁芯、计算机中的记忆元件等。磁介质有三种：顺磁质（paramagetic）；抗磁质（diamagnetic）；铁磁质（ferromagnetic）。第九章介质中的磁场（MagneticFieldinMedium）本章主要研究磁化的宏观规律，重点是磁场强度(magneticintensity)和介质中的环路定理，磁化的微观机理，铁磁质的磁化规律。一、磁介质磁化(magnetize)的微观机制首先介绍顺磁质的磁化机理(1)分子电流假说：安培认为，磁介质中的每一个分子都可以看作一个环形电流，在无磁场时，这些环形电流的磁矩方向在空间的取向是杂乱无章的。如图所示§9-1磁介质的磁化0BmmIImmII(2)顺磁质的磁化当顺磁质中存在磁场时，分子电流的磁矩将与磁场方向趋于一致。这就是磁介质的磁化。如图所示。出现束缚磁化电流(3)为了描述分子磁矩在磁场中的取向排列的整齐程度，定义磁化强度矢量：VpPeVpMm比较：0BBB(4)磁介质内部的磁感应强度由于磁介质被磁化，磁化电流将在磁介质中激发磁场，因此，磁介质中任一点P的磁感应强度应该为：式中为P点的合磁感应强度，为外磁场在P点的磁感应强度，为磁化电流在P点产生的磁感应强度。0BBB二、磁化电流与磁化强度关系假设：①介质宏观体积内，每个分子电流Im都相同；②每个分子电流所围面积为S0；③分子磁矩pm取向相同。0SnIpnVpNVpMmmmm由特例给出(均匀磁化的柱形棒)MabcdMLSMVmpLSjSI''又。故Mj'写成矢量形式：nMjˆ'此式具有普遍意义的关系与.2IM取图示的回路，则有：baLldMldMcbldMdcldMadldMIML故有：LldMII为S面上的电流，L为S面的边界。1.与磁化面电流密度'j的关系：M在介质中任取一以L为边界的曲面S，计算通过曲面S的磁化电流I，分子电流与S的关系可分为三种情况：L(b)A(a)dlBCdlnSL•我们现在推导磁化电流与磁化强度矢量的关系：如图(A)与S不相交；(B)被S切割，与S相交二次；(C)被S的边界L穿过，与S相交一次。LldMI凡中心在圆柱体内的分子电流都被dl穿过，数量为，贡献为ldSn0ldMldSnIIdm0sSdPq对比所以前二种(A)(B)对I无贡献，只有(C)对I有贡献。在边界线L上任取一线元，以为轴线，以为底面，作斜圆柱体，其体积为：。dldl0SldSdV0L(b)A(a)dlBCdlnSL一、磁场强度,磁介质中的安培环路定理H0IldHL则磁介质中的安培环路定理为：)()((0000000LLldMIIIIldBIIIII是磁化电流）是传导电流，有磁介质时，MBH0奥斯特）的单位是：(Oe104/3mAH为磁场强度：令。即HIldMBL)(00§9-2磁介质中的磁场（MagneticFieldinMedium）0SSdB这表明：磁场是无源场，是涡旋场。由于磁化电流与传导电流在产生磁场方面性质相同，故有介质时,高斯定理仍成立(普适性)：。。即得。真空时,000000IldBIldBldHBHMLLLHMmmr1r0对大多数磁介质，实验证实,磁化强度与磁场强度成正比，即m─磁介质的磁化率，是一个纯数。定义磁介质相对磁导率为磁介质的绝对磁导率(磁导率)为于是在磁介质中有：HHHBHBMBHrmm0000)1(HB对比ED的关系MHB,,二、磁化率和磁导率,解∶取圆形回路为安培回路，则有在充满均匀磁介质场中磁感应强度为真空中的r倍。).(22,2,00RrrIHBrIHIrHIldHrrL[例题]一圆柱形电流电流强度为I，置于的无限大磁导率为r的磁介质中，求：柱外任一点的。HB,rIrRL§9−3磁介质的磁化规律一、磁介质分类及其特性：顺磁质(弱)抗磁质(弱)铁磁质(强)(锰、铝、氧…)(铜、银、岩盐、氢…)(铁、钴、镍…)有分子电流,无净分子电流,一般有固有磁矩。无固有磁矩。为非线性关系。有部分抗磁性,由电磁感应产生但总效果顺磁。抗磁性。外磁场撤除后,外磁场撤除后,外磁场撤除后,仍保留部分磁性磁性消失。磁性消失.--------磁滞。HM,。同方向与1,1,00rmmBB。反方向与1,1,0.0rmmBB。且很大：不是常数同方向。与6201010,,rmBB二、顺磁质和抗磁质的磁化规律1.顺磁质──分子的固有磁矩不为零。无外磁场时，由于热运动，顺磁质中分子的固有磁矩杂乱排列，大量分子的磁矩的矢量和为零，即，宏观上不显磁性。有外磁场时，分子磁矩的方向转向外磁场的方向。宏观上表现出磁性，在磁介质内的磁感应强度增大。顺磁质产生磁化电流很小，因此顺磁质为弱磁质。外磁场撤消，由于热运动破坏分子磁矩的定向排列，所以宏观上又不显磁性。顺磁质有：锰、铬、铝等。2.抗磁质──分子的固有磁矩为零，如：铜、银、氢。无外磁场时抗磁质不显磁性。加外磁场时，分子中电子的轨道发生运动（进动），相当于产生感应电流。这种微观的感应电流不存在电阻，一产生就将川流不息，直到外磁场撤消为止。这个感应电流产生的附加分子磁矩与外磁场方向相反，大量分子在宏观上显示磁性，虽产生的附加磁场很小，但与外磁场方向相反，使总磁场减弱。顺便指出的是：一切磁介质在外磁场的作用下，都要产生与外磁场反向的附加磁矩，而在顺磁质中，以固有磁矩的转向为主，抗磁性被掩盖了。抗磁性起源三、铁磁质1.磁化规律及特点：rNIH2如图将铁磁质做成环状，外部绕以线圈，通入电流，铁磁质被磁化，副线圈接冲击电流计，可测环中的磁感应强度。而磁场强度为：冲击电流计I环状铁芯被磁化铁磁质磁化性能很强，是性能特异，用途广泛的磁介质，主要有：铁、钴、镍、铁与金属或非金属的合金。铁磁质的磁化规律可用实验方法研究。(2)当磁场强度等于零时，铁磁质中的磁感应强度不为零，这种情形称为磁滞效应。OBHfdecb-BrBrHc-Hc磁滞回线a(3)要使铁磁质中的磁感应强度等于零，必须加上反向电流（反向磁场强度），使铁磁质中的磁感应强度等于零的反向磁场强度的值称为矫顽力。(1)当磁场强度达到一定值时，磁感应强度不再增大，这称为磁饱和。实验得到的B～H曲线如下图：由图可以看出，铁磁质具有以下特点：铁磁质中B和r随H的变化曲线OSHHr~HB~cHBr,(4)由图可知，磁化曲线为非线性的。曲线abcdef称为磁滞回线。(5)由下图可以看出，铁磁质的相对磁导率不是常数，它与磁场强度成非线性关系。(4)电子计算机中的记忆元件──矩磁材料。(3)做变压器、电机的铁芯──磁滞回线窄、剩磁小、矫顽力小的材料──软磁性材料。BOH(a)硬磁性材料的磁滞回线BOH(b)软磁性材料的磁滞回线BOH(b)矩磁性材料的磁滞回线2.铁磁质的应用磁滞回线去磁原理铁磁质的主要特点可归纳为：(1)相对磁导率高（几百到一兆）；(2)磁化曲线的非线性；(3)磁滞。(1)利用铁磁质的非线性可制作铁磁功率放大器，铁磁稳压器，铁磁倍频器，铁磁无触点开关等。(2)制造永磁铁──磁滞回线宽、剩磁大、矫顽力大的材料—硬磁性材料。1)无外磁场时，各个磁畴的磁矩方向不同，磁介质中任一处磁矩矢量和为零，对外不显磁性，当存在外磁场时，由于磁畴的壁取向与外磁场一致，显一定的磁性。3.磁畴理论(关于铁磁性成因的理论)源于电子的自旋磁矩(1)磁畴：在磁介质中存在的许多磁矩方向相同的自发饱和小区域：V→10-12m3，含有约1012——1017个原子。(2)解释：2)去掉外加的磁场，由于杂质内应力等原因，不能恢复原状，有剩磁。3)T升高,分子运动加剧,磁场被破坏,存在居里点。•磁屏蔽的原理如图所示，磁感应线（与电流线类比）总是在磁导率大的地方较密，在磁导率小的地方较疏，（类比：电流密度在电导率较大的地方较强，在电导率较大的地方较弱）则有：mmFR此式称为无分支闭合磁路的欧姆定律或磁路定理。它表明：闭合磁路的磁通势等于磁路中的磁势降落。•为了保护一些精密仪器，往往需要将一部分空间屏蔽起来，使之不受外磁场的干扰，这称为磁屏蔽。磁屏蔽•铁磁质的磁导率远大于空气的磁导率，因此，在铁磁质存在的地方，磁感应线集中通过铁磁质，而不通过空气。这样就空腔内部不受外磁场的影响。三、磁屏蔽：1.三种磁介质:顺磁质（paramagetic）；抗磁质（diamagnetic）；铁磁质（ferromagnetic）。2.磁化强度矢量VpMm3.磁化电流与磁化强度关系LldMI4.磁场强度,磁介质中的安培环路定理和高斯定理H0000000000.)()()()(IldHHIldMBldMIIIIldBIIIIILLLL为磁场强度：令即。是磁化电流是传导电流，有磁介质时，小结：5.磁化率和磁导率,的关系MHB,,HHHBHBMBHrmm)1(,0000HBBOH(a)硬磁性材料的磁滞回线BOH(b)软磁性材料的磁滞回线0SSdB9-1，9-2，9-3。课外作业大学物理精品课程网站