第九章-磁介质

1第9章磁场中的磁介质本章研究把磁介质引进磁场后磁场与磁介质的相互作用及有磁介质存在时磁场的计算问题。2第9章磁场中的磁介质一、磁介质磁化规律二、有磁介质时磁场的计算三、铁磁质3电极化现象的关系与EP)(lqpePEPr)1(0,0PED)(ED磁化现象)(SipmM的关系与BM,0MBH)(BHDH0.qSdDS0.IldHS原因原因BrrM01一、磁介质磁化规律磁介质－与磁场有相互作用的物质(所有物质)。磁介质的磁化规律可与电介质的极化规律对比：40E'E0B'0EEE'0BBB---+++'B(与B0同向或反向)磁化电流I’极化电荷q’电极化磁化1.磁介质的磁化磁化现象---外磁场下,表面,磁化电流I’,磁性0B0BI’（实验规律）0BBr磁介质对磁场的影响－－5磁介质分类：顺磁质、抗磁质、铁磁质顺磁质，抗磁质，铁磁质，BB0(铝、锰、铂）BB0（铅、铜、锌）,1rBB0（纯铁、硅钢）,1r,1r磁介质对磁场的影响来源于其内部机制。（实验规律）0BBr磁介质对磁场的影响－－某些磁介质的相对磁导率见书P287表9.162.原子的磁距电子的磁矩ISm电子的轨道运动电流reIπ2v2ππ22rerremvv轨道磁矩电子轨道运动的角动量rmLev电子轨道磁矩与轨道角动量的关系：Lmeme2Smeme电子自旋磁矩和自旋角动量S的关系：72.磁化原因①顺磁质的磁化顺磁质分子有固有的分子磁矩（主要是电子m分10-23A·m2。00B热运动使完全分m00B显现磁性。方向,0B排列趋于使分0mB混乱，不显磁性。轨道和自旋磁矩的贡献），8②抗磁质的磁化抗磁质的分子固有磁矩为0。00B不显磁性，分0m0B分mΔ附加磁矩0B显示抗磁性9①磁化强度：VmMVΔlim0Δ分对顺磁质和抗磁质，实验表明：BM②磁化电流：由于介质磁化而出现的一些等效3.磁化强度与磁化电流（magnetizationandmagnetizationcurrent）的附加电流分布。对铁磁质，实验表明：M和B呈非线性关系，而且是非单值对应关系单位：A/m10矩方向都相同，圆柱体上环电流形成磁长为截面lS磁化强度与磁化电流的关系nMiˆ等于沿轴线单位长度上的磁化电流。i即磁化电流密度等于磁化强度沿该表面处的分量。当磁化强度与介质表面不平行时iLLiLILSSIVSIMSISimPim＝总磁矩cossinMMiBMLSBMnˆ11磁化强度的环流dacdbcabldMldMldMldMldM000__abibaMIIldMl磁化强度M沿闭合回路的线积分等于该回路包围的磁化电流代数和。12二、有磁介质时磁场的计算真空中IldB0介质中)(00IIldBII0总磁场IIldB00)(1ldMI000)(IldMB0MBH为磁场强度，单位：安/米BBB0式中：为穿过回路的总电流定义1.H的环路定理130IldH磁场强度对回路l的线积分等于穿过该回传导电流的代数和(有介质存在时的环路定理)。H穿过回路传导电流代数和:0I对各向同性的顺磁质或抗磁质，有,HMHMmm磁化率MHB00)(MH0)(HHm0Hm)(10Hr0H,mr1.r0HHBr02.B与H的关系0MBH依据BrrM0114真空中00MBH，由得HB00或oBH0若传导电流保持不变，则真空中和介质中的相等，故在介质中有000BBHBr磁力线是闭合曲线BBB00)(0SdBBSdB－－有介质时的高斯定律3.有介质时的高斯定律15有介质存在时B的求法：1.根据传导电流的分布，分析磁场的对称性；2.选取合适的积分环路，使H从积分号提出来；3.计算传导电流代数和，由H环路定理求出H；4.根据B与H的关系求B。HHBr016例1一铁环中心线周长=30cm,横截面S=1.0cm2,环上密绕N=300匝的线圈,当导线中电流I=32mA时,通过环截面的磁通=210-6wb,试求铁芯的磁化率Xm.解做一个环路abcda0IldHmALNIHabLNIabH/32TsB2102abcdAmTHB/1025.6/449610m分析：H→B→Φ→μ→m17例2一细螺绕环，它由表面绝缘的导线在铁环上密绕而成，每厘米绕10匝。I=2A时，测得环内B为1.0T，则铁环的相对磁导率r为(A)796(B)398(C)199(D)63.34110002510Tm/ABnI0398r18例3同轴电缆由一导体圆柱(半径为a)和同轴导体园管(内外半径为b、c)构成，二者之间充满磁介质，电流I从导体圆柱流去，从导体管流回，求磁感应强度分布。解电流轴向分布，磁力线为同心圆。选磁力线为积分环路12LrHldH1L对所有磁力线环路成立1L3L2L12LrHldH22LrHldH32LrHldH19闭合环路包围的传导电流iI)(3222LarIraI对)(2LI对)()(122222222LbcrcIbrbcII对)(0对电缆外1L3L2L20有根据0IldHrIHi2)(22圆柱体内aIr)(2圆柱体与管之间rI)(22222导体管内bcrcrI)(0对电缆外BHHBr可求出由021HB)(220圆柱体内aIr)(2圆柱体与管之间rI)(222220导体管内bcrcrI)(0对电缆外22线~测变曲，绘出，改BHBI(1)起始磁化曲线(2)Hr—曲线r随H变化三、铁磁质1.铁磁质的磁化特性B=H,=0r恒量,可以很大H时,B,饱和Bs23(3)磁滞回线当温度高到某一特定温度值时,铁磁材料的所有特性消失而成为顺磁质,这一临界温度叫作居里点。铁磁质中B的变化总是落后于外加磁场H变化,即H=0时,B0的剩磁现象称为磁滞现象。退掉剩磁需要矫顽力。磁滞回线说明铁磁质的B与H的关系是非线性的,与磁化历史有关.Br:剩磁Hc:矫顽力242.铁磁质的磁化机理——磁畴理论当时，00B(1)磁畴在磁介质内形成的一个个微小的自发磁化区域。在每个小区域内,原子磁矩排列整齐,取向相同,因而具有很强磁性。(2)磁畴理论磁畴取向杂乱无章,不显磁性.当时，00B每个磁畴的磁矩都沿B0方向,宏观上显示很强的附加磁场。25各种材料磁畴线度相差较大：磁畴体积约为10-6(mm)3，一个磁畴中约有1012~1015个原子。磁畴磁矩沿某个易磁化方向(directionofeasy所有的磁畴为什么不形成一个磁化整体呢？NSNS静磁能高交换能低NSSN静磁能低交换能高矛盾因素协调平衡，才使铁磁体整体能量最低。从10-3m到10-6m，一般为10-4~10-5m，magnetization)排列。易磁化方向由晶体结构决定。263.硬磁和软磁材料①硬磁材料（hardmagneticmaterial）特点：磁滞损耗大，适合制作永久磁铁、碳钢、钨钢HHcBBBr也大，磁芯（记忆元件）等。Hc大（102A/m），一般Hc为104-106A/m，一般为103-104G。磁滞回线“胖”，27“矩磁材料”BBrHcH-Hc-BrBr-Br“0”“1”可作记忆元件28②软磁材料（softmagneticmaterial）Hc小（102A/m），磁滞回线“瘦”，磁滞损耗小，适于制作交流电磁铁、变压器铁芯等。纯铁、硅钢HBHcBr大m坡莫合金(Fe78%、Ni22%)用于电子设备HBBrHc大i特点：一般约Hc为1A/m。293.居里点（Curiepoint）磁畴MT（自发磁化减弱）0磁畴MTTc（磁畴瓦解，表现顺磁性）Tc是失去铁磁性的临界温度，称“居里点”。时，又恢复铁磁性。当cTTFe：Tc=767℃Ni：Tc=357℃Co：Tc=1117℃304.磁致伸缩方向改变变磁畴MB晶格间距改变铁磁体长度和体积改变—磁致伸缩。长度相对改变约10-5量级，温下可达10-1；某些材料在低磁致伸缩有一定固有频率，化频率和固有频率一致时，发生共振，当外磁场变可用于制作激振器、超声波发生器等。31静电场与稳磁场比较静电场稳恒磁场场源静止电荷dq定常运动电荷稳定电流Idl场力静电力稳流导线互作用运动电荷互作用电场强度E磁感应强度BnSIpm00qFE库仑定律安培力定律典型场源电偶极子圆电流lqpBvqF基本规律物理量小结32静电场稳恒磁场通量seSdE)(SmSdB高斯定律真空中：S内iSqSdE010)(SSdB介质中：0qsdD真空中：同一介质中：电力线:有源有尾磁感应线:闭合线场本质有源场,无旋场有旋场,无源场全部电荷代数和自由电荷代数和0SdH33静电场稳恒磁场场环流)(0包围lilIldB介质两种极化机制，多种磁化机制，束缚电荷，分子电流,VpPiVmMmiSjMcoscosp介质中环流定理0ldD0IldHHHBr0EEDr00ldE34电场与磁场是统一体电荷相对静止电场电荷相对运动磁场1.运动观点:静止是相对的,运动是绝对的,电磁场是统一体.运动电荷产生电磁场2.物质结构:导体和介质极化和磁化机制定量描述对定理影响束缚电荷和分子电流极化强度和磁化强度HHBr0EEDr0介质方程35作业:P313-6、7、8、9