1、12-1 磁介質(zhì)磁介質(zhì) 磁化強度磁化強度磁介質(zhì)磁介質(zhì)能與磁場產(chǎn)生相互作用的物質(zhì)能與磁場產(chǎn)生相互作用的物質(zhì)磁化磁化磁介質(zhì)在磁場作用下所發(fā)生的變化磁介質(zhì)在磁場作用下所發(fā)生的變化一、一、 物質(zhì)磁性的概述物質(zhì)磁性的概述第十二章第十二章 磁場中的磁介質(zhì)磁場中的磁介質(zhì) RI0B無磁介質(zhì)時：無磁介質(zhì)時：nIB00 RI RI RI RI磁介質(zhì)磁介質(zhì)錳、鉻、氮氣錳、鉻、氮氣-銀、銅、氫銀、銅、氫.鐵、鈷、鎳及其合金鐵、鈷、鎳及其合金充有磁介質(zhì)，充有磁介質(zhì)，有三種情況有三種情況BBB0BB 1）0BB 2）0BB 3）此種磁介質(zhì)稱此種磁介質(zhì)稱為順磁質(zhì)為順磁質(zhì)此種磁介質(zhì)稱此種磁介質(zhì)稱為抗磁質(zhì)為抗磁質(zhì)此種磁介質(zhì)稱此

2、種磁介質(zhì)稱為鐵磁質(zhì)為鐵磁質(zhì)BBBBo （1順磁質(zhì)順磁質(zhì)（3鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)（2抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)B 根據(jù)根據(jù) 的大小和方向可將磁介質(zhì)分為四大類的大小和方向可將磁介質(zhì)分為四大類 0BB 0BB 0BB 附加磁場附加磁場二、分子電流與分子磁矩二、分子電流與分子磁矩分子磁矩分子磁矩軌道磁矩軌道磁矩自旋磁矩自旋磁矩電子繞核的軌道運動電子繞核的軌道運動電子本身自旋電子本身自旋等效于圓電流等效于圓電流分子電流分子電流BpMmnISpm 分子磁矩在外磁場中受到分子磁矩在外磁場中受到磁力矩，使它向磁場方向磁力矩，使它向磁場方向偏轉，且按統(tǒng)計規(guī)律取向偏轉，且按統(tǒng)計規(guī)律取向分子電流所對應的磁矩在分子電流所對應的磁矩在外磁場

3、中的行為決定介質(zhì)外磁場中的行為決定介質(zhì)的特性。的特性。BImpmpmpImpImpILmpM0BmpLmp0BmpM軌道角動量與磁矩的關系：軌道角動量與磁矩的關系：Lmepm2222rrVerIpmmVrL 電子磁矩受到力矩電子磁矩受到力矩BpMm角動量定理角動量定理dtLdM繞磁場進動附加一磁矩繞磁場進動附加一磁矩 與外場與外場 反向。反向。mp0B1、順磁質(zhì)、順磁質(zhì)分子的固有磁矩不為零分子的固有磁矩不為零0 mp無外磁場作用時，由無外磁場作用時，由于分子的熱運動，分于分子的熱運動，分子磁矩取向各不相同子磁矩取向各不相同,整個介質(zhì)不顯磁性。整個介質(zhì)不顯磁性。0 mp三、磁化質(zhì)的順磁性與抗磁三

4、、磁化質(zhì)的順磁性與抗磁性性 有外磁場時，分子磁矩要有外磁場時，分子磁矩要受到一個力矩的作用，使分子受到一個力矩的作用，使分子磁矩轉向外磁場的方向。磁矩轉向外磁場的方向。mp0B0BpMm M 分子磁矩產(chǎn)生的磁場方向和外磁場方向一致，分子磁矩產(chǎn)生的磁場方向和外磁場方向一致，順磁質(zhì)磁化結果，使介質(zhì)內(nèi)部磁場增強。順磁質(zhì)磁化結果，使介質(zhì)內(nèi)部磁場增強。0BB 0Bmp指出一點：附加磁矩指出一點：附加磁矩 與與 相比要小得多，相比要小得多，mp相差兩個數(shù)量級。因此磁介質(zhì)中的相差兩個數(shù)量級。因此磁介質(zhì)中的磁場是加強了。磁場是加強了。0BB （順磁質(zhì)）（順磁質(zhì)）0B0Bmp02、抗磁質(zhì)、抗磁質(zhì)分子的固有磁矩為

5、零分子的固有磁矩為零0 mp在外磁場中，抗磁質(zhì)分子會產(chǎn)生附加磁矩在外磁場中，抗磁質(zhì)分子會產(chǎn)生附加磁矩電子繞核的軌道運動電子繞核的軌道運動電子本身自旋電子本身自旋mp外磁場場作用下產(chǎn)生外磁場場作用下產(chǎn)生附加磁矩附加磁矩mp 電子的附加磁矩總是削弱外磁場的作用。電子的附加磁矩總是削弱外磁場的作用?？勾判允且磺写沤橘|(zhì)共同具有的特性?？勾判允且磺写沤橘|(zhì)共同具有的特性。0BB 總與外磁場總與外磁場方向反向方向反向3.介質(zhì)磁化的過程如下：介質(zhì)磁化的過程如下：0mp一致取向與0Bpm00BBBB0mp反向取向與0Bpm00BBBBmmpp在外場中在外場中0mp在外場中在外場中順磁質(zhì)順磁質(zhì)抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)定義定義

6、:磁化強度磁化強度1 mAVpMmii四、磁化強度與磁化電流四、磁化強度與磁化電流Is磁化電流磁化電流 s沿軸線單位長度上的磁化電流沿軸線單位長度上的磁化電流（磁化面電流密度）（磁化面電流密度）ssmLSLSVpMM sI0I 磁化強度磁化強度M在量值上等于磁化面電流密度。在量值上等于磁化面電流密度。LSSIpssm nMS 式中：式中：M為磁化強度為磁化強度n為介質(zhì)表面外法線的單位矢。為介質(zhì)表面外法線的單位矢。abcd取如圖所示的積分環(huán)路取如圖所示的積分環(huán)路abcda: LabMl dM 磁化強度對閉合回路磁化強度對閉合回路L的線積分，等于穿過以的線積分，等于穿過以L為周界的任意曲面的磁化電

7、流的代數(shù)和。為周界的任意曲面的磁化電流的代數(shù)和。 ssIab BBB 0SBB一、磁介質(zhì)中的高斯定理一、磁介質(zhì)中的高斯定理0 sSdB0 sosSd)BB(SdB0 soSdB0 sSdB通過磁場中任一閉合曲面的總磁通量為零通過磁場中任一閉合曲面的總磁通量為零磁介質(zhì)中的高斯定理磁介質(zhì)中的高斯定理12-2 介質(zhì)中的磁場介質(zhì)中的磁場 磁場強度磁場強度二、磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理二、磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理 LLsIIl dB)(00 l dMIl dBLLL 000 LLIld)MB(00 LsLIldMMBH 0 定義磁場強度定義磁場強度 LLIl dH0 在穩(wěn)恒磁場中，磁場強度矢量沿任一閉合路徑在

8、穩(wěn)恒磁場中，磁場強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)各傳導電的線積分即環(huán)流等于包圍在環(huán)路內(nèi)各傳導電流電流的代數(shù)和，而與磁化電流無關。流電流的代數(shù)和，而與磁化電流無關。單位：安培單位：安培/米米(A/m)MBH 0 內(nèi)內(nèi)LLIl dH0幾點說明：幾點說明：MHB001） 是一輔助物理量，描述磁場的基本物理量是一輔助物理量，描述磁場的基本物理量 仍然是仍然是HBHB（ 名稱張冠李戴了）名稱張冠李戴了）H2） 的單位是的單位是A/mSI制）制）3）MBH0是一普遍關系式，以可寫成：是一普遍關系式，以可寫成：三三 各向同性的磁介質(zhì)各向同性的磁介質(zhì)HMm MBH 0 HB 介質(zhì)的磁導率介

9、質(zhì)的磁導率介質(zhì)的磁化率介質(zhì)的磁化率m HBm 0H)(Bm 10 r0MHB00令：令：mr1稱為相對磁導率稱為相對磁導率電介質(zhì)中的電介質(zhì)中的高斯定理高斯定理磁介質(zhì)中的磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理安培環(huán)路定理 SiSqqSdE)(01 LsLLIIl dB000 l dMIl dBLLL 00 LLIl dMB)(0 MBH 0 LLIl dH0 SSSSdPqSdE0011 SSqSdPE)(0 PED 0 VeSdVSdD E)(De01 EEDr 0 稱為相對電容率稱為相對電容率或相對介電常量或相對介電常量r 之間的關系之間的關系EDP、)(er 1EPe0 HMm 之間的關系之間的關系M,H

10、,BMBH 0 PED 0 H)(Bm 10)(mr 1HHBr 0r 稱為相對磁導率稱為相對磁導率r 0 磁導率磁導率例例1 一環(huán)形螺線管，管內(nèi)充滿磁導率為一環(huán)形螺線管，管內(nèi)充滿磁導率為，相對磁，相對磁導率為導率為r的順磁質(zhì)。環(huán)的橫截面半徑遠小于環(huán)的半徑的順磁質(zhì)。環(huán)的橫截面半徑遠小于環(huán)的半徑。單位長度上的導線匝數(shù)為。單位長度上的導線匝數(shù)為n。 求：環(huán)內(nèi)的磁場強度和磁感應強度求：環(huán)內(nèi)的磁場強度和磁感應強度rHl dHL 2 NI rNIH 2 nI HHBr 0 rO解：解：例例2 一無限長載流圓柱體，通有電流一無限長載流圓柱體，通有電流I ，設電流，設電流 I 均勻分布在整個橫截面上。柱體的

11、磁導率為均勻分布在整個橫截面上。柱體的磁導率為，柱，柱外為真空。外為真空。求：柱內(nèi)外各區(qū)域的磁場強度和磁感應強度。求：柱內(nèi)外各區(qū)域的磁場強度和磁感應強度。解：解：IR0 I rH Rr rHl dHL 2 I IRr22 22 RIrH 22 RIrB 在分界面上在分界面上H 連續(xù)連續(xù), B 不連續(xù)不連續(xù)Rr IrH 2rIH 2 rIB 20 IR0 Hr HRrRI 2OBRrRI 2ORI 20練習練習 一磁導率為一磁導率為1的無限長圓柱形直導線，半徑的無限長圓柱形直導線，半徑為為 R1，其中均勻地通有電流，其中均勻地通有電流 I 。在導線外包一層磁。在導線外包一層磁導率為導率為 2 的

12、圓柱形不導電的磁介質(zhì)，其外半徑為的圓柱形不導電的磁介質(zhì)，其外半徑為 R2，如下圖。求磁場強度和磁感應強度的分布。，如下圖。求磁場強度和磁感應強度的分布。 2 1IR2R1解：由安培環(huán)路定律解：由安培環(huán)路定律 iLIl dH iIrH 2 2 1IR2R11Rr 212 RIrH 2112 RIrB 21RrR rIH 2 rIB 22 2Rr rIH 2 rIB 20 無限長直電流的磁場無限長直電流的磁場圓電流中心的磁場圓電流中心的磁場長螺線管電流中部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環(huán)形長螺線管中部的磁場aIH 21RNIH2 nIH nIH 無限大均勻磁介質(zhì)中磁場的畢無限大

13、均勻磁介質(zhì)中磁場的畢-沙伐定律沙伐定律34rrlIdBd llrrlIdBdB34 0Il dHL0 l dEL 0qSdDS0 SdBS DEHB EBDH 1 測量磁滯回線的實驗裝置測量磁滯回線的實驗裝置0510 1520A測量測量H H測量測量B B 的探頭的探頭（霍爾元件）（霍爾元件）電阻電阻電流表電流表螺繞環(huán)螺繞環(huán)鐵環(huán)鐵環(huán)狹縫狹縫換換向向開開關關12-3 鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律1、磁化曲線、磁化曲線RNIH 2 磁強計測量磁強計測量B,如用感應電動勢測量如用感應電動勢測量或用小線圈在縫口處測量；或用小線圈在縫口處測量；Hr HBor 由由 得出得出 曲線曲線鐵磁

14、質(zhì)的鐵磁質(zhì)的 不一定是個常數(shù)，不一定是個常數(shù)，它是它是 的函數(shù)的函數(shù)Hr 原理原理: 勵磁電流勵磁電流 I; 用安培定理得用安培定理得HHr HBHr,B 05 10 1520ABHo.1.2.c a.初始磁化曲線初始磁化曲線BssBsBsH.rbr.cccH.dsBc.re磁磁 滯滯 回回 線線磁滯現(xiàn)象：磁滯現(xiàn)象：B B 滯后于滯后于 H H 的變化的變化2、磁滯回線、磁滯回線初始磁初始磁化曲線化曲線a.bcdBOH.SBSHe.rB fCHSB .SH 矯頑力矯頑力CH 飽和磁感應強度飽和磁感應強度磁滯回線磁滯回線剩剩 磁磁rBHBcHcH rBSBB的變化落后于的變化落后于H，從而具有剩

15、磁，從而具有剩磁，即磁滯效應。每個即磁滯效應。每個H對應不同的對應不同的B與磁化的歷史有關。與磁化的歷史有關。磁滯回線磁滯回線-不可逆過程不可逆過程在交變電流的勵磁下反復磁化使其溫度升高的在交變電流的勵磁下反復磁化使其溫度升高的磁滯損耗與磁滯回線所包圍的面積成正比。磁滯損耗與磁滯回線所包圍的面積成正比。 （1根據(jù)現(xiàn)代理論，鐵磁質(zhì)相鄰原子的電子之根據(jù)現(xiàn)代理論，鐵磁質(zhì)相鄰原子的電子之間存在很強的間存在很強的“交換耦合作用交換耦合作用”，使得在無外磁場，使得在無外磁場作用時，電子自旋磁矩能在小區(qū)域內(nèi)自發(fā)地平行排作用時，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)磁化達到飽和狀態(tài)的微小區(qū)域。列，形

16、成自發(fā)磁化達到飽和狀態(tài)的微小區(qū)域。 這些區(qū)域稱為這些區(qū)域稱為“磁疇磁疇”多晶磁疇結構多晶磁疇結構 示意圖示意圖二、鐵磁質(zhì)內(nèi)的磁疇結構二、鐵磁質(zhì)內(nèi)的磁疇結構（2在外磁場作用下，磁疇發(fā)生變化。分兩步：在外磁場作用下，磁疇發(fā)生變化。分兩步：A 外磁場較弱時，凡磁矩方向與外磁場相同或外磁場較弱時，凡磁矩方向與外磁場相同或相近的磁疇都要擴大疇壁向外移動）。相近的磁疇都要擴大疇壁向外移動）。B 外磁場較強時，每個磁疇的磁矩方向都程度外磁場較強時，每個磁疇的磁矩方向都程度不同地向外磁場方向靠攏即取向）。不同地向外磁場方向靠攏即取向）。 外磁場外磁場越強，取向作用也越強。越強，取向作用也越強。此上兩種變化都導

17、致單位物理小體積內(nèi)磁矩矢量此上兩種變化都導致單位物理小體積內(nèi)磁矩矢量和即磁化強度和即磁化強度M從零逐漸增大，其方向與外場從零逐漸增大，其方向與外場相同。外磁場越強，相同。外磁場越強， M也越強，這便是起始磁也越強，這便是起始磁化曲線的成因?；€的成因。當再加外磁場時，當再加外磁場時， M不再增加，磁化達到飽和。不再增加，磁化達到飽和。（3） 疇壁的外移及磁疇磁矩的取向是不可逆的，疇壁的外移及磁疇磁矩的取向是不可逆的， 當外磁場減弱或消失時磁疇不按原來變化規(guī)律逆著當外磁場減弱或消失時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。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

18、矩的自發(fā)有序排既然磁疇起因于電子自旋磁矩的自發(fā)有序排列，而熱運動是有序排列的破壞者，因而當溫度高列，而熱運動是有序排列的破壞者，因而當溫度高于某一臨界時，磁疇就不復存在，鐵磁質(zhì)就變?yōu)槠沼谀骋慌R界時，磁疇就不復存在，鐵磁質(zhì)就變?yōu)槠胀槾刨|(zhì)。這一臨界溫度叫居里點。通順磁質(zhì)。這一臨界溫度叫居里點。把一塊有剩磁的鐵磁質(zhì)加熱至居里點以上再冷卻，把一塊有剩磁的鐵磁質(zhì)加熱至居里點以上再冷卻，其剩磁會完全消失。其剩磁會完全消失。順磁性順磁性 來自分子的固有磁矩。來自分子的固有磁矩。抗磁性抗磁性 起因于電子的軌道運動在外磁場作起因于電子的軌道運動在外磁場作用的變化。用的變化。鐵磁性鐵磁性 起因于電子自旋磁矩的自發(fā)有序排列。起因于電子自旋磁矩的自發(fā)有序排列。例如，鐵的居里點是例如，鐵的居里點是1043K。顯示磁疇結構的鐵粉圖形顯示磁疇結構的鐵粉圖形純鐵純鐵硅鐵硅鐵鈷鈷三種鐵磁性物質(zhì)的磁疇三種鐵磁性物質(zhì)的磁疇Si-Fe單晶單晶(001)面的面的磁疇結構磁疇結構箭頭表示箭頭表示磁化方向磁化方向3. 有剩磁、磁飽和及磁滯現(xiàn)象。有剩磁、磁飽和及磁滯現(xiàn)象。鐵磁質(zhì)的特性鐵磁質(zhì)的特性2. 有很大的磁導率。有很大的磁導率。 放入線圈中時可以使磁場增強放入線圈中時可以使磁場增強102 104倍。倍。4.溫度超過居里點時，鐵磁質(zhì)轉變?yōu)轫槾刨|(zhì)。溫度超過居里點時，鐵磁質(zhì)轉變?yōu)轫槾刨|(zhì)。1. 磁導率磁導