复旦大学《大学物理》课件-磁场中的磁介质(1).ppt

磁场中的磁场中的磁介质磁介质 12-1 磁介质磁介质 磁化强度磁化强度 磁介质磁介质能与磁场产生相互作用的物质能与磁场产生相互作用的物质 磁化磁化磁介质发生变化的过程称为被磁介质发生变化的过程称为被磁化磁化 一、一、物质磁性的概述物质磁性的概述 R I 0B无磁介质时：无磁介质时：nIB00理知：根据安培环路定 欢迎加入中南大学考试资料群：432726320 R I R I R I R I 磁介质磁介质 锰、铬、氮气锰、铬、氮气-银、铜、氢银、铜、氢.铁、钴、镍及其合金铁、钴、镍及其合金 充有磁介质，充有磁介质，有三种情况有三种情况 BBB0BB 1）0BB 2）0BB 3）此种磁介质称此种磁介质称 为为顺磁质顺磁质 此种磁介质称此种磁介质称 为为抗磁质抗磁质 此种磁介质称此种磁介质称 为为铁磁质铁磁质 BBBBo （1）顺磁质）顺磁质（3）抗磁质）抗磁质（2）铁磁质）铁磁质 B 根据根据 的大小和方向可将磁介质分为三大类的大小和方向可将磁介质分为三大类 0BB 0BB 0BB 附加磁场附加磁场 二二、分子电流与分子磁矩分子电流与分子磁矩 分子磁矩分子磁矩 轨道磁矩轨道磁矩 自旋磁矩自旋磁矩 电子绕核的轨道运动电子绕核的轨道运动 电子本身自旋电子本身自旋 等效于圆电流等效于圆电流分子电流分子电流 BpMm磁力矩：nISpm分子磁矩：分子磁矩在外磁场中受到分子磁矩在外磁场中受到 磁力矩磁力矩，使它向磁场方向，使它向磁场方向 偏转，且按统计规律取向偏转，且按统计规律取向 分子电流所对应的磁矩在分子电流所对应的磁矩在 外磁场中的行为决定介质外磁场中的行为决定介质 的特性。的特性。BImpmpmpImpImpILmpM0BmpLmp0BmpM轨道角动量与磁矩的关系：轨道角动量与磁矩的关系：Lmepm2222rrVerIpmmVrL 电子磁矩受到力矩电子磁矩受到力矩 BpMm角动量定理角动量定理 dtLdM绕磁场进动附加一磁矩绕磁场进动附加一磁矩 与外场与外场 反向。反向。mp0B1、顺磁质、顺磁质 分子的固有磁矩不为零分子的固有磁矩不为零 0 mp无外磁场作用时，由无外磁场作用时，由于分子的热运动，分于分子的热运动，分子磁矩取向各不相同子磁矩取向各不相同,整个介质不显磁性。整个介质不显磁性。0 mp三、三、磁介质的磁介质的顺磁性与抗磁性顺磁性与抗磁性 有外磁场时，分子磁矩要受到有外磁场时，分子磁矩要受到一个力矩的作用，使分子磁矩一个力矩的作用，使分子磁矩转向外磁场的方向。转向外磁场的方向。mp0B0BpMm M分子磁矩产生的磁场方向和外磁场方向一致，顺磁分子磁矩产生的磁场方向和外磁场方向一致，顺磁质磁化结果，使介质内部磁场增强。质磁化结果，使介质内部磁场增强。0BB 0B0B顺磁质加强了。磁介质中的磁场是相差两个数量级。因此相比要小得多，与指出一点：附加磁矩0BBppmm0mp0B2、抗磁质、抗磁质 分子的固有磁矩为零分子的固有磁矩为零 0 mp在外磁场中，抗磁质分子会产生附加磁矩在外磁场中，抗磁质分子会产生附加磁矩 电子绕核的轨道运动电子绕核的轨道运动电子本身自旋电子本身自旋 mp外磁场作用下产生附外磁场作用下产生附加磁矩加磁矩 mp 电子的附加磁矩总是削弱外磁场的作用。电子的附加磁矩总是削弱外磁场的作用。抗磁性是一切磁介质共同具有的特性。抗磁性是一切磁介质共同具有的特性。0BB 总与外磁场总与外磁场方向方向反向反向 3.介质磁化的过程如下：介质磁化的过程如下：顺磁质顺磁质 抗磁质抗磁质 0mpmmpp在外场中一致取向与0Bpm00BBBB0mp0mp在外场中00BBBB反向取向与0Bpm定义定义:磁化强度磁化强度 1mAVpMimi单位：四、四、磁化强度与磁化电流磁化强度与磁化电流 Is磁化电流磁化电流 s沿轴线单位长度上的磁化电流沿轴线单位长度上的磁化电流（磁化面电流密度）（磁化面电流密度）ssmLSLSVpMM sI0I 磁化强度磁化强度M在量值上等于磁介质表面磁化电流面密度在量值上等于磁介质表面磁化电流面密度。LSSIpssm nMS 式中：式中：M为磁化强度为磁化强度 n为介质表面外法线的单位矢。为介质表面外法线的单位矢。a b c d 取如图所示的积分环路取如图所示的积分环路abcda:LabMl dM 磁化强度对闭合回路磁化强度对闭合回路L的线积分，等于穿过以的线积分，等于穿过以L为周界的任意曲面的磁化电流的代数和。为周界的任意曲面的磁化电流的代数和。ssIab BBB 0S BB一一、磁介质中的磁介质中的高斯定理高斯定理 0 sSdB0 sosSd)BB(SdB0 soSdB0 sSdB通过磁场中任一闭合曲面的总磁通量为零通过磁场中任一闭合曲面的总磁通量为零 磁介质中的高斯定理磁介质中的高斯定理 12-2 介质中的磁场 磁场强度 二、有二、有磁介质时的安培环路定理磁介质时的安培环路定理 LLsIIl dB)(00 l dMIl dBLLL 000 LLIld)MB(00 LsLIl dMMBH 0 定义定义磁场强度磁场强度 LLIl dH0 在稳恒磁场中，磁场强度矢量沿任一闭合路径在稳恒磁场中，磁场强度矢量沿任一闭合路径的线积分（即环流）等于包围在环路内各传导电的线积分（即环流）等于包围在环路内各传导电流的代数和，而与磁化电流无关。流的代数和，而与磁化电流无关。单位单位：安培：安培/米米(A/m)MBH 0 内内LLIl dH0几点说明：几点说明：1）是一辅助物理量，描述磁场的基本物理量是一辅助物理量，描述磁场的基本物理量 仍然是仍然是 HBHB（名称张冠李戴了，历史原因）名称张冠李戴了，历史原因）3）MBH0是一普遍关系式，也可以写成：是一普遍关系式，也可以写成：国际单位制的单位是mAH/2MHB00三三 各向同性的磁介质各向同性的磁介质 HMm MBH 0 HB磁介质的磁化率mHBm 0HBm)1(0磁介质的磁导率r0MHB00率称为磁介质的相对磁导mr1类比与ED电介质中的电介质中的 高斯定理高斯定理 磁介质中的磁介质中的 安培环路定理安培环路定理 SiSqqSdE)(01 LsLLIIl dB000 l dMIl dBLLL 00 LLIl dMB)(0 MBH0 LLIl dH0 SSSSdPqSdE0011 SSqSdPE)(0 PED00qSdDSE)(De01 EEDr 0 称为相对电容率称为相对电容率 或相对介电常量或相对介电常量 r 之间的关系之间的关系 EDP、)(er 1EPe0 HMm 之之间的关系间的关系 M,H,BMBH 0 PED 0 H)(Bm 10)(mr 1HHBr 0r 称为相对磁导率称为相对磁导率 r 0 磁导率磁导率 例例1 一环形螺线管，管内充满相对磁导率为一环形螺线管，管内充满相对磁导率为r的顺磁的顺磁质。环的横截面半径远小于环的半径。单位长度上的质。环的横截面半径远小于环的半径。单位长度上的导线匝数为导线匝数为n。求：环内的磁场强度和磁感应强度。求：环内的磁场强度和磁感应强度。nIHHBnIHIrnrHl dHrrL0022解得安培环路定理有解：根据有磁介质时的rO例例2 一无限长载流圆柱体，通有电流一无限长载流圆柱体，通有电流I，设电流，设电流 I 均匀均匀分布在整个横截面上。柱体的磁导率为分布在整个横截面上。柱体的磁导率为，柱外为真空，柱外为真空。求：柱内外各区域的磁场强度和磁感应强度。求：柱内外各区域的磁场强度和磁感应强度。I R 0 I rH.2.2.22222RIrHBRIrHIRrrHl dHRrL解得安培环路定理有时，根据有磁介质时的解：在分界面上在分界面上H连续连续,B不连续不连续.2.2.200rIHBrIHIrHRr则安培环路定理有时，根据有磁介质时的I R 0 Hr HRr22 RIrOBRr22 RIrOrI20rI2练习练习 一磁导率为一磁导率为 1的无限长圆柱形直导线，半径为的无限长圆柱形直导线，半径为 R1，其中均匀地通有电流，其中均匀地通有电流I。在导线外包一层磁导率。在导线外包一层磁导率为为 2的圆柱形不导电的磁介质，其外半径为的圆柱形不导电的磁介质，其外半径为 R2，如，如图所示。求磁场强度和磁感应强度的分布。图所示。求磁场强度和磁感应强度的分布。2 1 I R2 R1 解：解：根据有磁介质时的安培环路定理根据有磁介质时的安培环路定理 iiLIrHIl dH2 2 1 I R2 R1.222111212121RIrHBRIrHIRrIRri则时，.22,2221rIHBrIHIIRrRi则时，.22,002rIHBrIHIIRri则时，无限长直电流的磁场无限长直电流的磁场 圆电流中心的磁场圆电流中心的磁场 载流长直螺线管内的磁场载流长直螺线管内的磁场 载流螺绕环内的磁场载流螺绕环内的磁场 aIBaIH22RIBRIH22nIBnIHnIBnIH无限大均匀磁介质中磁场的毕奥无限大均匀磁介质中磁场的毕奥-萨伐尔定律萨伐尔定律 34rrlIdBd llrrlIdBdB34静电场与稳恒磁场的比较静电场与稳恒磁场的比较 静电场静电场 稳恒磁稳恒磁场场 0Il dHL0 l dEL 0qSdDS0 SdBSEDHB 对应量对应量 EBDH 1 高斯定理高斯定理 环路定理环路定理 性质方程性质方程 测量磁滞回线的实验装置测量磁滞回线的实验装置 0 5 10 15 20 磁强计磁强计 A 测量测量H 测量测量B 的探头的探头 （霍尔元件）（霍尔元件）电阻电阻 电流表电流表 螺绕环螺绕环 铁环铁环 狭缝狭缝 换换 向向 开开 关关 12-3 铁磁质铁磁质 一一 铁磁质的磁化规律铁磁质的磁化规律 1、磁化曲线磁化曲线.22nIHIrnrH磁强计磁强计测量测量B,如用感应电动势测量如用感应电动势测量 或用小线圈在缝口处测量；或用小线圈在缝口处测量；铁磁质的铁磁质的 不是一个常量，不是一个常量，它是它是 的函数的函数 Hr 原理原理:励磁电流励磁电流 I;根据根据 有磁介质时的安培环路有磁介质时的安培环路 定理有定理有 Hr HBHr,B 0 5 10 15 20 磁强计磁强计 A 曲线得出由HHBHBrrr00初始磁初始磁 化曲线化曲线 a.bcdBOH.SBSHe.rB fCHSB.SH 矫顽力矫顽力 CH 饱和磁感应强度饱和磁感应强度 磁滞回线磁滞回线 剩剩 磁磁 rB2.磁滞回线 HBcHcH rBSBB的变化落后于的变化落后于H，从而具有剩磁，从而具有剩磁，即即磁滞效应磁滞效应。每个。每个H对应不同的对应不同的B与磁化的历史有关。与磁化的历史有关。磁滞回线磁滞回线-不可逆过程不可逆过程 在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高的在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高的 磁滞损耗磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。与磁滞回线所包围的面积成正比。（1）根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存）根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的“在很强的“交换耦合作用交换耦合作用”，使得在”，使得在无外磁场无外磁场作用作用时，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列，时，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列，形成自发磁化达到饱和状态的微小区域。这些区域形成自发磁化达到饱和状态的微小区域。这些区域称为“称为“磁畴磁畴”。”。多晶磁畴结构多晶磁畴结构 示意图示意图 二、二、铁磁质内的铁磁质内的磁畴磁畴结构结构 （2）在外磁场作用下，磁畴发生变化。分两步：在外磁场作用下，磁畴发生变化。分两步：A 外磁场较弱时，凡磁矩方向与外磁场相同或外磁场较弱时，凡磁矩方向与外磁场相同或相近的磁畴都要扩大（畴壁向外移动）。相近的磁畴都要扩大（畴壁向外移动）。B 外磁场较强时，每个磁畴的磁矩方向都程度不外磁场较强时，每个磁畴的磁矩方向都程度不同地向外磁场方向靠拢（即取向）。外磁场越强同地向外磁场方向靠拢（即取向）。外磁场越强，取向作用也越强。，取向作用也越强。此上两种变化都导致单位物理小体积内磁矩矢量此上两种变化都导致单位物理小体积内磁矩矢量和（即磁化强度和