1、磁介质, 磁介质的磁化, 磁化面电流, 磁场中的高斯定理 安培环路定理, 间的关系, 磁介质对磁场的影响,磁化强度矢量,第二章讨论了电流和运动电荷在真空中产生的磁场。,本章将讨论电流和运动电荷在实物（称之为磁介质） 中产生的磁场。,主要任务：,* 以实物物质的电结构为基础简单说明磁介质的三种类型：顺磁质、抗磁质、铁磁质。,* 类似讨论电介质的方法研究磁介质对磁场的影响。,介绍描述磁介质中磁场的物理量磁场强度 、 磁化强度 以及它们所遵守的普遍规律。,原子中电子参与两种运动： 自旋及绕核的轨道运动，对 应有轨道磁矩和自旋磁矩。,. 磁介质的磁化magnetization,类似电介质的讨论，从物质
2、电结构来说明磁性的起源。,* 分子电流和分子磁矩在外磁场中的行为,分子电流所对应的磁矩在 外磁场中的行为决定介质 的特性。,用等效的分子电流的磁效应 来表示各个电子对外界磁效 应的总合，称为分子电流、 固有磁矩。,分子磁矩在外磁场中受到 磁力矩，使它向磁场方向 偏转，且按统计规律取向,除此之外，分子磁矩在外磁场中还有绕磁场的进动。,角动量绕着铅直轴 （重力方向）进动,以陀螺为例说明：,* 在均匀外磁场中，电子的拉莫进动,电子的总角动量,轨道角动量与磁矩的关系：,电子磁矩受到力矩,角动量定理,绕磁场进动附加一磁矩 与外场 反向。,结论,* 固有分子磁矩包括所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩,前面以轨道
3、运动为例的结果同样适用于电子 及核的自旋,* 磁化强度矢量:,为了表征物质的宏观磁性或介质的磁化程度，定义磁化强度矢量：,单位体积内分子磁矩的矢量和 它带来附加磁场 的贡献。,显然它与介质特性、温度与统计规律有关。,单位：安培/米 (A/m),是描述磁介质的宏观量, 磁化面电流,磁化面电流也称为 束缚面电流或分子电流。,磁化面电流线密度 = 在垂直于电流流动方向上 单位长度的分子面电流。,若在l长介质表面束缚分子 面电流为 i 则其线密度为,设介质的截面积 S，则有：, 磁化强度的环流,普遍情况下可以证明,束缚电流线密度的大小等于磁化强度的切向分量。,电介质有,束缚电荷面密度的大小等于 电极化
4、强度的法向分量。,以充满介质的螺旋管为例， 选如图回路，求环流,磁化强度沿任一回路的环流，等于 穿过此回路的束缚电流 i的代数和,磁化强度沿任一回路的环流，等于穿过 此回路的束缚电流 i的代数和。 i与L环 绕方向成右旋者为正，反之为负。,物理意义,与电介质中对比的公式,电极化强度,束缚电荷,束缚面电流,磁化强度,.3 有介质时的高斯定理和安培环路定理, 磁介质中的高斯定理,磁力线无头无尾。穿 过任何一个闭合曲面 的磁通量为零。,磁感应强度 是外加磁场 与介质 内束缚电流产生的 的合场强., 磁介质中的安培环路定理,束缚电流,传导电流,有磁介质的总场,定义磁场强度 则有：,沿任一闭合路径磁场强
5、度的环流等于该 闭合路径所包围的自由电流的代数和。,物理意义,H 的环流仅与传导电流 I 有关,与介质无关。 (当 I相同时，尽管介质不同，H在同一点上 也不相同，然而环流却相同。因此可以用它 求场量 ，就象求 那样。,磁场强度H的单位：安培/米(A/m) SI,1奥斯特=103/4(A/m),1高斯=104特斯拉,电介质中的高斯定理,磁介质中的安培环路定理,称为相对电容率 或相对介电常量。, 之间的关系：, 之间的关系,实验规律 量纲,电磁场的 本构方程,描述真空中电磁场和 介质中电磁场的关系式,证明这里的 就是前面所说的,与 均为纯数或张量，描述磁介质特性的物理量。,解：因管外磁场为零，取
6、如图 所示安培回路,例题一：长直螺旋管内充满均匀 磁介质( )，设励磁电流 ，单 位长度上的匝数为 。求管内的 磁感应强度和磁介质表面的面束 缚电流密度。,例题二：长直单芯电缆的芯是一根半径为R 的 金属导体，它在与外壁间充满均匀磁介质，电 流从芯流过再沿外壁流回。求介质中磁场分布 及与导体相邻的介质表面的束缚电流。,方向沿圆的切线方向,方向与轴平行,磁介质内表面的总束缚电流,例题三：计算充满磁介质的螺绕环内的磁感应强度 已知磁化场的磁感应强度为 ，介质的磁化强度,解：设平均半径为R，线圈总 匝数N，通有电流 I0，取与环 同心的半径为R的圆为环路,磁化场就是空心螺绕环的,* 相对磁导率:,*
7、 顺磁质,* 抗磁质,* 铁磁质,磁介质的分类：,如氧、铝、钨、铂、铬等。,如氮、水、铜、银、金、铋等。,如铁、钴、镍等,超导体是理想的抗磁体,磁介质的磁化规律和机理,轨道角动量与磁矩的关系：,绕磁场进动附加一磁矩 与外场 反向。,结论,顺磁质 与 同向， 所以 与 同方向,抗磁质 与 反向， 所以 与 反方向， （只有附加磁矩）,顺磁质, 磁化曲线,装置：环形螺绕环; 铁磁质Fe,Co,Ni及 稀钍族元素的化合物，能被强烈地磁化,实验测量B,如用感应电动势测量 或用小线圈在缝口处测量；,由 得出 曲线,铁磁质的 不一定是个常数， 它是 的函数,铁磁质,原理:励磁电流 I; 用安培定理得H,结
8、果一,B的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应,每个 对应不同的 与磁化的历史有关。,起始磁化曲线；,剩磁,饱和磁感应强度,矫顽力,结果二,磁滞回线-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 磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。,结果三,铁磁体与铁电体类似；在交变场的作用下，它的形状 会随之变化，称为磁致伸缩（10-5数量级）它可用做 换能器，在超声及检测技术中大有作为。,如：铁为 1040K，钴为 1390K， 镍为 630K,每种磁介质当温度升高到一定程度时， 由高磁导率、磁滞、磁致伸缩等一系 列特殊状态全部消失，而变为顺磁性。,这温度叫临界温度，或称铁磁质的居里点。 不同
9、铁磁质具有不同的转变温度,结果四, 铁磁质的应用,* 作变压器的软磁材料。纯铁，硅钢 坡莫合金(Fe，Ni)，铁氧体等。,r大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。 饱和磁感应强度大，矫顽力(Hc)小，磁滞 回线的面积窄而长，损耗小（HdB面积小）。,还用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。,* 作永久磁铁的硬磁材料,钨钢，碳钢，铝镍钴合金,* 作存储元件的矩磁材料,Br=BS ，Hc不大，磁滞回线是矩形。用于记忆元件，当+脉冲产生HHC使磁芯呈+B态，则脉冲产生H HC使磁芯呈 B态，可做为二进制的两个态。,矫顽力(Hc)大（102A/m)，剩磁Br大 磁滞回线的面积大，损耗大。,
10、还用于磁电式电表中的永磁铁。耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。,锰镁铁氧体，锂锰铁氧体,* 交换力：电子之间的交换作用使其在自旋 平行排列时能量较低，这是一种量子效应。,* 磁畴(magnetic domain)：原子间电子交换耦合作用 很强，促使其自旋磁矩平行排列形成磁畴自发的 磁化区域。磁畴大小约为10171021个原子/10-18米3 。,铁磁性主要来源于电子的自旋磁矩。, 铁磁质磁化的机制,* 磁畴的变化可用金相显微镜观测,在外磁场较弱时，自发磁化方向与外磁场方向相同 或相近的那些磁畴逐渐增大（畴壁位移），在外磁 场较强时，磁畴自发磁化方向作为一个整体，不同 程度地转向外磁场方向。,在无外
11、磁场的作用下磁畴取向平均抵消，能量最低，不显磁性。,磁滞 (hysteresis) 现象是由于掺杂和内应力等的作用， 当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状， 而表现出来。,磁滞伸缩 (magnetostriction) 是因磁畴在外磁场中的取向，改变了晶格间距而引起的。,当温度升高时，热运动会瓦解磁畴内磁矩的规则排列； 在临界温度（相变温度Tc ）时，铁磁质完全变成了顺磁质。居里点 Tc (Curie Point),当全部磁畴都沿外磁场方向时，铁磁质的磁化就达到 饱和状态。饱和磁化强度MS等于每个磁畴中原来的磁 化强度，该值很大，这就是铁磁质磁性r大的原因。,例题一：如图载流无限长磁介质圆柱其磁导为 r1 外面有半径为 R2的无限长同轴圆柱面，该面也通有 电流 I，圆柱面外为真空，且R1r1 求B和 H的分布，在R1处的磁化电流I?,解：根据轴对称性，以轴上一点为圆心 在垂直于轴的平面 内取圆为安培回路：,同理,求解半径为R1的界面上的磁化面电流 I,在rR1和 R1rR2处磁化强度：,因为磁导率均大于1， 所以M方向与H相同。,在半径R1内外侧的磁化电流密度,与产生磁化场的内圆 柱传导电流方向相同。,
