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1、一、场对运动电荷的作用力,回 顾,二、磁场对载流导线的作用力 安培力,洛伦兹力,由于自由电子与晶格之间的相互作用，使导线在宏观上看起来受到了磁场的作用力 .,安培定律 磁场对电流元的作用力,平面载流线圈边长分别为l 1和l 2的载流线圈，电流为I,三、磁场对平面载流线圈的作用力矩,1、 磁矩,圆电流轴线上磁感强度公式,与电流成右螺旋关系,2 磁场作用于载流线圈的磁力矩,如图 均匀磁场中有一矩形载流线圈 MNOP,线圈有N匝时,稳定平衡,不稳定平衡,1） 方向与 相同,2）方向相反,3）方向垂直,力矩最大,向里,稳定平衡,均匀磁场作用于载流线圈的磁力矩,M,N,O,P,侧视，向外,侧视，向里,当
2、电流方向与刚才的相反,侧视，向外,侧视，向里,不稳定平衡,结论: 均匀磁场中，任意形状刚性闭合平面通电线圈所受的力和力矩为,磁矩,例1 边长为0.2m的正方形线圈，共有50 匝 ，通以电流2A ，把线圈放在磁感应强度为 0.05T的均匀磁场中. 问在什么方位时，线圈所受的磁力矩最大？磁力矩等于多少？,问 如果是任意形状载流线圈，结果如何？,例2 如图半径为0.20m，电流为20A，可绕轴旋转的圆形载流线圈放在均匀磁场中 ，磁感应强度的大小为0.08T，方向沿 x 轴正向.问线圈受力情况怎样？线圈所受的磁力矩又为多少？,解 把线圈分为JQP和PKJ两部分,以 为轴， 所受磁力矩大小,例3 截面积
3、为S、密度为的铜导线被弯成正方形的三边，可以绕水平轴OO转动，如图所示。导线放在方向竖直向上的匀强磁场中，当导线中的电流为I时，导线离开原来的竖直位置偏转一个角度而平衡。求磁感应强度。若S=2mm2，=8.9g/cm3，=15，I=10A，磁感应强度大小为多少？,解：导线受重力和磁场力,磁场力的力矩,重力的力矩,由力矩平衡条件,顺磁质,定义:,如：氧、铝、钨、铂、铬等。,如：氮、水、铜、银、金、铋等。,如：铁、钴、镍等,r不同的磁介质在磁场中所表现出的特性不同：,抗磁质,铁磁质,1.磁介质的分类,I,I,磁介质对螺线管内的场有影响其内总磁场是：,相对磁导率,一、磁介质,15.5 磁场中的磁介质
4、,实物的基本组成单元：分子、原子、电子,+,-,电子运动：,绕核运动,电流环,轨道磁矩,自旋运动,自旋磁矩,两种运动磁效应的总和,等效,分子 圆电流,分子的固有磁矩,2. 分子磁矩,3. 顺磁质和抗磁质,两类磁介质, 0,= 0,顺磁质,抗磁质,二、 磁介质的磁化,1 顺磁质的磁化,可见：Bo强，,当介质处在外磁场中，电子轨道磁矩受磁力矩:,在磁力矩作用下，轨道角动量绕磁场方向旋进。,电子附加一个磁矩:,讨论,1 顺磁性介质处在外磁场时，其体内磁场：,抗磁性介质处在外磁场时，其体内磁场：,2 介质中的抗磁效应在顺磁介质中是否有？,有！,3 若将一磁介质放入磁场中，你如何判断该介质是顺磁还是抗磁
5、介质？,4 超导体是完全抗磁体,在外磁场中超导体内：,= 0,注：,表面分子磁化电流不是自由电荷定向运动形成,三、 磁介质中的安培环路定理,1. 磁化电流(束缚电流),以无限长螺线管为例,在磁介质内部的任一小区域：,相邻的分子环流的方向相反,在磁介质表面处各点：,分子环流未被抵消,形成沿表面流动的面电流,束缚电流,结论：介质中磁场由传导和束缚电流共同产生。,2. 磁介质中的安培环路定理,Ii 为环路所包围的传导电流。 Is 为环路所包围的是磁化电流，难以测量。,3.引入磁场强度 H,令,式中,称为磁介质的磁导率,则安培环路定理就可以写成如下形式:,磁介质中的安培环路定理,磁介质内磁场强度沿所选
6、闭合路径的环流等于闭合积分路径所包围的所有传导电流的代数和。,H 的单位：,A/m （ SI ）,一定条件下，可用安培环路定理求解磁场强度，然后再求解磁感应强度。,比较,例1 .如图所示,一电缆由半径为R1的长直导线和套在外面的内、外半径分别为R2和R3的同轴导体组成，其间充满相对磁导率为r的各向同性非铁磁质。电流I由半径为R1的中心导体流入纸面，由外面圆筒流出纸面，电流在导体横截面上均匀分布。求磁场分布。,解：由于电流分布和磁介质分布具有轴对称性，可知磁场分布也有轴对称性：H线和B线都是在垂直于轴线的平面内，并以轴线上某点为圆心的同心圆。于是选取距轴线距离r为半径的圆为安培环路L，取顺时针方
7、向为绕行方向，应用式（15-52）介质中安培环路定理则有：,H和B 随离轴线距离变化的曲线,四、铁磁质,1.主要特征,能产生非常大的附加磁场B。甚至千倍于外磁场B0，而且同方向。,B和H不是线性关系，是一复杂函数关系。即相对磁导率r可以很大但不是常量，r是磁场强度H的函数。,B的变化落后于H的变化，称磁滞现象。当H=0时,有剩磁现象。,各种不同铁磁质各有一临界温度Tc,当T Tc时，失去铁磁性，成为一般顺磁质。Tc称为铁磁质的居里点。如铁的居里点为1040K，镍的居里点是631K等等。,2.磁化曲线,装置：环形螺绕环，用铁磁质充满环内空间。,实验测量B：,由,(1) 铁磁质的r 不是个常数，它
8、是H 的函数。,原理：根据安培定理由通有的传导电流得：,结论,在螺绕环磁隙处测量,B的变化落后于H，从而具有剩磁磁滞效应,每个H 对应不同的B与磁化的历史有关。,1) 起始磁化曲线,2) 剩磁Br,饱和磁感应强度BS,3) 矫顽力Hc,(2) 磁滞回线,(3) 在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高磁滞损耗,磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。, 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：原子间电子交换耦合作用很强，使其自旋磁矩平行排列形成磁畴自发的磁化区域。,铁磁性主要来源于电子的自旋磁矩。,3. 铁磁质磁化的机制, 磁畴的变化可用金相显微镜观测
9、,H =0,H,B,根据现代理论，铁磁质相邻原子的 电子之间存在很强的“交换耦合作用” 使得在无外磁场作用时 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 区域称为“磁畴”,用磁畴理论可以解释铁磁质的磁化 过程、磁滞现象、磁滞损耗以及居里点,1892年罗辛格首先提出 磁畴的形成 是由于磁偶极子间非磁性的相互作用,磁畴,1926年海森堡用量子力学中的交换力解 释了磁偶极子间相互作用的起源,1935年 朗道和栗佛希兹从磁场能量的 观点说明了磁畴的成因,磁畴,2 磁滞 现象是由于材料有杂质和内应力等的作用，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
10、来。,3 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),1 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。,说明：,如：铁为 1040K，钴为 1390K， 镍为 630K,(1) 软磁材料：,r大，(起始磁化率大)饱和磁感应强度大,适用于变压器、继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。,4. 铁磁质的分类,特点：,矫顽力(Hc)小， 磁滞回线的面积窄而长， 损耗小（HdB面积小）。,易磁化、易退磁,纯铁，坡莫合金(Fe，Ni)，硅钢， 铁氧体等。,如,(2) 硬磁材料：,钨钢，碳钢，铝镍钴合金,矫顽力(Hc)大，剩磁Br大 磁滞回线的面积大，损耗大。,适用于做永磁铁。 耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。,(3) 矩磁材料,Br=BS ，Hc不大， 磁滞回线是矩形。用于记忆元件，,锰镁铁氧体，锂锰铁氧体,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。,
