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1、第12章 磁介质中的恒定磁场,12.1 磁介质及其磁化,12.2 磁介质中的高斯定理和安培环路定理,12.3 铁磁质,12.1.1 磁介质及其分类,能与磁场发生相互作用的物质,磁介质(magnetic medium) ：,被极化,附加电场,电介质,磁介质,被磁化,附加磁场,？,磁介质中磁场：,定义：相对磁导率(relative permeability),12.1 磁介质及其磁化,如：真空螺线管的磁场：,则，介质螺线管的磁场：,介质磁导率(permeability),磁介质分类：,弱磁性介质,强磁性介质,超导材料,顺磁质(paramagnet) 抗磁质(diamagnetic material
2、),铁磁质(ferromagnetics),r = 0 B=0 完全抗磁性,磁介质,r 1, BB0, B与B0同向,r 1,BB0 ,B与B0反向,r 1, BB0, B与B0同向,12.1.2 分子磁矩和分子附加磁矩,1. 分子磁矩(molecular magnetic moment),2. 分子附加磁矩,分子或原子中各电子绕核运动和自旋运动等效于“分子电流”,分子电流的磁矩称为“分子磁矩”，表示为 。,忽略电子自旋，考察磁场对电子轨道磁矩 的作用。,电子反向运动,结论：附加磁矩总是与外磁场反向,对于整个分子，附加磁矩,电子在外磁场中的旋进产生与 方向相反的附加磁矩,无外磁场时：,顺磁质,
3、抗磁质,12.1.3 抗磁质和顺磁质的磁化机理,在外磁场中：,顺磁质:,磁矩转向外场方向,则,附加磁矩与外场方向相反，且,故附加磁场方向与外磁场方向相同。,分子固有磁矩取向极化,在外磁场中，每个运动电子都要产生与外磁场方向相反的附加磁矩 ，,分子附加磁矩为,附加磁矩与外场方向相反,故附加磁场方向与外磁场方向相反。,12.1.4 磁化强度矢量与磁化电流,1) 磁化强度(magnetization)反映磁化程度强弱的物理量,抗磁质：,定义：单位体积内分子磁矩的矢量和。,单位：安培米-1(Am-1),顺磁质:,抗磁质：,方向与外磁场方向相同。,方向与外磁场方向相反。,分子附加磁矩是抗磁质磁化的唯一原
4、因。,2）磁化电流(magnetization current),介质磁化的宏观效果是在介质横截面边缘出现环形电流，这种电流称为“磁化电流Is”。,磁化电流与传导电流的区别： 磁化电流是分子内电荷运动一段段接合而成，不同于传导电流的电荷定向运动，又称束缚电流，其磁效应与传导电流相当，但不产生热效应。,磁化面电流密度：,分子磁矩的矢量和：,磁化强度在数值上等于磁化电流面密度，两者关系由右螺旋法则确定。,可以推知：磁化强度的环流为,12.2.1 磁介质中的高斯定理,磁介质中磁场：,由磁化电流产生的微观机理可知：磁化电流与传导电流在产生磁场方面等效。,12.2.2 磁介质中的安培环路定理,如图取L回
5、路,12.2 磁介质中的高斯定理和安培环路定理,定义：磁场强度(magnetic field intensity)：,单位：Am-1,磁介质中安培环路定理：,磁场强度沿任一闭合回路的环流，等于闭合回路所包围的传导电流的代数和，而在形式上与磁介质中的磁化电流无关。,分析：,（1）,只与穿过L的传导电流代数和有关,（2）对各向同性磁介质：,磁化率,由,介质相对磁导率,介质磁导率,在真空中：,例 为了测试某种材料的相对磁导率,常将材料做成横截面为圆形的螺绕环芯子, 设环上绕有线圈200匝, 平均围长0.1m, 横截面积为510-5m2, 当线圈内通有电流0.1A时用磁通计测得穿过横截面积的磁通量为6
6、10-5 Wb, 试计算该材料的相对磁导率。,截面磁场近似均匀,解：选如图所示的安培环路,12.3.1 铁磁质的特点,高：B随H迅速增长，平均斜率比非铁磁质大得多。 非线性： B和H呈非线性关系，单值关系，非恒量。 磁滞(hysteresis)：B的变化落后于H的变化。 存在居里点：临界温度时，失去铁磁性成为顺磁质。 铁：T=1040K 镍：T=631K,13.3.2 铁磁质的磁化特性 磁滞回线,实验：铁磁质芯的螺线管，通以电流 I,改变 I，测量 H 值和 B 值，,画出BH曲线,Video 铁磁质磁化,12.3 铁磁质,磁导率曲线：,BH曲线分析,Oa： 起始磁化曲线,Hs： 饱和磁场强度
7、,Br：剩余磁感应强度,Hc：矫顽力(coercive force),磁滞效应： 磁感应强度B变化跟不上磁场强 度H的变化。,磁滞损耗： 材料热效应大小与磁滞回线面积成正比。,12.3.3 铁磁材料按磁滞回线分类,软磁材料,磁滞损耗小，容易磁化，容易退磁，适用于交变磁场。如制造电机，变压器等的铁芯。,硬磁材料,磁滞损耗较大，不易磁化，不易退磁，适合于制造永磁体,矩磁材料,适合于制作记录磁带及计算机的记忆元件。,12.3.4 磁畴,铁磁质相邻原子间存在很强的交换耦合作用，使得无外场时电子自旋磁矩在微小区域内自发地平行排列，形成一个个小的自发磁化区，称为“磁畴”。,铁磁质在外磁场中的磁化过程主要为畴壁的移动和磁畴内磁矩的转向。,自发磁化方向逐渐转向外磁场方向（磁畴转向），直到所有磁畴都沿外磁场方向整齐排列时，铁磁质就达到磁饱和状态。,磁化过程：,磁滞现象：撤去外场，磁壁很难完全恢复原状，保留部分磁性，这就是剩磁。 居里点：当温度升高到居里点时，剧烈的热运动使磁畴全部瓦解，铁磁质就成为一般顺磁质。,铁的居里点：T = 1040K 镍的居里点：T = 631K,
