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1、第 11 章 磁场中的磁介质,11.1 磁介质的磁化,什么是磁介质？,能够影响磁场分布的物质。,发现磁介质中的磁场：,磁介质上有磁化电流，,现在将一个长螺线管通电流 I，内部造成一个均匀磁场,再将磁介质充满磁场（保持电流不变）。,实验发现：充各种磁介质，磁介质内的磁场 有的比真空时弱， 有的比真空时强。,该磁介质的相对磁导率,由于电子带电，电子绕原子核作轨道运动，就相当于一个闭合载流线圈一样。,一 . 电子的磁矩,11.1.2 一般磁介质的磁化机制,其磁矩为 m = IS I电流强度 S载流线圈面积,所以有,电子轨道运动的角动量,二 . 原子核的磁矩,同理，质子也有轨道磁矩。,中子不带电，无轨
2、道磁矩。,但是质子和中子都有自旋磁矩（略）。,总之，原子核有个总磁矩。,电子轨道磁矩,电子还有自旋运动，自旋磁矩和自旋角动量 S 的关系：,它比电子轨道磁矩约小一千多倍。,三 . 分子磁矩和分子电流,一个分子的磁矩是其中所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩以及原子核的磁矩的矢量和。,1 . 顺磁质,这就是顺磁质被“磁化”。,外磁场越强，转向排列越整齐。,顺磁质内部的各分子等效磁矩有一定程度的排列，分子等效电流 I 使顺磁质内部的磁场加强；而且顺磁质会被磁铁吸引。,2 . 抗磁质,以分子中某个电子的轨道运动为例,（注意：分子固有磁矩为零,分子中某个 电子的轨道磁矩不见得为零）,有,的方向即 的方向（向里
3、）。,对电子的自旋运动和核的自旋运动，有类似的现象。,总之，一个抗磁质分子，在磁场中会产生一个与外磁场反方向的感应磁矩，这个感应磁矩相应的分子感应电流的方向如图所示，,这就是它的磁化。因此，在抗磁质内部的磁场是被削弱的，而且抗磁质会被磁铁排斥。,虽然顺磁质也会产生感应磁矩,但由于它远小于固有磁矩,所以，顺磁质主要是固有磁矩起作用。,说明：,11.1. 3 磁化强度和磁化电流,一. 磁化电流,顺磁质在磁场中，它的分子固有磁矩沿外磁场排列起来。,在外磁场作用下磁介质出现磁性或磁性 发生变化的现象称为磁化。,以顺磁质为例：,对均匀的磁介质：,内部各点处的小分子电流相互抵消，表面上的小分子电流方向相同
4、没有抵消，相当在表面上有一层表面电流流过。（磁化电流）（或束缚电流）, 记作 I。,对顺磁质和铁磁质,磁化电流产生的磁场 是加强磁介质内部原磁场的;,磁化电流 I的大小反映了磁化的强弱。,对抗磁质,磁化电流产生的磁场 是削弱磁介质内部原磁场的。,二. 磁化强度,磁化的强弱还可以用磁化强度来描述。,定义:磁化强度,（V宏观小、微观大。）,单位体积内分子磁矩的矢量和。,实验表明: 在各向同性的顺磁质、 抗磁质内,有线性关系,（记）,三. 磁化电流与磁化强度的关系,等效分子圆电流为 I、半径为 r、分子磁矩为 。,设单位体积内的分子数为n，所以,与dl 套住的总分子电流为,则与 套住的分子电流的中心
5、，都是位于以 为轴、以 r2 为底面积的小柱体内。,在磁介质表面和磁介质内部磁化电流情况如何？,1. 磁介质表面,若 在磁介质的表面上，可以看出某些表面会有磁化面电流 。,定义：在垂直磁化面电流方向 的单位长度上的磁化面电流, 称为磁化面电流密度,它与磁化强度的关系为,通常用,表示二者的矢量关系。,若磁介质均匀磁化，通过体内任意面积的磁化电流为零，因为,2. 磁介质内部,任取一面积S，其周界为L， 则通过S面的 磁化电流是与周界套连的分子电流的总和。,当有磁介质存在的时候,基本规律:, 高斯定律, 安培环路定理,11.2 的环路定理,一. 的环路定理,定义:磁场强度,求,有,沿任一闭合路径的磁
6、场强度的环流，等于该 闭合路径所套连的传导电流的代数和。,当无磁介质时，上式就过渡到真空时的 环路定理。,对各向同性的磁介质, 的环路定理,磁介质的 性能方程（点点对应）,称为磁化率,若磁场的分布有对称性，就可以由 的环路定理、传导电流求出 ，然后再得到磁感应强度 。,由 也能得到磁化强度 ：,例 1. 证明：各向同性均匀磁介质内， 无传导电流处，也无磁化电流。,【证】磁介质中取任一小面元，其周界闭合回 路L所套联的磁化电流为,证毕。,L可任取，且可无限缩小，,例 2.一均匀密绕细螺绕环, n=103 匝/米, I=2安, 充满 = 5 10 - 4特米/安 的磁介质。 求:磁介质内的,及表面
7、磁化电流面密度 .,取环路L如图所示，在L上,【解】此磁介质是顺磁质？抗磁质？铁磁质？,设总匝数为N，有,（与无限长螺线管内 的 B 相同）,铁磁质上的磁化面电流密度的方向与传导电流的方向是一样的。,讨论：如果设想把这些磁化面电流也分成 每米103匝，相当于每匝多大电流？,（2A）,正因为如此，所以铁磁质的BB0， 铁磁质作铁心可以大大加强磁场。,试求：,（2）,（3）表面磁化面电流密度,【解】,由于传导电流和磁介质的 分布 都有柱对称性， 所以 线、 线和 线 都是垂直于轴的对称圆。,根据 的环路定理：,导体外（r R）:,（1）求,设它们的方向如图。,通过场点 P 取回路 L， 方向相同，
8、,导体内（r 1）；下面是空气 （ r1 1），则除了 垂直入射（ 1=2）的 特殊情况外,一般有,2 900 ， 如下图所示。,正是因为铁磁质内部的磁力线远远密于空气中的磁力线；铁磁质内的磁力线几乎与表面平行，我们常说:,“磁力线沿铁走”，,“铁磁质有把磁力线聚 集于其内部的性质”。,11.3 铁磁质,一. 研究磁化规律的实验装置,目的：得出BH 的关系。,由环路定理,得,一方面，,H与 I 成正比，有一个I , 就有一个H 。,将开关倒向，B -B，即磁通量 - ，次级回路中会产生一定的感应电动势（见下一章），冲击电流计能测出 ，从而可得出相应的 B: B = /s.,另一方面，,再者，有
9、一个H、B，就有一个r。,二. 起始磁化曲线,对未被磁化的材料,电流从零开始: I H B,得到起始磁化曲线。,B H是非线性关系。,B 有饱和现象,但仍有一定的斜率。 原因:,起始磁化曲线,由,可以得出 H 曲线。,可以看出 不是常数。但是在给定了 值的情况下，有 ，通常形式上仍说成 B 与 H 成正比。,三 . 磁滞回线,Br 剩磁,Hc 矫顽力,B H 既不是线性关系，也不是单值关系，与它们的历史有关。,“去磁” 方法： BH 的变化情况 如右图示。,四. 铁磁质的分类和应用,1. 硬磁材料,“胖”：剩磁大,矫顽力也大,例如：铁、钴、镍 的合金等。,用途：可作永久磁铁 （ 电表、喇叭、录
10、音机磁头、 磁芯、记忆元件等）,2. 软磁材料,例如：纯铁、硅钢、 坡莫合金 （铁 78%，Ni 22%）等。,软磁材料“瘦”: 剩磁小，矫顽力也小,这些铁芯在交变磁场中反复磁化要消耗能量， 并以热的形式放出，称为“磁损”（或“铁损”）。 可以证明：磁损与磁滞回线的面积成正比。,用途：可作变压器、镇流器、电磁铁等的铁芯。,可以证明：铁磁质中起主要作用的是电子的自旋 磁矩。电子的自旋磁矩可以不靠外磁场、 在小范围内取得一致方向而形成磁畴。,为什么铁磁质有这么大的磁性？因为它存在“磁畴”。,“磁畴”是铁磁质中已经存在的 许多自发的均匀磁化小区域。,五 . 磁畴,“居里点”：失去铁磁性（变为顺磁质）的 临界 温度。 例如: 铁767 oC; 镍357 oC。,各种材料“磁畴”的线度相差较大： 10 -4 mm至 10-2mm,一个磁畴中约有10121015个原子。,以磁畴为单位的磁化， 就有非常强的磁化作用。,铁磁体的磁致伸缩：,（长度相对改变约10-5量级）,原因：磁畴的 方向改变,用途：可用于制作超声发生器等。,
