磁介质ppt课件

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1、第第 五五 章章磁磁 介介 质质 1本章主要内容本章主要内容1. 磁介质的磁化磁介质的磁化3. 电磁场在分界面上的边界条件电磁场在分界面上的边界条件2. 各种磁介质的磁化机制各种磁介质的磁化机制 21. 磁介质的磁化磁介质的磁化1. 磁性、磁介质、磁化磁性、磁介质、磁化 2. 磁化强度磁化强度3. 磁化电流磁化电流4. 磁化电流与磁化强度的关系磁化电流与磁化强度的关系5. 磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理6、举例举例 31. 磁性、磁介质、磁化磁性、磁介质、磁化 在磁场的作用下会发生变化，并能反过来影响磁场的在磁场的作用下会发生变化，并能反过来影响磁场的物质，称为物质，称为磁介质磁

2、介质(magnetic medium) 磁性磁性：物质的基本属性之一，即物质的磁学特性；：物质的基本属性之一，即物质的磁学特性；吸铁石吸铁石天然磁体天然磁体 具有较强磁性；具有较强磁性；多数物质一般情况下没有明显的磁性。多数物质一般情况下没有明显的磁性。 磁化磁化（magnetization）：在外磁场的作用下，原来）：在外磁场的作用下，原来没有磁性的物质，没有磁性的物质，变得具有磁性，称为变得具有磁性，称为磁化磁化。理论模型理论模型 ：磁荷观点：磁荷观点 、分子环流（以此观点讨论）。、分子环流（以此观点讨论）。物质的磁性起源于原子的磁性；严格的磁学理论应该建物质的磁性起源于原子的磁性；严格的

3、磁学理论应该建立在量子力学基础上立在量子力学基础上 。 一般物质在较强磁场的作用下都显示出一定程度的磁性一般物质在较强磁场的作用下都显示出一定程度的磁性,即都能对磁场产生影响，所以都是磁介质；即都能对磁场产生影响，所以都是磁介质； 磁介质被磁介质被磁化后，会产生附加磁场，从而改变原来空间磁场的磁化后，会产生附加磁场，从而改变原来空间磁场的 4分布。分布。 其实在安培时代，对于物质的分子、原子结构的认识其实在安培时代，对于物质的分子、原子结构的认识还很初浅，电子尚未发现，所谓还很初浅，电子尚未发现，所谓“分子分子”泛指介质的泛指介质的微观基本单元。微观基本单元。 现代观点现代观点： 物质是由分子

4、或原子构成的，它们所包含的每一个物质是由分子或原子构成的，它们所包含的每一个电子都同时参与了两种运动：电子的自旋电子都同时参与了两种运动：电子的自旋(spin)以及电子以及电子绕原子核的轨道运动绕原子核的轨道运动 分子的环形电流具有磁矩分子的环形电流具有磁矩分子磁矩，它在外磁场的作用下可以自由地改变方向。分子磁矩，它在外磁场的作用下可以自由地改变方向。 自旋和轨道运动都对应着一定的自旋和轨道运动都对应着一定的磁矩，分别称为电子的磁矩，分别称为电子的自旋磁矩自旋磁矩(spin magnetic moment) 不同类型的物质对磁场有不同的响应不同类型的物质对磁场有不同的响应, ,即具有不同即具有

5、不同的磁性；这与物质内部的电磁结构有着密切的联系。的磁性；这与物质内部的电磁结构有着密切的联系。 分子电流分子电流 安培的大胆假设：磁介质的安培的大胆假设：磁介质的“分子分子”相当于相当于一个环形一个环形电流，它是由电荷的某种运动形成的，它没有电流，它是由电荷的某种运动形成的，它没有像导体中的电流所受的阻力；像导体中的电流所受的阻力； 5ms和和轨道磁矩轨道磁矩(orbital magnetic moment) ml 2. 磁化强度磁化强度 为了描述磁介质的磁化状态（磁化方向和强度），为了描述磁介质的磁化状态（磁化方向和强度），引入引入磁化强度矢量磁化强度矢量M , ,磁化后在介质内部任取一体

6、积元磁化后在介质内部任取一体积元, 在没有外磁在没有外磁场作用作用时，大量分子，大量分子电流无序随机分布；流无序随机分布；但加上外磁但加上外磁场后，介后，介质发生磁化。磁化了的介生磁化。磁化了的介质内分子内分子磁矩矢量和：磁矩矢量和： ；分子磁矩的整分子磁矩的整齐排列排列产生宏生宏观上的磁化上的磁化电流流 I . 每一个分子磁矩都可以每一个分子磁矩都可以用一个等效的圆电流来表示，称为用一个等效的圆电流来表示，称为分子电流分子电流(molecular current) 整个分子整个分子的磁矩是它所包含的所有电子的自旋磁矩和轨道磁矩的的磁矩是它所包含的所有电子的自旋磁矩和轨道磁矩的矢量和，称为矢量

7、和，称为分子的固有磁矩分子的固有磁矩，简称，简称分子磁矩分子磁矩(molecular magnetic moment)，用，用m 表示表示 6体积元内的分子磁矩的矢量和体积元内的分子磁矩的矢量和 mi 不等于不等于0.3. 磁化电流磁化电流 由于分子的热运动，对固有的由于分子的热运动，对固有的分子磁矩不为零的物质，在没有分子磁矩不为零的物质，在没有外磁场时分子磁矩的排列是杂乱外磁场时分子磁矩的排列是杂乱无章的，无章的，M: 单位体积内分子磁矩的矢量和。单位体积内分子磁矩的矢量和。对如图所示的分子电流圈，其对如图所示的分子电流圈，其磁矩磁矩为：为：n为的单位法向矢量，与电流正向构成右手关系。为的

8、单位法向矢量，与电流正向构成右手关系。磁介质中的磁介质中的磁化强度磁化强度M定义为：定义为：SnI 因此分子磁矩的矢量和为零，因此分子磁矩的矢量和为零，所以宏观上并不显示出磁性；所以宏观上并不显示出磁性； 在外磁场的作用下，分子在外磁场的作用下，分子磁矩所受到的力矩将使其倾向于沿外磁场方向排列起来，磁矩所受到的力矩将使其倾向于沿外磁场方向排列起来，而而产生宏观磁矩产生宏观磁矩。 7在均匀的磁介质内部，在均匀的磁介质内部，成对的方向相反的分子成对的方向相反的分子电流互相抵消，仅在磁电流互相抵消，仅在磁介质的边缘形成了环形介质的边缘形成了环形电流，称为电流，称为磁化电流磁化电流(magnetiza

9、tion current) 磁化电流磁化电流是束缚在是束缚在分子内部的电荷运动的分子内部的电荷运动的宏观表现，磁化电流宏观表现，磁化电流也叫也叫束缚电流束缚电流。 它也能产生磁场，即它也能产生磁场，即附加场附加场B，也遵从，也遵从毕奥毕奥- -萨伐尔定律。萨伐尔定律。 附加场反过来要影响附加场反过来要影响原来空间的磁场分布。原来空间的磁场分布。 8 各向同性的均匀磁介质只有在介质表面，分子电流各向同性的均匀磁介质只有在介质表面，分子电流未被抵销，形成宏观未被抵销，形成宏观磁化电流磁化电流。 以前，我们还讨论过电荷在宏观尺度上的运动导致的以前，我们还讨论过电荷在宏观尺度上的运动导致的电流，即电流

10、，即传导电流传导电流。 传导电流传导电流：载流子在宏观尺度上的定向流动，：载流子在宏观尺度上的定向流动，产生产生焦耳热，产生磁场，遵从毕奥焦耳热，产生磁场，遵从毕奥萨伐尔定律。萨伐尔定律。 磁化电流磁化电流： 磁介质受到磁场作用后被磁化，大量分子电流叠加磁介质受到磁场作用后被磁化，大量分子电流叠加形成宏观电流，这是大量分子电流的宏观效果；形成宏观电流，这是大量分子电流的宏观效果； 与传导电流比较，其与传导电流比较，其相同之处相同之处：同样可以产生磁场，：同样可以产生磁场，同样遵从毕奥同样遵从毕奥- -萨伐尔定律；萨伐尔定律； 不同之处不同之处：电子都被限制在分子范围内运动，与因：电子都被限制在

11、分子范围内运动，与因电荷的宏观迁移引起的传导电流不同；无热效应。电荷的宏观迁移引起的传导电流不同；无热效应。 94. 磁化电流与磁化强度的关系磁化电流与磁化强度的关系 下面我们用一个简单的模型下面我们用一个简单的模型来求由于磁化产生的通过磁介质中的来求由于磁化产生的通过磁介质中的任意一个曲面任意一个曲面S 的电流，即磁化电流。的电流，即磁化电流。设磁化强度为：设磁化强度为：不同地方，分子电流圈及其数密度不同地方，分子电流圈及其数密度 n 可以不同。可以不同。从右图可以看出，只有从右图可以看出，只有被被S 的边界线套住的边界线套住的电流圈的电流圈对通过对通过S 面的磁化电流才有贡献。面的磁化电流

12、才有贡献。规定规定S面的磁化电流正向与面的磁化电流正向与S 面边界线面边界线环绕方向为右手螺旋关系。放大边界线环绕方向为右手螺旋关系。放大边界线上的一小段上的一小段dl 如下页图。如下页图。SanI 10以以a 作底面，作底面， dl 作中线得到一圆柱，作中线得到一圆柱，中心不在该柱体内的分子电流圈中心不在该柱体内的分子电流圈对磁化电流没有贡献。对磁化电流没有贡献。只有只有中心在柱体内的分子电流圈中心在柱体内的分子电流圈对磁化电流才有贡献。对磁化电流才有贡献。dla电流正向电流正向 设磁化电流密度为或设磁化电流密度为或 j，得：，得： 从上式也可以写出积分表达式：从上式也可以写出积分表达式：

13、11类似方法可得类似方法可得, ,在磁介质的边界上的磁化在磁介质的边界上的磁化面面电流密度电流密度k为：为：n为边界的外法向单位矢量为边界的外法向单位矢量. 如果电流分布在一个曲面上，把如果电流分布在一个曲面上，把通过一点垂直电荷通过一点垂直电荷流动方向上的单位长度的电流强度，流动方向上的单位长度的电流强度，即单位时间里通过即单位时间里通过单位垂直长度的电量单位垂直长度的电量定义为该点的面电流密度，方向为定义为该点的面电流密度，方向为正电荷流动的方向。正电荷流动的方向。 125、磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 由于传导电流和磁化电流产生由于传导电流和磁化电流产生B的规律是相同的，

14、的规律是相同的，因此，因此， 仅用上述公式计算磁场是不够的，这是由于磁化电流仅用上述公式计算磁场是不够的，这是由于磁化电流和和B是相互影响的是相互影响的; 从从B-S定律和安培环路定理求定律和安培环路定理求B只有在只有在已知电流分布的情况下才能实现。已知电流分布的情况下才能实现。 利用前面得到的公式：利用前面得到的公式：即：即：211化为：化为： 13由下式定义一个新物理量由下式定义一个新物理量 磁场强度磁场强度H：即：即：H 的单位为安培每米，即的单位为安培每米，即A / m .利用利用H 的定义，上页的定义，上页2可以写可以写为上式就是上式就是磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理。

15、在方程的右边只有。在方程的右边只有传导电流，磁化电流的作用包含在传导电流，磁化电流的作用包含在H 中中, 如果知道了如果知道了H和和B的关系，就可以从的关系，就可以从 I0 去求去求H ，从而求出，从而求出B .M在只有少数分子时没有定义，因此在只有少数分子时没有定义，因此H也没有定义。也没有定义。这里这里B是比是比H 更基本的物理量更基本的物理量，这是因为这是因为B是由电荷的运动产生的，是由电荷的运动产生的， 与电介质相似，根据与电介质相似，根据M与与H 的关系，磁介质可以分为的关系，磁介质可以分为线性和非线性，各向同性和各向异性。线性和非线性，各向同性和各向异性。 14cm称为称为磁化率磁

16、化率。对线性、各向同性磁介质，对线性、各向同性磁介质，对这类磁介质，对这类磁介质， 称为称为磁导率磁导率， r 为相对磁导率。为相对磁导率。注意注意只对只对线性、各向同性磁介质成立；线性、各向同性磁介质成立；但但却普遍却普遍成立。成立。 15 166、举例举例 例例1、利用有磁介质时的、利用有磁介质时的安培环路定理，计算安培环路定理，计算充满充满磁介质的螺绕环磁介质的螺绕环内的磁感应内的磁感应强度强度B 解：解：设螺绕环的平均半径设螺绕环的平均半径为为R，线圈的总匝数为，线圈的总匝数为N. 取与环同心的顺时针圆形取与环同心的顺时针圆形积分环路积分环路L，传导电流传导电流I0共穿过共穿过此环路此

17、环路N次次 已知磁化场的已知磁化场的磁感应强度为磁感应强度为B0，介质的，介质的磁化强度为磁化强度为M 利用利用有磁介质时的有磁介质时的安培环路定理得安培环路定理得 16 17例例2、一个带有一个带有很窄很窄的缝隙的永磁环，已知其磁化强度的缝隙的永磁环，已知其磁化强度即即此外，磁化场的磁感应强度此外，磁化场的磁感应强度B0就是就是空心螺绕环的磁感应强度，即空心螺绕环的磁感应强度，即12比较比较1、2得得根据根据B与与H 的关系式：的关系式：为为M，方向如图所示，方向如图所示， 解：解：按分子电流观点，介质表面分布的磁化面电流为按分子电流观点，介质表面分布的磁化面电流为kMn由图可见，窄隙永磁环

18、宛如一个面电流密度由图可见，窄隙永磁环宛如一个面电流密度为为kM 的螺绕环它产生的沿着的螺绕环它产生的沿着M方向的附加磁感应方向的附加磁感应求图中所标各点的求图中所标各点的B和和H 17 18强度为强度为这里，传导电流这里，传导电流I0 = 0，于是有，于是有根据磁场强度根据磁场强度H的定义式，考虑到的定义式，考虑到得到得到 由此可见，对于由此可见，对于B来说，窄隙的作用可以忽略不计；来说，窄隙的作用可以忽略不计；然而，场点是否在磁介质体内，对于然而，场点是否在磁介质体内，对于H值的确定却是值的确定却是重要的重要的 182. 各种磁介质的磁化机制各种磁介质的磁化机制1. 磁介质的分类磁介质的分

19、类 2. 顺磁质的磁化顺磁质的磁化4. 铁磁质铁磁质5. 铁磁质的磁化机制铁磁质的磁化机制6. 磁性材料的分类及其应用磁性材料的分类及其应用 193. 抗磁质的磁化抗磁质的磁化7. 磁荷方法磁荷方法 191. 磁介质的分类磁介质的分类 磁介质的磁性有强弱的差别：磁介质的磁性有强弱的差别：弱磁性：顺磁质、抗磁质；弱磁性：顺磁质、抗磁质；强磁性：铁磁质。强磁性：铁磁质。 分子可以分为分子可以分为非极性分子非极性分子和和极性分子极性分子： 非极性分子的分子磁矩非极性分子的分子磁矩 m0 0；无外场时，；无外场时， mi =0=0；加入外场时，加入外场时， mi 0 0；表现为抗磁质；表现为抗磁质；

20、极性分子的分子磁矩极性分子的分子磁矩 m 0 0， mi = =0 0；加入外场时，；加入外场时， mi 0 0；一般为顺磁质；一般为顺磁质； 此外，在固有的分子磁矩此外，在固有的分子磁矩不为零的物质中，还有一类磁性很强的磁介质不为零的物质中，还有一类磁性很强的磁介质铁磁质，它们具有不同于顺磁质的性质。铁磁质，它们具有不同于顺磁质的性质。2. 顺磁质的磁化顺磁质的磁化 在外磁场的作用下，对分子固有磁矩不为在外磁场的作用下，对分子固有磁矩不为0的磁介质，的磁介质，分子磁矩所受到的力矩将使其倾向于沿外磁场方向排列分子磁矩所受到的力矩将使其倾向于沿外磁场方向排列起来，而分子的热运动却妨碍这种趋势起来

21、，而分子的热运动却妨碍这种趋势在一定的在一定的 20温度下，两者将会达到平衡；温度下，两者将会达到平衡；尽管这时分子磁矩尽管这时分子磁矩mi并没有整齐地排列起来，在室温下并没有整齐地排列起来，在室温下分子磁矩的取向往往还是相当混乱的，但这时分子磁矩分子磁矩的取向往往还是相当混乱的，但这时分子磁矩却有趋于沿着外磁场却有趋于沿着外磁场B0的方向排列的倾向，的方向排列的倾向， 外磁场一旦撤除，分子磁矩立即回到完全无序的外磁场一旦撤除，分子磁矩立即回到完全无序的混乱状态，混乱状态，M = 0这种磁性称为这种磁性称为顺磁性顺磁性(paramagnetism)， 因此它们的因此它们的矢量和不再为零外磁场越

22、大，温度越低，磁化强度矢量和不再为零外磁场越大，温度越低，磁化强度M越大；越大； 具有顺磁性的物质称为顺磁质具有顺磁性的物质称为顺磁质(paramagnetic substance)，例如锰、铬、铂、氮和氧等，例如锰、铬、铂、氮和氧等都属于此类都属于此类 213. 抗磁质的磁化抗磁质的磁化 在固有的分子磁矩为零的磁介质中，尽管每个分子的在固有的分子磁矩为零的磁介质中，尽管每个分子的固有磁矩固有磁矩m为零，但是分子中每个电子的运动都相当于为零，但是分子中每个电子的运动都相当于一个圆电流，其磁矩用一个圆电流，其磁矩用me来表示来表示其方向分别向里和向外，电子在垂直于其角动量其方向分别向里和向外，电

23、子在垂直于其角动量L的力矩的力矩 的作用下将产生的作用下将产生拉莫进动拉莫进动 (J. Larmor, 1857-1942)*，进动，进动的方向由的方向由 磁力矩决定，进动角速度都向上，磁力矩决定，进动角速度都向上， 由于电子带负电，由于电子带负电，电子的角动量电子的角动量L与其磁矩与其磁矩me方向相反，见下页中、右图，方向相反，见下页中、右图，在外磁场在外磁场 中，电子磁矩受到中，电子磁矩受到磁力矩磁力矩 22这相当于增加了向下的磁矩这相当于增加了向下的磁矩 me由此可见，由此可见，无论电子无论电子的运动方向如何，的运动方向如何， me的方向都与外磁场的方向都与外磁场 相反相反，即，即产生了

24、产生了抗磁性抗磁性(diamagnetism) 23总之，无论电子的运动方向如何，总之，无论电子的运动方向如何， m的方向都与外磁场相反的方向都与外磁场相反，即，即产生了产生了抗磁性抗磁性(diamagnetism)具有抗磁性的物质称为具有抗磁性的物质称为抗磁质抗磁质(diamagnetic substance)，例如汞、铜、铋、金、银、氢和氯例如汞、铜、铋、金、银、氢和氯等都属于此类等都属于此类如果电子转动的角速度与磁场方向如果电子转动的角速度与磁场方向在同一直线上，在同一直线上， 通过分析加入磁场后通过分析加入磁场后电子受到的洛仑兹力导致的电子受到的洛仑兹力导致的角速度改变得到电子增加的磁

25、矩为角速度改变得到电子增加的磁矩为（过程从略过程从略*） 24 对线性各向同性磁介质，对线性各向同性磁介质，M和和B0同向，顺磁质；同向，顺磁质；M和和B0反向，抗磁质；反向，抗磁质；在真空中，在真空中，M= 0，无磁化现象。无磁化现象。 对于各向同性线性介质，对于各向同性线性介质，cm 是一个没有量纲的标量；是一个没有量纲的标量；对均匀介质，对均匀介质，cm是常数；是常数；对各向异性磁介质，对各向异性磁介质，磁化率磁化率是二阶张量；是二阶张量；对对铁磁质铁磁质，M与与H不成正比关系，甚至也不是单值关系；不成正比关系，甚至也不是单值关系； 对非均匀介质，对非均匀介质，cm是介质中是介质中各点坐

26、标的函数，甚至可能也是时间的函数各点坐标的函数，甚至可能也是时间的函数 ； 当当M与与H为为非线性、非单值关系时，虽然仍可以象以前一样定义非线性、非单值关系时，虽然仍可以象以前一样定义磁化率和磁导率，但它们都不是恒量，而是磁化率和磁导率，但它们都不是恒量，而是H 的函数；的函数；对对铁磁质铁磁质， cm 1，其数量级为，其数量级为102106 以上，一般以上，一般说来，当说来，当M与与H无单值关系时，不再使用磁导率和磁化率无单值关系时，不再使用磁导率和磁化率来描述磁介质的性质。来描述磁介质的性质。 254. 铁磁质铁磁质 铁磁质铁磁质(ferromagnetic substance)是以铁为代

27、表的一类磁性很强的物质是以铁为代表的一类磁性很强的物质在纯化学元素中，过渡族的铁、钴、在纯化学元素中，过渡族的铁、钴、镍以及稀土族的钆、镝、钬等都属于镍以及稀土族的钆、镝、钬等都属于铁磁质铁磁质 假定在磁化场为零时铁磁质处于未磁化的假定在磁化场为零时铁磁质处于未磁化的状态，当状态，当H 逐渐增加时，逐渐增加时，B (或或M)先是缓慢地增加先是缓慢地增加(图中图中OA段段)，然后经过一段急剧增加的过程，然后经过一段急剧增加的过程(AB段段)之后，之后， 与顺磁质相同的是，与顺磁质相同的是，铁磁质也是固有的分子磁矩不为零的物质；铁磁质也是固有的分子磁矩不为零的物质； 然而，常用的铁磁质多是它们的合

28、金和氧化物，然而，常用的铁磁质多是它们的合金和氧化物，如如稀土钴合金稀土钴合金和和铁氧体铁氧体(ferrite)等等 与顺磁质与顺磁质不同的是，在铁磁晶体中，由量子效应产生的交换相互不同的是，在铁磁晶体中，由量子效应产生的交换相互作用，作用， 使相邻原子的磁矩自发地规则取向，抵制了分子使相邻原子的磁矩自发地规则取向，抵制了分子热运动的干扰，从而使铁磁质具有一系列不同于顺磁质热运动的干扰，从而使铁磁质具有一系列不同于顺磁质的性质的性质 26又逐渐缓慢下来又逐渐缓慢下来(BC段段)，最后，最后当当H很大时很大时B (或或M)逐渐趋于逐渐趋于饱和饱和(CS段段) 从未磁化到饱和从未磁化到饱和磁化的这

29、段磁化曲线磁化的这段磁化曲线OS，称为，称为铁磁质的铁磁质的起始磁化曲线起始磁化曲线；如下页左图所示，当如下页左图所示，当H 由零由零开始增加时，开始增加时， 由起始值由起始值i 开始增加，在达到最大值开始增加，在达到最大值 后后急剧减少急剧减少 而而饱和值饱和值Ms和和Bs，则分别称为，则分别称为铁磁质的饱和磁化强度铁磁质的饱和磁化强度(saturation magnetization)和和饱和磁感应强度饱和磁感应强度。 i 称为称为起始起始磁导率磁导率(initial permeability)， 27m称为称为最大磁导率最大磁导率(maximum permeability) 如右图所示，

30、在如右图所示，在B达到其饱和值达到其饱和值Bs之后，如果使之后，如果使H逐渐减逐渐减小到零，则小到零，则B并不随之减小到零，而是保留有一定的值并不随之减小到零，而是保留有一定的值Br，该剩余值称为，该剩余值称为剩余磁感应强度剩余磁感应强度； 而与而与 相应的磁化相应的磁化强度值强度值 ，称为，称为剩余磁化强度剩余磁化强度(remanent magnetization)为了使为了使B 减小到零，必须加一反向磁场减小到零，必须加一反向磁场 ， 28该值称为该值称为矫顽力矫顽力(coercive force) Hc 当反向磁场当反向磁场继续加大时，继续加大时， B又将达到它的反向饱和值又将达到它的反

31、向饱和值( 点点)S. 当铁磁质在交变磁场的作用下反复磁化时，会由于当铁磁质在交变磁场的作用下反复磁化时，会由于磁滞效应而造成能量损耗，称为磁滞效应而造成能量损耗，称为磁滞损耗磁滞损耗(hysteresis loss)磁滞回线的面积越大，磁滞损耗也就越大磁滞回线的面积越大，磁滞损耗也就越大当磁场当磁场H在正负两个方向上往复变化时，在在正负两个方向上往复变化时，在B-H 或或M-H 图上形成一条条闭合曲线图上形成一条条闭合曲线, 称为称为磁滞回线磁滞回线(hysteresis loop) 后面将证明：后面将证明： B-H 图中磁滞回线所包围的图中磁滞回线所包围的“面积面积”代表在一个反复磁化的循

32、环过程中单位体积的代表在一个反复磁化的循环过程中单位体积的铁芯内损耗的能量铁芯内损耗的能量。 当铁磁质在当铁磁质在交变磁场作用下反复磁化，由于磁滞效应，磁体要发热交变磁场作用下反复磁化，由于磁滞效应，磁体要发热而失去能量。而失去能量。 此后，如果使反向磁场的值逐渐减小此后，如果使反向磁场的值逐渐减小到零，随后又沿正方向增加，铁磁质的到零，随后又沿正方向增加，铁磁质的磁化状态将经磁化状态将经R 回到正向饱和磁化状态回到正向饱和磁化状态S 磁滞回线越胖磁滞回线越胖, 曲线包围的面积越大，曲线包围的面积越大，损耗越大；磁滞回线越瘦，曲线下面积越小，损耗越小。损耗越大；磁滞回线越瘦，曲线下面积越小，损

33、耗越小。 295. 铁磁质的磁化机制铁磁质的磁化机制* 铁磁质的磁性铁磁质的磁性主要来源于电子的自旋磁矩主要来源于电子的自旋磁矩即使在即使在没有外磁场时，铁磁质中电子的自旋磁矩也会在小范围没有外磁场时，铁磁质中电子的自旋磁矩也会在小范围内自发地排列起来，形成一个个小的自发磁化区，称为内自发地排列起来，形成一个个小的自发磁化区，称为磁畴磁畴(magnetic domain)磁畴的大小约为磁畴的大小约为(10 1210 8) m3在未磁化的铁磁质中，在未磁化的铁磁质中，由于热运动，各磁畴的磁化方向不同，因而在宏观由于热运动，各磁畴的磁化方向不同，因而在宏观上对外界并不显示出磁性当铁磁质受到外磁场作

34、用时，上对外界并不显示出磁性当铁磁质受到外磁场作用时，它将它将通过以下两种方式实现磁化通过以下两种方式实现磁化：在外磁场较弱时，：在外磁场较弱时， 这种自发磁化的发生，来源于这种自发磁化的发生，来源于电子之间存在着的一种电子之间存在着的一种交换作用交换作用(exchange interaction)，它使得电子在它们的自旋平行排列时能量较低交换作它使得电子在它们的自旋平行排列时能量较低交换作用是一种量子效应，在经典理论中并没有相应的概念用是一种量子效应，在经典理论中并没有相应的概念.使电子的磁矩平行排列起来而达到自发磁化的饱和使电子的磁矩平行排列起来而达到自发磁化的饱和状态单晶和多晶磁畴结构的

35、示意图（下页）。状态单晶和多晶磁畴结构的示意图（下页）。 30 31自发磁化方向与外磁场方向相同或相近的那些磁畴的自发磁化方向与外磁场方向相同或相近的那些磁畴的体积将逐渐增大体积将逐渐增大(畴壁位移畴壁位移)；在外磁场较强时，每个磁畴；在外磁场较强时，每个磁畴的自发磁化方向将作为一个整体，在不同程度上转向外的自发磁化方向将作为一个整体，在不同程度上转向外磁场方向；当所有磁畴都沿外磁场方向排列时，铁磁质磁场方向；当所有磁畴都沿外磁场方向排列时，铁磁质的磁化就达到了饱和由此可见，的磁化就达到了饱和由此可见，饱和磁化强度饱和磁化强度Ms就就等于每个磁畴中原来的磁化强度，该值是非常大的等于每个磁畴中原

36、来的磁化强度，该值是非常大的，所所以铁磁质的磁性比顺磁质强得多（见下页图）以铁磁质的磁性比顺磁质强得多（见下页图） 31 32磁化过程如图磁化过程如图：a：未磁化时状态；：未磁化时状态；b：畴壁的可逆位移阶段：畴壁的可逆位移阶段 OA段；段；c：不可逆的磁化：不可逆的磁化AB段；段；d：磁畴磁矩的转动：磁畴磁矩的转动BC段；段；e：趋于饱和的阶段：趋于饱和的阶段CS段。段。在外磁场撤消后，铁磁质内掺杂和内应力或因为介质在外磁场撤消后，铁磁质内掺杂和内应力或因为介质存在缺陷阻碍磁畴恢复到原来的状态存在缺陷阻碍磁畴恢复到原来的状态 。等于每个磁畴中等于每个磁畴中原有的磁化强度原有的磁化强度 32

37、33左左：片片形形畴畴（L=8微微米米）；中中：蜂蜂窝窝畴畴（L=75微微米米）； 右：楔形畴；其中左、中为右：楔形畴；其中左、中为Ba(钡钡)铁氧体单晶基面上的铁氧体单晶基面上的磁畴结构，磁畴结构，L为晶体厚度为晶体厚度。磁磁畴畴 影响铁磁质磁性的因素影响铁磁质磁性的因素 当铁磁质的当铁磁质的温度超过某一临界温度时，分子热运动加剧温度超过某一临界温度时，分子热运动加剧到了使磁畴瓦解的程度到了使磁畴瓦解的程度，从而使材料的，从而使材料的铁磁性消失而铁磁性消失而变为顺磁性变为顺磁性，这个临界温度称为，这个临界温度称为居里点居里点(Curie point)如纯铁的居里点为如纯铁的居里点为1043K

38、，镝的居里点为，镝的居里点为89K；强烈震动也会瓦解磁畴。强烈震动也会瓦解磁畴。 33 346. 磁性材料的分类磁性材料的分类 及其应用及其应用* 软磁材料：软磁材料：矫顽力矫顽力HC 小，小，磁滞回线瘦，磁滞回线瘦，磁滞损耗小。磁滞损耗小。 有的剩余有的剩余磁感应强度磁感应强度BR 小，通电后立即磁化获得强磁场，断电立即退磁，如小，通电后立即磁化获得强磁场，断电立即退磁，如右上图，适合用于强电；右上图，适合用于强电； 有的起始磁导率大有的起始磁导率大(左上图左上图)，适合用于弱电；，适合用于弱电； 见下页表。见下页表。 如果在磁化达到饱和后撤除外磁场，铁磁质将重新如果在磁化达到饱和后撤除外磁

39、场，铁磁质将重新分裂为许多磁畴，但由于掺杂和内应力等的作用，磁畴并分裂为许多磁畴，但由于掺杂和内应力等的作用，磁畴并不能恢复到原先的退磁状态，因而表现出不能恢复到原先的退磁状态，因而表现出磁滞现象磁滞现象 34 35材材 料料 rHc /(A m 1) 0 Ms / T居里点居里点 / C纯铁1 104 2 105 4. 0 2. 15 770硅硅钢(热轧)4.5 102 8 1034. 81. 97 690 坡莫合金坡莫合金8 103 1054. 01. 0580 超坡莫合金超坡莫合金104 1060. 320. 8400锰锌铁氧体氧体300 5 000160. 3 120镍锌铁氧体氧体51

40、20320. 35 300 35 36硬磁材料硬磁材料: HC大，大，BR大。大。 HC ：约为约为104106 A/m；磁滞回线胖，磁滞损耗大；磁滞回线胖，磁滞损耗大；撤外场后，仍能保持强磁性。撤外场后，仍能保持强磁性。 电表、扬声器和录音机电表、扬声器和录音机等都离不开永磁体特别是，稀土永磁材料钕铁硼等的发等都离不开永磁体特别是，稀土永磁材料钕铁硼等的发展，将使电机的效率和性能大大提高，发展前景引人瞩目展，将使电机的效率和性能大大提高，发展前景引人瞩目 此外，还有磁滞回线接近于矩形的此外，还有磁滞回线接近于矩形的矩磁材料矩磁材料（下页图）（下页图），它总处在两种状态之一，可用作，它总处在两

41、种状态之一，可用作“记忆记忆”元元件件 由于硬磁材料的剩余磁化强度和由于硬磁材料的剩余磁化强度和剩余磁感应强度都很大，因此剩余磁感应强度都很大，因此人们称它为人们称它为永磁体永磁体(permanent magnet) 36 37随着信息时代的到来，多种磁性材料随着信息时代的到来，多种磁性材料在信息高新技术中获得广泛而重要的在信息高新技术中获得广泛而重要的应用。应用。磁记录磁记录：主要有存储装置和写入、：主要有存储装置和写入、读出设备。存储装置是用读出设备。存储装置是用永磁永磁材料材料制成的设备，包括磁头制成的设备，包括磁头和磁记录介质和磁记录介质。磁头磁头：写入过程中，磁头将：写入过程中，磁头

42、将电信号转变为磁场；读出电信号转变为磁场；读出过程中过程中, 磁头将磁记录介质的磁头将磁记录介质的磁场转变为电信号。磁场转变为电信号。磁记录介质磁记录介质: 内存内存, 外存外存, 磁盘和磁带等。磁盘和磁带等。 37 38磁性功能材料：磁性功能材料： 压磁材料也叫磁致伸缩材料压磁材料也叫磁致伸缩材料 铁磁质磁畴中磁化方向改变会导致介质中晶格间距的铁磁质磁畴中磁化方向改变会导致介质中晶格间距的改变，从而伴随着发生磁化过程铁磁体的长度和体积改变，从而伴随着发生磁化过程铁磁体的长度和体积的改变，称为的改变，称为磁致伸缩磁致伸缩(magnetostriction) 磁电阻材料磁电阻材料磁场可以使许多金

43、属的电阻发生改变，这种现象称为磁场可以使许多金属的电阻发生改变，这种现象称为磁电阻效应，相应的材料为磁电阻材料磁电阻效应，相应的材料为磁电阻材料(MR) ；磁电阻材料磁电阻材料(MR)：巨磁电阻效应巨磁电阻效应（简称（简称GMR）: 超巨磁电阻材料超巨磁电阻材料：在小型化的在小型化的 微型化高密度磁记录读出磁头、随机存储器微型化高密度磁记录读出磁头、随机存储器和微型传感器中获得重要应用。和微型传感器中获得重要应用。 液体磁性液体磁性既具有固体的强磁性，又具有液体的流动性。既具有固体的强磁性，又具有液体的流动性。 387. 磁荷方法磁荷方法* 这部分只要求定性了解。这部分只要求定性了解。 分子电

44、流理论较符合磁介质微观本质的现代认识。分子电流理论较符合磁介质微观本质的现代认识。研究磁介质的另一种方法研究磁介质的另一种方法磁荷方法也常被采用。磁荷方法也常被采用。 磁荷观点在形式上与电介质的理论相似。但在磁荷磁荷观点在形式上与电介质的理论相似。但在磁荷理论中，理论中，不存在自由磁荷不存在自由磁荷。磁介质的最小单元是（分子）。磁介质的最小单元是（分子）磁偶极子，其磁偶极矩为：磁偶极子，其磁偶极矩为： . 它与电偶极矩它与电偶极矩的定义类似。的定义类似。以下是磁介质与电介质的对应关系（令自由电荷处处以下是磁介质与电介质的对应关系（令自由电荷处处为为0）：）： 在磁介质未磁化时，分子在磁介质未磁

45、化时，分子磁偶极矩磁偶极矩pm的取向是随机的，它们的作用互相抵消，宏观上，的取向是随机的，它们的作用互相抵消，宏观上，磁介质不显示磁性。磁介质不显示磁性。 把磁介质放入磁场中，各把磁介质放入磁场中，各 pm就在就在一定程度上沿磁场方向偏转，产生（束缚）磁荷。与一定程度上沿磁场方向偏转，产生（束缚）磁荷。与电介质相似，引入电介质相似，引入磁极化强度磁极化强度（不同于（不同于磁化强度磁化强度）矢量：）矢量： 39静电场静电场磁荷观点磁荷观点场强场强环路积分环路积分梯度梯度极化强度极化强度磁库仑定律磁库仑定律 40静电场静电场磁荷观点磁荷观点偶极矩偶极矩势势偶极层势偶极层势偶极层场强偶极层场强外场中

46、的力矩外场中的力矩 41退磁因子退磁因子：可以类比求极化电荷可以类比求极化电荷产生附加电场来求产生附加电场来求退磁场退磁场H. H与与J 成正比成正比Nd d被称为被称为退磁因子。退磁因子。退磁场退磁场H：在磁介质内部：退磁场与外磁场方向相反，削弱外场；在磁介质内部：退磁场与外磁场方向相反，削弱外场；在磁介质外部：退磁场与外磁场方向相同，加强外场；在磁介质外部：退磁场与外磁场方向相同，加强外场； 42比例系数比例系数Nd由由磁体几何因素磁体几何因素L/ /d决定。决定。一般一般0 Nd 1. . 43退磁因子退磁因子 l/d Nd l/d Nd0.00.20.40.60.81.01.52.01

47、.0000000.7504840.5881540.4758260.3944400.3333330.2329810.173564 3.0 5.0 10.0 20.0 50.0 100.0 1000.0 0.1087090.0558210.0202860.0067490.0014430.0004300.0000070.000000 44磁化规律磁化规律磁极化强度矢量磁极化强度矢量J与总磁场强度与总磁场强度H的关系的关系影响影响注意这里的注意这里的H0 0、H 均不包括传导电流的磁场；或者均不包括传导电流的磁场；或者H0 0 虽然包括传导电流的磁场，但任意的空间回路没有套住虽然包括传导电流的磁场，但

48、任意的空间回路没有套住传导电流。对线性磁介质：磁极化强度矢量传导电流。对线性磁介质：磁极化强度矢量 J 与总磁场与总磁场强度强度H为正比关系：为正比关系：磁化率：由物质的属性决定磁化率：由物质的属性决定11 45 环路中有传导电流时：环路中有传导电流时：磁荷方法中的磁场与磁介质磁荷方法中的磁场与磁介质( (下面的下面的Hf是传导电流是传导电流产生的；产生的；Hm是磁荷产生的磁场，是磁荷产生的磁场，H是前是前2 2者之和，者之和，即总磁场即总磁场) )定义：定义：在无磁荷的真空中：在无磁荷的真空中：由此看见，磁荷方法与分子电流方法中的对应关系：由此看见，磁荷方法与分子电流方法中的对应关系： 46

49、由上述由上述H和和J的闭合曲面积分公式得：的闭合曲面积分公式得：最后最后2 2个等式只对线性、各向同性磁介质才成立。个等式只对线性、各向同性磁介质才成立。 47闭合电流回路与磁偶极层闭合电流回路与磁偶极层的磁场的等效性的磁场的等效性这里这里tm m是单位面积上是单位面积上的磁偶极矩。的磁偶极矩。电流环与磁偶极子对应的电流环与磁偶极子对应的“力线力线”见上图。见上图。 48电流环与磁偶极子受力的等效性。电流环与磁偶极子受力的等效性。 49B与与H曲线比较：曲线比较：B的方向与外磁场一致的方向与外磁场一致（顺磁质），（顺磁质），随随l/d的减小而减小；的减小而减小；H 的方向与外磁场相反，的方向与

50、外磁场相反，随随l/d 的减小而增加。的减小而增加。 50导出磁偶极子在非均匀磁场导出磁偶极子在非均匀磁场中受力的公式中受力的公式Pm与与H同方向时：同方向时：F指向指向H变大的方向，右上图；变大的方向，右上图；Pm与与H反方向时：反方向时：F指向指向H变小的方向变小的方向*。 513. 电磁场在分界面上的边界条件电磁场在分界面上的边界条件1. 两种介质分界面上的边界条件两种介质分界面上的边界条件2. 电流线、电场线和磁感应线在边界上的电流线、电场线和磁感应线在边界上的“折射折射” 3. 磁屏蔽磁屏蔽 54 551. 两种介质分界面上的边界条件两种介质分界面上的边界条件 界面上介质的性质有一突

51、变，这将导致静电界面上介质的性质有一突变，这将导致静电、静磁、静磁场场也会有突变也会有突变。电磁场的高斯定理、环路定理电磁场的高斯定理、环路定理等等的积分的积分形式在边界上依然成立，可以把不同介质的场量用积分方形式在边界上依然成立，可以把不同介质的场量用积分方程联系起来程联系起来。n12t 设界面上有自由设界面上有自由电荷积累电荷积累 0，对流出对流出如图所示的封闭如图所示的封闭扁合子电流密度积分，扁合子电流密度积分，并用高斯定理和电流连续性方程，并用高斯定理和电流连续性方程， 把把电磁场的高斯定理、环路定理电磁场的高斯定理、环路定理等等的积分形式的积分形式用于用于介质边界，就得到介质边界，就

52、得到介质边界上的电磁规律介质边界上的电磁规律，即边值关系。，即边值关系。 55 56由此得：由此得：对恒定电流，对恒定电流，或，或， 两种不同介质的分界面上，两部分介质的两种不同介质的分界面上，两部分介质的、不同，通过上面所述的方法可以得到三组边界条件。不同，通过上面所述的方法可以得到三组边界条件。2、磁介质界面上，、磁介质界面上，B法向连续，法向连续，H切向连续：切向连续：1、电介质界面上，、电介质界面上，D法向连续，法向连续，E切向连续（第二章）：切向连续（第二章）： 56 57以上设界面上以上设界面上的自由面电荷密度为的自由面电荷密度为0，面传导电流密度，面传导电流密度为为0。3、两种导

53、体界面上，、两种导体界面上，j 法向连续（在法向连续（在0不变前提下），不变前提下），E 切向连续：切向连续：2. 电流线、电场线和磁感应电流线、电场线和磁感应线在边界上的线在边界上的“折射折射” j、D、B 法向分量连续法向分量连续，切向分量不连续切向分量不连续三者在两种三者在两种界面发生象折射一样的现象。界面发生象折射一样的现象。例如：例如：如果如果n1B112B22B的力的力线见下下页上上图：10, 或或 290. 57 58对从不良导体流入对从不良导体流入良导体的良导体的 j（第三章），介电（第三章），介电常数小的电介质常数小的电介质到介电常数大的到介电常数大的电介质的电介质的D ，也

54、有，也有类似的结果。类似的结果。 58 593. 磁屏蔽磁屏蔽 根据上述根据上述B的性质，可以得到，铁磁体具有屏蔽磁场的性质，可以得到，铁磁体具有屏蔽磁场的性质，如图。但一般说来，的性质，如图。但一般说来，磁屏蔽效果没有静电屏蔽磁屏蔽效果没有静电屏蔽效果好。效果好。 59 60磁路磁路* 磁感应线一定是闭合的，磁感应线一定是闭合的，并且倾向于集中在磁导率大并且倾向于集中在磁导率大的介质中。一个没有铁芯的的介质中。一个没有铁芯的载流线圈产生的磁感应线载流线圈产生的磁感应线是弥散在整个空间的；是弥散在整个空间的；这就是这就是磁路定理磁路定理：闭合磁路中的磁动势等于各段磁路上的：闭合磁路中的磁动势等

55、于各段磁路上的磁势降落之和磁势降落之和。 若把若把同样的线圈绕在一个闭合的铁芯上时，磁感应线几乎是沿同样的线圈绕在一个闭合的铁芯上时，磁感应线几乎是沿着铁芯的。因此，我们可以类比电路，把这种磁感应线构着铁芯的。因此，我们可以类比电路，把这种磁感应线构成的管道叫做成的管道叫做磁路磁路。与电路相似，定义。与电路相似，定义磁动势磁动势（磁通势）（磁通势）： 60 61其中，其中，Rmi为为磁阻磁阻。 虽然铁磁质不满足关系虽然铁磁质不满足关系B=H，但是，对于一定的，但是，对于一定的H值，值，可由磁化曲线求得对应的可由磁化曲线求得对应的B值，并由此求得该值，并由此求得该H值所对应值所对应的的“相对磁导

56、率相对磁导率”，所以各段磁路的，所以各段磁路的 是不同的。是不同的。 欧姆定律欧姆定律 磁路定理磁路定理对串联磁路：对串联磁路： 61 62高磁阻空气隙在整个高磁阻空气隙在整个磁路中起主要作用。磁路中起主要作用。 并联磁路：并联磁路：有分支磁路，对于分支有分支磁路，对于分支节点，忽略漏磁。节点，忽略漏磁。在并联磁路中，磁阻大的通量小，反之亦然。因此，在并联磁路中，磁阻大的通量小，反之亦然。因此，磁通量倾向于集中在磁阻小的支路。磁通量倾向于集中在磁阻小的支路。 62本章主要内容回顾本章主要内容回顾1. 磁介质的磁化磁介质的磁化3. 电磁场在分界面上的边界条件电磁场在分界面上的边界条件2. 各种磁介质的磁化机制各种磁介质的磁化机制 63