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1、大学物理第大学物理第15章磁介质的磁化章磁介质的磁化磁介质磁介质: :实体物质在磁场作用下呈现磁性实体物质在磁场作用下呈现磁性, ,该物体称磁介质。该物体称磁介质。电介质极化：电介质极化：磁介质磁化：磁介质磁化：总磁感强度总磁感强度外加磁感强度外加磁感强度附加磁感强度附加磁感强度磁化磁化: :磁介质在磁场中呈现磁性磁介质在磁场中呈现磁性( (在磁场的作用下产生附加在磁场的作用下产生附加磁场磁场) )的现象称为磁化。的现象称为磁化。磁介质的三种类型：磁介质的三种类型：顺磁质、抗磁质、铁磁质顺磁质、抗磁质、铁磁质。电学与磁学电学与磁学类比：类比：15.1 磁介质的磁化磁介质的磁化 磁化强度矢量磁化
2、强度矢量注意：注意：1） 要宏观无限小，要宏观无限小， 微观无限大。微观无限大。2） 顺磁质中，顺磁质中，M与外场方与外场方 向一致，抗磁质中，向一致，抗磁质中，M 与外场方向相反。与外场方向相反。4）物理含义）物理含义-描述物质磁化的程度与状态。描述物质磁化的程度与状态。3）M的单位：的单位：显然，磁化越厉害，分子磁矩的矢量和越大。显然，磁化越厉害，分子磁矩的矢量和越大。对外磁场的影响也越大。（加强或减弱）对外磁场的影响也越大。（加强或减弱）抗磁质抗磁质磁化面电流磁化面电流LR顺磁质顺磁质L大小：大小：单单位位长长度磁介度磁介质质表面流表面流过过的磁化面的磁化面电电流流方向：方向：该处该处磁
3、化面磁化面电电流的方向。流的方向。4 磁化磁化强强度与磁化度与磁化电电流流间间的关系的关系面电流密度面电流密度 对于各向同性的均匀介质，介质内部各分子电流相互抵对于各向同性的均匀介质，介质内部各分子电流相互抵消，而在介质表面，未被抵消的分子电流相互拼接，在磁化消，而在介质表面，未被抵消的分子电流相互拼接，在磁化圆柱的表面出现一层电流，称为磁化面电流。圆柱的表面出现一层电流，称为磁化面电流。一般言之：介质表面磁化面电流密度一般言之：介质表面磁化面电流密度LSM式中：式中：为磁化强度为磁化强度为介质表面外法线的为介质表面外法线的单位矢量。单位矢量。（微分关系）（微分关系）取一长为取一长为 l 面积
4、为面积为S的磁介质。则：的磁介质。则：abcda作闭合回路作闭合回路求积分求积分abcd积分关系积分关系 磁化强度对闭合回路的线积磁化强度对闭合回路的线积分等于通过回路所包围的面积内分等于通过回路所包围的面积内的总磁化电流。的总磁化电流。 磁化磁化强强度与磁化面度与磁化面电电流的关系，流的关系，虽虽然是从特例然是从特例给给出，但是普遍成立的。出，但是普遍成立的。无磁介质时无磁介质时有磁介质时有磁介质时定义磁场强度定义磁场强度 磁磁介介质质中中的的安安培培环环路路定定理理：磁磁场场强强度度沿沿任任意意闭闭合合路路径径的的线线积积分分等等于于穿穿过过该该路路径径的的所所有有传传导导电电流流的的代代
5、数数和，而与磁化电流无关。和，而与磁化电流无关。15.2 有介质时的安培环路定理有介质时的安培环路定理磁化电流磁化电流传导电流传导电流有磁介质的总场有磁介质的总场 实实验验证证明明：对对于于各各向向同同性性的的介介质质，在在磁磁介介质质中中任意一点磁化强度和磁场强度成正比。任意一点磁化强度和磁场强度成正比。 式中式中m称为磁介质的称为磁介质的磁化率磁化率，是一个纯数。，是一个纯数。磁导率磁导率 =0 r说明：说明：1） 是一辅助物理量，描述磁场的基本物理量是一辅助物理量，描述磁场的基本物理量 仍然是仍然是3）是一普遍关系式是一普遍关系式在各向同性的介质中：在各向同性的介质中：在电流和磁介质分布
6、有对称性时，通过在电流和磁介质分布有对称性时，通过先求先求H，再通过，再通过B= 0 r H求求 B.2） 的单位是的单位是A/m（SI制）制）例：长直螺旋管内充满均匀磁介质例：长直螺旋管内充满均匀磁介质 r，设电流设电流 I0 0，单位长度单位长度上的匝数为上的匝数为 n 。求管内的磁感应强度求管内的磁感应强度。解：因管外磁场为零，取如图所示解：因管外磁场为零，取如图所示安培回路安培回路例例: :在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质，已知螺绕环中在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质，已知螺绕环中的传导电流为的传导电流为I ，单位长度内匝数单位长度内匝数n，环的横截面半径比环的平环的横截面
7、半径比环的平均半径小得多，磁介质的相对磁导率和磁导率分别为均半径小得多，磁介质的相对磁导率和磁导率分别为 r r和和 ，求求环内的磁场强度和磁感应强度。环内的磁场强度和磁感应强度。解：解：在环内任取一点，过该点作在环内任取一点，过该点作一和环同心、半径为一和环同心、半径为 r 的圆形回的圆形回路。路。式中式中N为螺绕环上线圈的总匝数。由对称性可知，在所取圆形为螺绕环上线圈的总匝数。由对称性可知，在所取圆形回路上各点的磁场强度的大小相等，方向都沿切线。回路上各点的磁场强度的大小相等，方向都沿切线。当环内充满均匀介质时当环内充满均匀介质时例例：如如图图所所示示，一一半半径径为为R1的的无无限限长长
8、圆圆柱柱体体（导导体体 0）中中均均匀匀地地通通有有电电流流I，在在它它外外面面有有半半径径为为R2的的无无限限长长同同轴轴圆圆柱柱面面，两两者者之之间间充充满满着着磁磁导导率率为为 的的均均匀匀磁磁介介质质，在在圆圆柱柱面面上上通通有有相相反反方方向向的的电电流流I。试试求求(1)(1)圆圆柱柱体体外外圆圆柱柱面面内内一一点点的的磁磁场场；(2)(2)圆柱体内一点磁场；圆柱体内一点磁场；(3)(3)圆柱面外一点的磁场。圆柱面外一点的磁场。解解: (1)(1)当当两两个个无无限限长长的的同同轴轴圆圆柱柱体体和和圆圆柱柱面面中中有有电电流流通通过过时时，它它们们所所激激发发的的磁磁场场是是轴轴对
9、对称称分分布布的的，而而磁磁介介质质亦亦呈呈轴轴对对称称分分布布，因因而而不不会会改改变变场场的的这这种种对对称称分分布布。设设圆圆柱柱体体外外圆圆柱柱面面内内一一点点到到轴轴的的垂垂直直距距离离是是r1，以以r1为为半半径径作作一一圆圆，取取此此圆圆为为积积分分回回路路，根根据据安安培培环环路路定理有定理有IIIR1R2r1IIIR1R2r1r2(2) 设设在在圆圆柱柱体体内内一一点点到到轴轴的的垂垂直直距距离离是是r2，则则以以r2为为半半径径作作一一圆，根据安培环路定理有圆，根据安培环路定理有(3) 在在圆圆柱柱面面外外取取一一点点，它它到到轴轴的的垂垂直直距距离离是是r3，以以r3为为
10、半半径径作作一一圆圆，根根据据安安培培环环路路定定理理,考考虑虑到到环环路路中中所所包包围围的的电电流流的的代代数数和和为为零，所以得零，所以得r3装置：装置：螺绕环螺绕环; 铁磁质铁磁质冲击电流计测量冲击电流计测量B铁磁质的铁磁质的 r 非线性；非线性；15.3 铁磁质铁磁质原理原理:励磁电流励磁电流 I; 用安培定理得用安培定理得H一一 磁磁化化规规律律起始磁化曲线；起始磁化曲线；磁饱和现象磁饱和现象B的变化落后于的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应，从而具有剩磁，即磁滞效应起始磁化曲线；起始磁化曲线；剩磁剩磁饱和磁感应强度饱和磁感应强度矫顽力矫顽力磁滞回线磁滞回线-不可逆过程不可逆过
11、程当温度升高到一定程度时，高磁导率、磁滞、磁致当温度升高到一定程度时，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。伸缩等一系列特殊状态全部消失，而变为顺磁性。这温度称铁磁质的居里点这温度称铁磁质的居里点。如：铁为如：铁为 1040K，钴为，钴为 1390K， 镍为镍为 630K.2）有剩磁，去磁要有矫顽力）有剩磁，去磁要有矫顽力Hc 3）具有使铁磁质性质消失的）具有使铁磁质性质消失的“居里点居里点”。1）B、H具有非线性关系，具有非线性关系， 数值都很大。数值都很大。铁磁性材料的特点铁磁性材料的特点：装置如图所示：将悬挂着的镍片移近永久装置如图所示：将悬挂着的镍片移近永久磁
12、铁，即被吸住，说明镍片在室温下具有磁铁，即被吸住，说明镍片在室温下具有铁磁性。用酒精灯加热镍片，当镍片的温铁磁性。用酒精灯加热镍片，当镍片的温度升高到超过一定温度时，镍片不再被吸度升高到超过一定温度时，镍片不再被吸引，在重力作用下摆回平衡位置，说明镍引，在重力作用下摆回平衡位置，说明镍片的铁磁性消失，变为顺磁性。移去酒精片的铁磁性消失，变为顺磁性。移去酒精灯，稍待片刻，镍片温度下降到居里点以灯，稍待片刻，镍片温度下降到居里点以下恢复铁磁性，又被磁铁吸住。下恢复铁磁性，又被磁铁吸住。 作变压器的作变压器的软磁材料软磁材料。纯铁，硅钢坡莫合金纯铁，硅钢坡莫合金( (Fe，Ni) )，铁氧体等。，铁
13、氧体等。 r大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。饱和磁感应强度大，饱和磁感应强度大，矫顽力矫顽力( (Hc) )小，磁滞小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小。回线的面积窄而长，损耗小。用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。作永久磁铁的作永久磁铁的硬磁材料硬磁材料钨钢，碳钢，铝镍钴合金钨钢，碳钢，铝镍钴合金矫顽力矫顽力( (Hc) )大（大（10102 2A/m) )，剩磁，剩磁Br大大磁滞回线的面积大，损耗大。磁滞回线的面积大，损耗大。用于磁电式电表中的永磁铁。用于磁电式电表中的永磁铁。耳机中的永
14、久磁铁，永磁扬声器。耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。二二 铁铁 磁磁 质质 的的 应应 用用作存储元件的作存储元件的矩磁材料矩磁材料Br=BS，Hc不大，磁滞回线是矩形。不大，磁滞回线是矩形。用于记忆元件，当用于记忆元件，当+ +脉冲产生脉冲产生H Hc使磁芯呈使磁芯呈+ +B态，则态，则脉冲产生脉冲产生H Hc使磁芯呈使磁芯呈 B态，可做为二进制的两个态。态，可做为二进制的两个态。锰镁铁氧体，锂锰铁氧体锰镁铁氧体，锂锰铁氧体压磁材料具有较强的磁致伸缩效应压磁材料具有较强的磁致伸缩效应. .BHO磁致伸缩有一定固有频率磁致伸缩有一定固有频率当外磁场变化频率和固有频率一致发生共振当外磁场变化频率和
15、固有频率一致发生共振常用于制造激振器、超声波发生器。常用于制造激振器、超声波发生器。磁畴磁畴(10 4m)三、铁磁质磁化的微观机理三、铁磁质磁化的微观机理成因：一种量子作用成因：一种量子作用-电子轨道交叠产生的电子轨道交叠产生的一种交换耦合作用，使电子自旋取一致平行一种交换耦合作用，使电子自旋取一致平行的排列，形成自发的磁化区域的排列，形成自发的磁化区域-磁畴。磁畴。纯铁纯铁硅铁硅铁钴钴Si-Fe单晶单晶(001)面的面的磁畴结构磁畴结构箭头表示箭头表示磁化方向磁化方向0.1mm 在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能将低在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能将低于磁矩与外磁反
16、向排列时的磁能，结果是于磁矩与外磁反向排列时的磁能，结果是自发磁化磁矩和外磁自发磁化磁矩和外磁场成小角度的磁畴处于有利地位，这些磁畴体积逐渐扩大，场成小角度的磁畴处于有利地位，这些磁畴体积逐渐扩大，而而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。随着自发磁化磁矩与外磁场成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。随着外磁场的不断增强，取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失，外磁场的不断增强，取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失，留存的磁畴将向外磁场的方向旋转，以后再继续增加磁场，所留存的磁畴将向外磁场的方向旋转，以后再继续增加磁场，所有磁畴都沿外磁场方向整齐排列，这时磁化达到饱和。有磁畴都沿外磁场方向整
17、齐排列，这时磁化达到饱和。 在没有外磁场作用时，磁体体内磁矩排列杂乱，任意在没有外磁场作用时，磁体体内磁矩排列杂乱，任意物理无限小体积内的平均磁矩为零。物理无限小体积内的平均磁矩为零。顺磁质和铁磁质的磁导率明显地依赖于温度，而抗顺磁质和铁磁质的磁导率明显地依赖于温度，而抗磁质的磁导率则几乎与温度无关，为什么？磁质的磁导率则几乎与温度无关，为什么？答答：顺磁质的磁性主要来源于分子的固有磁矩沿外磁场顺磁质的磁性主要来源于分子的固有磁矩沿外磁场方向的取向排列方向的取向排列。当温度升高时，由于热运动的缘故，当温度升高时，由于热运动的缘故，这些固有磁矩更易趋向混乱，而不易沿外磁场方向排列，这些固有磁矩更
18、易趋向混乱，而不易沿外磁场方向排列，使得顺磁质的磁性因磁导率明显地依赖于温度。使得顺磁质的磁性因磁导率明显地依赖于温度。 铁磁质的磁性主要来源于磁畴的磁矩方向沿外磁场方铁磁质的磁性主要来源于磁畴的磁矩方向沿外磁场方向的取向排列。向的取向排列。当温度升高时，各磁畴的磁矩方向易当温度升高时，各磁畴的磁矩方向易趋向混乱而使铁磁质的磁性减小，因而铁磁质的磁导趋向混乱而使铁磁质的磁性减小，因而铁磁质的磁导率会明显地依赖于温度。率会明显地依赖于温度。当铁磁质的温度超过居里点当铁磁质的温度超过居里点时，其磁性还会完全消失。时，其磁性还会完全消失。至于至于抗磁质，它的磁性来源于抗磁质分子在外磁场中所产抗磁质，它的磁性来源于抗磁质分子在外磁场中所产生的与外磁场方向相反的感生磁矩，生的与外磁场方向相反的感生磁矩，不存在磁矩的方向排不存在磁矩的方向排列问题，因而抗磁质的磁性和分子的热运动情况无关，这列问题，因而抗磁质的磁性和分子的热运动情况无关，这就是抗磁质的磁导率几乎与温度无关的原因。就是抗磁质的磁导率几乎与温度无关的原因。
