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1、第第1111章章 磁场中的磁介质磁场中的磁介质 1. 磁介质磁介质 磁化强度磁化强度2 . 有介质时的安培环路定理有介质时的安培环路定理 磁场强度磁场强度3 . 铁磁质铁磁质重点：重点：重点：重点： 磁介质对磁场的影响、磁介质对磁场的影响、 H H的环路定理的环路定理内容：内容：内容：内容：难点：难点：难点：难点： 抗磁质的磁化机理抗磁质的磁化机理磁场中的磁介质11.1 磁介质磁介质 磁化强度磁化强度 磁介质的磁化磁介质的磁化观察铁芯对电磁感应的影响观察铁芯对电磁感应的影响使线圈中的磁通量大大增加使线圈中的磁通量大大增加磁场中的磁介质实验发现实验发现：如果在载流导线周围空间不是真空，而是充：如
2、果在载流导线周围空间不是真空，而是充满某种各向同性的磁介质，则磁感应强度增加满某种各向同性的磁介质，则磁感应强度增加 r倍倍 r称为磁介质的相对磁导率称为磁介质的相对磁导率(1) r 1：顺磁质，如氧、铝、钨、铂、铬等。：顺磁质，如氧、铝、钨、铂、铬等。(2) r 1：铁磁质，如铁、钴、镍等：铁磁质，如铁、钴、镍等 r = 0表示表示完全抗磁性完全抗磁性，如超导体是理想的抗磁体，如超导体是理想的抗磁体11.1.1 11.1.1 磁介质的三种类型磁介质的三种类型磁介质的三种类型磁介质的三种类型磁场中的磁介质11.1.2 11.1.2 顺磁质和抗磁质磁化的微观机理顺磁质和抗磁质磁化的微观机理顺磁质
3、和抗磁质磁化的微观机理顺磁质和抗磁质磁化的微观机理 原子中的电子绕原子核以原子中的电子绕原子核以速率速率v 作半径为作半径为r的圆周运动的圆周运动电子的轨道磁矩电子的轨道磁矩电子的轨道磁矩电子的轨道磁矩演示动画：电子的轨道运动演示动画：电子的轨道运动（1 1）分子磁矩：）分子磁矩：m 原子中电子除了作绕核的原子中电子除了作绕核的轨道运动外，还有自旋，相应轨道运动外，还有自旋，相应地有地有自旋磁矩自旋磁矩自旋磁矩自旋磁矩原子核也作自旋原子核也作自旋核自旋磁矩核自旋磁矩核自旋磁矩核自旋磁矩分子磁矩分子磁矩分子磁矩分子磁矩mm是电子轨道磁矩、电子自旋磁矩、核自旋是电子轨道磁矩、电子自旋磁矩、核自旋是
4、电子轨道磁矩、电子自旋磁矩、核自旋是电子轨道磁矩、电子自旋磁矩、核自旋磁矩的矢量和磁矩的矢量和磁矩的矢量和磁矩的矢量和分子磁矩磁效应总和等效一圆电流分子磁矩磁效应总和等效一圆电流分子磁矩磁效应总和等效一圆电流分子磁矩磁效应总和等效一圆电流磁场中的磁介质（2）顺磁质顺磁质顺磁质顺磁质有固有磁矩有固有磁矩有固有磁矩有固有磁矩（即通常情况下各磁矩（即通常情况下各磁矩矢量和不为零）矢量和不为零）抗磁质抗磁质抗磁质抗磁质没有固有磁矩没有固有磁矩没有固有磁矩没有固有磁矩（即通常情况下各磁矩矢（即通常情况下各磁矩矢量和为零），在外磁场中会产生量和为零），在外磁场中会产生感应磁矩感应磁矩感应磁矩感应磁矩（3）
5、磁介质磁化）磁介质磁化没有外磁场没有外磁场顺顺磁磁质质在外磁场中在外磁场中在无外磁场时，分子磁矩排列杂乱，宏观上不在无外磁场时，分子磁矩排列杂乱，宏观上不产生磁效应，温度越高顺磁效应越弱。产生磁效应，温度越高顺磁效应越弱。磁场中的磁介质分子电流观点分子电流观点分子环流分子环流一个分子相当于一个环行电流一个分子相当于一个环行电流分子磁矩分子磁矩无外磁场时，分子环无外磁场时，分子环流的取向杂乱无章，流的取向杂乱无章，磁矩相互抵消磁矩相互抵消演示动画：磁化面电流演示动画：磁化面电流磁场中的磁介质I0I0I/I/I/励磁电流励磁电流磁化电流磁化电流0磁场中的磁介质 在外磁场中分子磁矩将不同程度地沿外磁
6、场在外磁场中分子磁矩将不同程度地沿外磁场方向排列起来，在宏观上呈现出附加磁场，这个附方向排列起来，在宏观上呈现出附加磁场，这个附加磁场的方向与外磁场方向相同，使介质中的磁感加磁场的方向与外磁场方向相同，使介质中的磁感应强度增加。应强度增加。顺磁场在外磁场中的磁化过程称为顺磁场在外磁场中的磁化过程称为取向磁化取向磁化。对顺磁质对顺磁质B/与与B0同向同向则磁介质中的磁场为：则磁介质中的磁场为：B=B0+B/磁场中的磁介质对抗磁质，以电子轨道磁矩为例对抗磁质，以电子轨道磁矩为例 加上外磁场后，电子将受到洛加上外磁场后，电子将受到洛伦兹力。简单起见，设电子轨伦兹力。简单起见，设电子轨道平面与磁场垂直
7、。道平面与磁场垂直。（1） 与与B同向时同向时 此时洛伦兹力向心，设轨道半此时洛伦兹力向心，设轨道半径不变，由洛伦兹力引起的径不变，由洛伦兹力引起的方向与方向与 0同向同向,有有 = 0+ 。可得可得值，而值，而的方向与外磁的方向与外磁场场B同向，原有的磁矩同向，原有的磁矩m0有改变有改变量为量为 m， m为附加磁矩，方为附加磁矩，方向与外磁场向与外磁场B反向反向。I磁场中的磁介质（2） 与与B反向时反向时此时洛伦兹力离心，设轨此时洛伦兹力离心，设轨道半径不变，由洛伦兹力道半径不变，由洛伦兹力引起的引起的方向与方向与 0反向反向,有有 = 0- ，同样分析，同样分析可得有同样的可得有同样的值，
8、且值，且的方向仍与外磁场的方向仍与外磁场B同同向，原有的磁矩向，原有的磁矩m0的改变的改变量为量为 m， 附加磁矩附加磁矩 m方方向还是与外磁场向还是与外磁场B反向。反向。附加磁矩附加磁矩附加磁矩附加磁矩 m与与与与B B反向反向反向反向I磁场中的磁介质以上只讨论以上只讨论 0与与B平行的情况，理论上可证明，当平行的情况，理论上可证明，当两者成任何角度时，两者成任何角度时， 总与总与B同向，从而产生的附同向，从而产生的附加磁矩加磁矩 m总与总与B反向反向反向反向，抗磁质无固有磁矩，这是因，抗磁质无固有磁矩，这是因为其中原有的各个电子的磁矩方向无规则，相互抵为其中原有的各个电子的磁矩方向无规则，
9、相互抵消了。外加磁场后产生的附加磁矩却与消了。外加磁场后产生的附加磁矩却与B反向抗反向抗磁质的来源。磁质的来源。超导体的迈斯纳效应超导体的迈斯纳效应超导体的迈斯纳效应超导体的迈斯纳效应超导体上产生的感应电超导体上产生的感应电流的磁场完全抵消外磁流的磁场完全抵消外磁场场完全抗磁体完全抗磁体完全抗磁体完全抗磁体磁场中的磁介质11.1.3 11.1.3 磁化强度磁化强度磁化强度磁化强度（1）定义：单位体积内分子磁矩的矢量和）定义：单位体积内分子磁矩的矢量和在外磁场中在外磁场中若单位体积内的分子环流数为若单位体积内的分子环流数为n，则，则分子环流分子环流m分子分子I设磁介质内每个分子的电流环设磁介质内
10、每个分子的电流环一样，环的面积为一样，环的面积为a（矢量面（矢量面元为元为 )，环电流为，环电流为I，故磁，故磁矩为矩为 (平均磁矩）平均磁矩）磁场中的磁介质11.2 磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 磁场强度磁场强度（1）磁化电流）磁化电流Is与磁化强度与磁化强度M的关系的关系S的周界的周界线线L在周界线上任取一线在周界线上任取一线元元被被 穿过所有分子流穿过所有分子流有有nadlcos 个个每个分子环流为每个分子环流为I，故，故与与 套链的磁化电流套链的磁化电流为为Inacosdl，即为，即为磁场中的磁介质 设介质表面单位长度上的磁化电流（面磁化电流密度）设介质表面单位长度上的
11、磁化电流（面磁化电流密度）为为is，则（即被矩形回路所套链的磁化电流有），则（即被矩形回路所套链的磁化电流有）介质外介质外M=0若磁介质的磁化强度若磁介质的磁化强度M已知已知,可以计算它产生的可以计算它产生的附加磁场附加磁场B/，继而计算介质中的总磁场，继而计算介质中的总磁场磁场中的磁介质（2 2）磁场强度矢量）磁场强度矢量）磁场强度矢量）磁场强度矢量HH与有介质时的安培环路定理与有介质时的安培环路定理与有介质时的安培环路定理与有介质时的安培环路定理定义定义磁场强度：磁场强度：有介质时的安培环路定理有介质时的安培环路定理真空时真空时:则则磁场中的磁介质 沿沿任任一一闭闭合合路路径径磁磁场场强强
12、度度的的环环流流等等于于该该闭闭合合路径所包围的传导电流的代数和路径所包围的传导电流的代数和。 H H H H的环流仅与传导电流的环流仅与传导电流的环流仅与传导电流的环流仅与传导电流I I I I有关，与介质无关。有关，与介质无关。有关，与介质无关。有关，与介质无关。磁场强度磁场强度H与在有电介质的静电场中引入的电位与在有电介质的静电场中引入的电位移移D相似，它们都是相似，它们都是辅助物理量辅助物理量。用磁场强度表述的安培环路定理用磁场强度表述的安培环路定理用磁场强度表述的安培环路定理用磁场强度表述的安培环路定理 传导电流和磁化电流产生的磁感应线都是无头传导电流和磁化电流产生的磁感应线都是无头
13、无尾的闭合曲线。因此，对任意闭合曲面无尾的闭合曲线。因此，对任意闭合曲面S 磁场高斯定理依然成立磁场高斯定理依然成立磁场高斯定理依然成立磁场高斯定理依然成立 磁场中的磁介质实验指出，在各向同性磁介质中，任一点的磁化强实验指出，在各向同性磁介质中，任一点的磁化强度度M与磁场强度与磁场强度H成正比，即成正比，即令（令（1+k） r，称为磁介质的相对磁导率，则有，称为磁介质的相对磁导率，则有令令 0 r ，称为磁介质的磁导率，则有，称为磁介质的磁导率，则有磁场中的磁介质例例112: 将磁导率为将磁导率为 的铁磁质做成一细圆环，在环的铁磁质做成一细圆环，在环上均匀密绕着线圈，就成为有铁芯的环形螺线管（
14、亦上均匀密绕着线圈，就成为有铁芯的环形螺线管（亦称螺绕环）。设单位长度的导线匝数称螺绕环）。设单位长度的导线匝数n=500，当导线，当导线中的电流强度中的电流强度I=4A时，时，=5.010-4H/m。计算（。计算（1）环）环内的磁场强度值内的磁场强度值H、磁感应强度值、磁感应强度值B；（；（2）磁介质的）磁介质的磁化电流线密度。磁化电流线密度。解：（解：（1）环形螺线管的磁场几乎全环形螺线管的磁场几乎全部集中在环内，其磁力线是一系列圆部集中在环内，其磁力线是一系列圆心在对称轴上的圆，在同一条磁力线心在对称轴上的圆，在同一条磁力线上各点的上各点的H值相等，各点的值相等，各点的H矢量都矢量都沿磁
15、力线的切线方向。取过环内任一沿磁力线的切线方向。取过环内任一点点P的磁力线的磁力线L为积分环路，由安培为积分环路，由安培环路定律环路定律磁场中的磁介质其中其中L为积分环路的长度，为积分环路的长度，N为环形螺线管的总匝数。为环形螺线管的总匝数。因为铁芯是细圆环，截面积很小，环内各点的因为铁芯是细圆环，截面积很小，环内各点的H值可以值可以认为相等，通过任一点的磁力线长度认为相等，通过任一点的磁力线长度L可认为等于螺线可认为等于螺线管中心线的长度，所以管中心线的长度，所以n=N/L，由上式有，由上式有H=nI=5004=2103A/mB=H=5.010-42103=1.0T（2）和长值螺线管一样，环
16、形螺线管的磁化面电流和长值螺线管一样，环形螺线管的磁化面电流也与传导电流的方向相同，由叠加原理，磁化面电流也与传导电流的方向相同，由叠加原理，磁化面电流产生的附加磁感应强度：产生的附加磁感应强度：B/=BB0=0nIs，而传导电，而传导电流产生的磁场：流产生的磁场：B0=0nI，所以所以B/=nI-0nI=(-0)nI=0nIs磁场中的磁介质把把nIs=iS，即管内磁介质单位长度的磁化电流，就，即管内磁介质单位长度的磁化电流，就是磁化电流线密度，由上式是磁化电流线密度，由上式B/=0is=(0)nI得得或由或由得得磁场中的磁介质例：例：例：例：有一长圆柱形载流导体，其相对磁导率为有一长圆柱形载
17、流导体，其相对磁导率为 r，半，半径为径为R，有电流沿轴线方向在圆柱截面上均匀分布，导，有电流沿轴线方向在圆柱截面上均匀分布，导体外为真空，求磁场分布。体外为真空，求磁场分布。解：解：解：解：在圆柱内取一同心回路在圆柱内取一同心回路得：得：方向与方向与I I成右手螺旋关系成右手螺旋关系方向与方向与I I成右手螺旋关系成右手螺旋关系0r磁场中的磁介质在圆柱外在圆柱外 取一同心回路取一同心回路得：得：方向与方向与I成右手螺旋关系成右手螺旋关系方向与方向与I成右手螺旋关系成右手螺旋关系磁场分布如图磁场分布如图磁场分布如图磁场分布如图0r磁场中的磁介质作业作业111、2、3磁场中的磁介质铁磁质的性质铁
18、磁质的性质（1 1）相对磁导率非常大；）相对磁导率非常大；（2 2）磁导率不是恒量）磁导率不是恒量, ,随所在处磁场强度变化而变随所在处磁场强度变化而变化，化，B与与H不是线性关系不是线性关系. . 在居里点，磁性发生突变。当温度在居里点以在居里点，磁性发生突变。当温度在居里点以上时，铁磁质转化为顺磁质。各种材料的居里上时，铁磁质转化为顺磁质。各种材料的居里点不同，如铁是点不同，如铁是1040K1040K。（4 4）外磁场撤去后）外磁场撤去后, ,仍能保留部分磁性，存在仍能保留部分磁性，存在磁磁滞滞现象。现象。11.3 11.3 11.3 11.3 铁磁质铁磁质铁磁质铁磁质能产生特别强的附加磁
19、场，使铁磁质中的磁场能产生特别强的附加磁场，使铁磁质中的磁场增强增强102104倍。倍。 （3 3）铁磁质磁化存在一）铁磁质磁化存在一居里点居里点。磁场中的磁介质11.3.1 BH、 H磁化曲线磁化曲线 用待测的铁磁质为芯用待测的铁磁质为芯制成的螺线环，当线圈制成的螺线环，当线圈中通以电流中通以电流I0 时，环内时，环内的磁场强度的磁场强度H =nI0 ，通，通过测量电流过测量电流I0，就得到，就得到铁磁芯磁化的磁场强度铁磁芯磁化的磁场强度H ，当原线圈中电流变，当原线圈中电流变化时，副线圈中将产生化时，副线圈中将产生感应电动势，由此可测感应电动势，由此可测环内的磁感应强度环内的磁感应强度B，
20、B的变化总落后于的变化总落后于H。I0nBGI0BH 磁滞曲线磁滞曲线磁滞曲线磁滞曲线磁场中的磁介质演示动画：磁滞回线演示动画：磁滞回线（1 1）起始磁化曲线）起始磁化曲线）起始磁化曲线）起始磁化曲线从未磁化到饱和磁化从未磁化到饱和磁化从未磁化到饱和磁化从未磁化到饱和磁化饱饱和和磁磁化化强强度度磁场中的磁介质测出磁导率测出磁导率, ,铁磁质的铁磁质的 不是常数，随不是常数，随H的变化而变。的变化而变。 根据根据有起始磁导率，最大磁导率。有起始磁导率，最大磁导率。 H磁化曲线磁化曲线磁场中的磁介质MR剩余磁化强度；剩余磁化强度； BR剩余磁感应强度；剩余磁感应强度；HC矫顽力矫顽力B(或或M）总
21、是落后于）总是落后于H，如，如H=0，B=BR,H=-HC,B=0磁场中的磁介质 铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化时会发热，铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化时会发热，有能量损耗，有能量损耗，磁滞回线所包围的面积越大，磁滞磁滞回线所包围的面积越大，磁滞损耗越大。损耗越大。 铁磁质的分类铁磁质的分类铁磁质的分类铁磁质的分类不同铁磁性物质不同铁磁性物质的磁滞回线有很大的磁滞回线有很大差异。差异。图为三种铁磁材料的图为三种铁磁材料的磁滞回线磁滞回线磁场中的磁介质硬磁材料硬磁材料硬磁材料的性能参量硬磁材料的性能参量最大磁能积（最大磁能积（最大磁能积（最大磁能积（BH)BH)mm软磁材料软磁材料矫顽力矫顽
22、力HC小，磁滞回线小，磁滞回线细窄，细窄，易磁化、易退磁易磁化、易退磁。切断电源后无剩磁，如应切断电源后无剩磁，如应用于变压器的铁心。用于变压器的铁心。磁滞回线宽肥，磁化后可长久保持很强磁性，磁滞回线宽肥，磁化后可长久保持很强磁性，可作可作永久磁铁如电流计中的永磁铁。永久磁铁如电流计中的永磁铁。 磁场中的磁介质矩磁材料矩磁材料 磁滞回线呈矩形，在两个方向上的剩磁可用于表磁滞回线呈矩形，在两个方向上的剩磁可用于表示二进制的示二进制的“0”和和“1” ，用于随机存取信息的，用于随机存取信息的存储器中。存储器中。磁场中的磁介质三三三三. .铁磁质的微观结构铁磁质的微观结构铁磁质的微观结构铁磁质的微观
23、结构 磁畴磁畴磁畴磁畴 铁磁铁磁 性主要来源于电子的性主要来源于电子的自旋自旋磁矩磁矩。按量子效应，自旋磁矩趋向能。按量子效应，自旋磁矩趋向能量较低的平行排列状态，即使没有外量较低的平行排列状态，即使没有外磁场，自旋磁矩也可以自发地形成一磁场，自旋磁矩也可以自发地形成一个个磁化区个个磁化区磁畴磁畴 磁畴是自发的磁化区域。磁畴磁畴是自发的磁化区域。磁畴的体积约为的体积约为10 1210 8米米3，其中含有，其中含有约约10171021个分子个分子 。每一磁畴中，各原子的排列很整齐，因此具有很每一磁畴中，各原子的排列很整齐，因此具有很强的磁性。但不同的磁畴排列方向彼此不同强的磁性。但不同的磁畴排列
24、方向彼此不同, ,所以所以没有外磁场没有外磁场时，各磁畴磁矩相互抵消，对外不显磁时，各磁畴磁矩相互抵消，对外不显磁性性. .磁畴磁畴没有外磁场时：没有外磁场时：磁场中的磁介质加上外磁场加上外磁场 : :在外磁场较弱时，在外磁场较弱时，自发磁化方向与外磁场方向相同或自发磁化方向与外磁场方向相同或相近的那些磁畴逐渐增大（畴壁位相近的那些磁畴逐渐增大（畴壁位移）。在外磁场较强时，磁畴自发移）。在外磁场较强时，磁畴自发磁化方向作为一个整体，不同程度磁化方向作为一个整体，不同程度地转向外磁场方向。地转向外磁场方向。演示动画：演示动画：铁磁质的磁化铁磁质的磁化没有外磁场时没有外磁场时加外磁场时加外磁场时加
25、外磁场时加外磁场时加外磁场时加外磁场时加外磁场时加外磁场时各磁畴磁矩取向趋于一致，且与各磁畴磁矩取向趋于一致，且与外磁场方向相同，铁磁质会表现外磁场方向相同，铁磁质会表现出很强的磁性。通常铁磁质产生出很强的磁性。通常铁磁质产生的附加磁场要比外磁场要大好几的附加磁场要比外磁场要大好几个数量级。个数量级。磁场中的磁介质 （1）由于被磁化的铁磁质受体内杂质和内）由于被磁化的铁磁质受体内杂质和内应力等作用，当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很应力等作用，当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状，因而表现出来磁滞现难恢复到原来的形状，因而表现出来磁滞现象。象。 （2 2） 铁磁质还具有铁磁质还具有磁致伸缩磁致
26、伸缩的性质，磁致伸缩是的性质，磁致伸缩是因磁畴在外磁场中的取向，改变了晶格间距而引起因磁畴在外磁场中的取向，改变了晶格间距而引起的。的。 （3）当温度升高时，热运动会瓦解磁畴内磁矩的）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（规则排列；在临界温度（居里点居里点）时，铁磁质完）时，铁磁质完全变成了顺磁质。全变成了顺磁质。用磁畴的观点解释铁磁体磁化过程的特性用磁畴的观点解释铁磁体磁化过程的特性 （4）当）当各磁畴磁矩取向趋于一致，且与外磁场方各磁畴磁矩取向趋于一致，且与外磁场方向相同时，再增加外磁场强度，铁磁质产生的附加向相同时，再增加外磁场强度，铁磁质产生的附加磁感应强度不再增
27、加了，达到了磁饱和状态。磁感应强度不再增加了，达到了磁饱和状态。磁场中的磁介质 铁铁 空气空气 1，外磁场的磁感应外磁场的磁感应通量中绝大部分将沿铁壳壁内通量中绝大部分将沿铁壳壁内“通过通过”，进入空腔内部的磁，进入空腔内部的磁通量是很少，达到屏蔽作用。通量是很少，达到屏蔽作用。四四四四. . 磁屏蔽磁屏蔽磁屏蔽磁屏蔽铁芯具有把磁感应线集中到自己内部的铁芯具有把磁感应线集中到自己内部的性质，提供了制造磁屏蔽的可能。性质，提供了制造磁屏蔽的可能。铁壳铁壳用铁壳做的磁屏蔽没有金属导体壳用铁壳做的磁屏蔽没有金属导体壳做的静电屏蔽效果好，可采用多层做的静电屏蔽效果好，可采用多层铁壳的办法，把漏进空腔里
28、的磁通铁壳的办法，把漏进空腔里的磁通一次次地屏蔽掉一次次地屏蔽掉磁场中的磁介质练练练练习习习习：一一螺螺绕绕环环共共绕绕有有400匝匝，其其导导线线内内通通过过的的电电流流为为20A，环环的的平平均均周周长长是是40cm，利利用用冲冲击击电电流流计计测测得得环环内内磁磁感感强强度度是是1.0T。计计算算环环内内：（1）磁磁场强度；（场强度；（2）相对磁导率和磁化面电流。）相对磁导率和磁化面电流。解：解：解：解：（1）利用安培环路）利用安培环路定理，螺线环内磁场强度定理，螺线环内磁场强度（2）相对磁导率）相对磁导率I0nBGI0磁场中的磁介质总磁化面电流总磁化面电流（3）环状磁介质表磁化面电流线密度）环状磁介质表磁化面电流线密度磁场中的磁介质作业作业115、6磁场中的磁介质
