1、 第六章第六章磁介質(zhì)磁介質(zhì)本章目錄本章目錄6.1 6.1 磁介質(zhì)分子電流理論磁介質(zhì)分子電流理論6.2 6.2 磁介質(zhì)特性分析磁介質(zhì)特性分析6.3 6.3 磁場(chǎng)邊界條件與磁能磁場(chǎng)邊界條件與磁能6.1 6.1 磁介質(zhì)分子電流理論磁介質(zhì)分子電流理論000000順磁質(zhì)：介質(zhì)內(nèi)，B 與B 同向，BB （絕大多數(shù)物質(zhì)）弱磁質(zhì)抗磁質(zhì)：介質(zhì)內(nèi)，B 與B 反向，BB （如Cu、Ag、Ar等）強(qiáng)磁質(zhì)鐵磁質(zhì)：介質(zhì)內(nèi)，B 與B 同向，BBFeCoNi（如、等）ImpmI0limiiVmMV 二二、環(huán)路定理及、環(huán)路定理及“高斯定律高斯定律” 前面，我們介紹了真空中的環(huán)路定理及高斯定理。在有磁介質(zhì)存在時(shí)，這兩個(gè)定理仍然成

2、立，只是對(duì)相應(yīng)的物理量有新的理解。 環(huán)路定理：環(huán)路定理：其中，oB dlIo()oB dlII （不便使用）0BBB 表示外磁場(chǎng)與附加磁場(chǎng)矢量和；oIII 表示傳導(dǎo)電流與磁化電流代數(shù)和。o1oB dlIIM dlIoBHM磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量，簡令稱磁場(chǎng)矢量。01oB dlIM dl ()ooBMdlI oH dlI 有磁介質(zhì)時(shí)的磁則 場(chǎng)環(huán)路定理。eHO的單位：SI中，A/m；Gauss單位制，奧斯特3101/4OeA m()oBHM這一關(guān)系經(jīng)常寫作：各物理量的關(guān)系：o(1)mBHmHMMH與 的關(guān)系： o()BHMmm 磁介質(zhì)的磁化率，無量綱，對(duì)于弱磁質(zhì)，只與介質(zhì)有關(guān)。1rm 磁介質(zhì)令 的相對(duì)磁導(dǎo)率

3、or 令磁介質(zhì)的，簡稱絕對(duì)磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率。orBH BH對(duì)于真空：or1 叫真空磁導(dǎo)率，相當(dāng)于真空的oBH 0M 0HBIH 環(huán)路定理與 成正比，且同向 應(yīng)用環(huán)路定理解題方法：BHHB 高斯定理：高斯定理：=0SB dSB是總磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量，包括外磁場(chǎng)與附加磁場(chǎng)。三三、應(yīng)用舉例、應(yīng)用舉例123小結(jié)：（1）以順磁質(zhì)為例，介紹了磁介質(zhì)的磁化理論分子電流理論。（2）磁介質(zhì)存在時(shí)的環(huán)路定理及高斯定律。（3） 其中最重要的是環(huán)路定理：oIl dHrmjIMH物理概念：磁化電流密度： ，磁化電流：磁化強(qiáng)度矢量：，磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量：相對(duì)磁導(dǎo)率： ，絕對(duì)磁導(dǎo)率：磁化率：還有各物理量之間的相互關(guān)系。6.26.2磁介質(zhì)

4、特性分析磁介質(zhì)特性分析 本節(jié)先簡介磁介質(zhì)的一般特性，然后從微觀角度介紹順磁效應(yīng)和抗磁效應(yīng)，最后介紹應(yīng)用十分廣泛的鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律。一、一、一般一般特性特性順磁質(zhì)mH與關(guān)系r相對(duì)磁導(dǎo)率抗磁質(zhì)鐵磁質(zhì)m磁化率MH與方向關(guān)系m與溫度的關(guān)系01012610101相同相反相同無關(guān)無關(guān)有關(guān)無關(guān)mTmT二二、抗磁質(zhì)的磁化、抗磁質(zhì)的磁化對(duì)抗磁介質(zhì)來說，無外磁場(chǎng)時(shí)，各電子的磁矩矢量和為 0，即分子磁矩 ,分子不顯磁性。0m Lf核f0Bei ivBmLfff電心產(chǎn)生反向電子附加磁矩m0BB與反 向i i 2fmr電Lfff電心產(chǎn)生反向電子附加磁矩mi iLf核f0Bei ivBm0BB與反 向三、鐵磁質(zhì)的特性三、

5、鐵磁質(zhì)的特性.a.b.c.MHosH.HabcdoMSRMMoabcMH，叫起。因飽和為的變磁化強(qiáng)化落后度剩余磁化強(qiáng)度始磁化，所以叫曲線磁滯現(xiàn)象。.c.Habcdeof.c.HabcdeoMMCH 。ce退矯頑力磁曲線。SM反向飽和磁化強(qiáng)度。05 10 1520Acefgc飽和磁滯回線。csr.crM.MHabcdefgo如果M未達(dá)到飽和，就使H減小，就會(huì)形成另一條磁滯回線，這樣的磁滯回線有很多，將頂點(diǎn)連接而成的曲線叫標(biāo)準(zhǔn)磁化曲線。由此可見，M與H的關(guān)系不是線性的，而且也不是單值的。即磁化率與H有關(guān)，與磁化歷史有關(guān)。退磁方法（略）(1)(1)軟磁材料軟磁材料特點(diǎn)：矯頑力小，磁滯回線窄。應(yīng)用：變

6、壓器的鐵芯。高頻：鐵氧體（復(fù)合材料，是一種 非金屬復(fù)合材料)。中頻變壓 器、天線。低頻：硅鋼片、純鐵。(2)硬磁材料特點(diǎn)：矯頑力大，磁滯回線寬。應(yīng)用：作永久磁鐵，永磁喇叭；電動(dòng)機(jī)定子。MM硬磁性材料如釹鐵硼合金、碳鋼、鋁鎳鈷合金和鋁鋼等。(3)矩磁材料特點(diǎn)：剩余磁化強(qiáng)度大，接近飽和磁化強(qiáng)度，矯頑力小，磁滯回線接近于矩形。MHo應(yīng)用：磁性存儲(chǔ)器。 鐵磁質(zhì)反復(fù)磁化，分子運(yùn)動(dòng)加劇，溫度升高，因此放出熱量，損失能量，叫磁滯損磁滯損耗耗與磁滯回線圍成的面積成正比。四四、磁疇、磁疇 磁疇理論是用量子理論從微觀上說明鐵磁質(zhì)的磁化機(jī)理。 從原子結(jié)構(gòu)來看，鐵原子的最外層有兩個(gè)電子，會(huì)因電子自旋而產(chǎn)生相互作用。這

7、一相互作用的結(jié)果使得許多鐵原子的電子自旋磁矩在許多小的區(qū)域內(nèi)整齊地排列起來，形成一個(gè)個(gè)微小的自發(fā)磁化區(qū)，稱為磁疇，相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩排列的方向不同。在無外磁場(chǎng)時(shí)，各磁疇的排列是不規(guī)則的，各磁疇的磁化方向不同，產(chǎn)生的磁效應(yīng)相互抵消，整個(gè)鐵磁質(zhì)不呈現(xiàn)磁性。 當(dāng)鐵磁質(zhì)處于外磁場(chǎng)中時(shí)，那些自發(fā)磁化方向和外磁場(chǎng)方向成小角度的磁疇其體積隨著外加磁場(chǎng)的增大而擴(kuò)大并使磁疇的磁化方向進(jìn)一步轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)方向。另一些自發(fā)磁化方向和外磁場(chǎng)方向成大角度的磁疇其體積則逐漸縮小。這就使得與外磁場(chǎng)方向接近一致的總磁矩得到增加，對(duì)外表現(xiàn)出磁化。磁化過程可改變介質(zhì)中晶格間距，因而會(huì)改變介質(zhì)的體積，此為磁致伸縮磁致伸縮。 取

8、消外場(chǎng)時(shí)，各磁疇邊界未能完全恢復(fù)，故保留一定磁性，即有剩余磁化強(qiáng)度存在。 當(dāng)鐵磁質(zhì)的溫度升高到某一溫度時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)使磁疇消失，由鐵磁質(zhì)變?yōu)轫槾刨|(zhì)，該溫度叫做居里點(diǎn)居里點(diǎn)。當(dāng)溫度低于居里點(diǎn)時(shí)，又出現(xiàn)磁疇，由順磁質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁質(zhì)。6.36.3磁場(chǎng)邊界條件與磁能磁場(chǎng)邊界條件與磁能 在兩種磁介質(zhì)的分界面上，不論磁感矢量還是磁場(chǎng)矢量穿過分界面時(shí)要發(fā)生變化，它們要滿足確定的關(guān)系式，這些關(guān)系式稱為磁場(chǎng)的邊界條件。 本節(jié)除了介紹磁場(chǎng)邊界條件外，還介紹磁場(chǎng)能量的計(jì)算方法。一、邊界條件一、邊界條件（1 1）磁感矢量的）磁感矢量的法向法向分量連續(xù)。分量連續(xù)。 即： 或：（2 2）如邊界如邊界上不上不存在傳導(dǎo)電流，則

9、存在傳導(dǎo)電流，則磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度的切向的切向分量連續(xù)。分量連續(xù)。 即： 或： 證明如下：12ttHH2n1nBB1122coscosBB121B2B1H2H121122sinsinHH Gauss定理： 因?yàn)楦叨葻o限小，只考慮 上下兩面的積分。n122B1B2nB1nBSh2n1nBB0SdB002121SnBSnBdSBdSBdSB) (121n2nB nBnBB即：， 或 22tHln1H1tHh12H0l dH12ttHH1122cos()cos()022HH1122sinsin0HH12ttHH12 用類似的方法，可以證明：（1）如果兩種電介質(zhì)的分界面上沒有自由）如果兩種電介質(zhì)的分界面

10、上沒有自由電荷，則電位移矢量的法向分量連續(xù)。電荷，則電位移矢量的法向分量連續(xù)。即：（2）如果兩種）如果兩種電介質(zhì)的分電介質(zhì)的分界面處沒有變化界面處沒有變化的磁場(chǎng)，則電場(chǎng)強(qiáng)度矢量的切向的磁場(chǎng)，則電場(chǎng)強(qiáng)度矢量的切向分量分量連續(xù)。連續(xù)。即： 電場(chǎng)的邊界條件電場(chǎng)的邊界條件。12ttEE1n2nDD二二、磁場(chǎng)折射定律、磁場(chǎng)折射定律磁場(chǎng)的邊界條件：折射定律：折射定律：在兩種磁介質(zhì)的分界面上，磁場(chǎng)與分界面法線夾角的正切之比，等于分界面兩側(cè)磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率之比。1B2B12121122coscosBB1122sinsinHH121212HHtgtgBB121221tgHBtgB HBH由 得：1122tgtg三

11、三、磁屏蔽、磁屏蔽 若用鐵磁質(zhì)（例如熟鐵）圍成一個(gè)封閉的空腔，由于鐵磁質(zhì)的磁導(dǎo)率很高，因此具有匯聚磁力線的作用，因此空腔外面的磁力線難于穿過腔壁進(jìn)入腔內(nèi)，使腔內(nèi)免受腔外磁場(chǎng)的影響，反過來，若空腔內(nèi)存在磁場(chǎng)，那么磁力線也不易穿出腔壁，因而腔外空間免受腔內(nèi)磁場(chǎng)的影響，這就是磁屏蔽。 靜電屏蔽可以達(dá)到理想的效果，但磁屏蔽效果較差。為了提高屏蔽效果，經(jīng)常采用多層屏蔽的方式。三、磁場(chǎng)能量三、磁場(chǎng)能量=2NBSRnBSnBV 另一方面： 自感儲(chǔ)能： 由于細(xì)螺繞環(huán)的磁場(chǎng)全部集中在管內(nèi)，而且管內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小是均勻的，所以單位體積磁場(chǎng)的能量為： 磁場(chǎng)能量密度磁場(chǎng)能量密度 這一結(jié)論由特例得到，但適合

12、于任意磁場(chǎng)。 普遍表達(dá)式： 磁場(chǎng)能量：LILIBnV 2111222LWLIBnVIBHV12mBH12mB H12mmVVWdVB HdV 從磁場(chǎng)儲(chǔ)能的角度理解兩個(gè)載流線圈儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量：設(shè)線圈1產(chǎn)生的磁場(chǎng)為 ，線圈2產(chǎn)生的磁場(chǎng)為 ，則：11BH、12mmVVWdVB HdV22BH、11121+2VBBHHdV（） （）11221122VVB H dVBH dV12211122VVB H dVBH dV自感儲(chǔ)能互感儲(chǔ)能 自感儲(chǔ)能總是自感儲(chǔ)能總是正的；互感儲(chǔ)正的；互感儲(chǔ)能可正可負(fù)。能可正可負(fù)。122IH dlIrHIHr， ， 22m111()2222IBHBHHr 與上一章結(jié)論相同。2mmWdVdVrdrll （選長度為 的一段）2m12WLI另一方面：2122211()2ln224RmRRIWrldrI lrR21ln2RlLR則 201ln2RLR單位長度自感： （2）此時(shí)，除導(dǎo)體間存在相同的磁場(chǎng)，具有相同能量外，內(nèi)導(dǎo)體內(nèi)部也有磁場(chǎng)分布。故磁場(chǎng)能量應(yīng)加上這一部分。222211IrH dlrI