1、磁介質中的恒定磁場磁介質中的恒定磁場2022-3-20第第1212章章 磁介質中的恒定磁場磁介質中的恒定磁場12.1 磁介質及其磁化磁介質及其磁化12.2 磁介質中的高斯定理和安培環路定理磁介質中的高斯定理和安培環路定理12.3 鐵磁質鐵磁質內容提要內容提要磁介質中的恒定磁場磁介質中的恒定磁場2022-3-2012.1 12.1 磁介質及其磁化磁介質及其磁化 12.1.1 磁介質及其分類磁介質及其分類1. 磁介質磁介質 任何實物都是任何實物都是磁介質磁介質0E0EEE電介質放入外場電介質放入外場0EE磁介質放入外場磁介質放入外場0BrBB0r 相對磁導率相對磁導率 反映磁介質對原磁場的影響程度

2、反映磁介質對原磁場的影響程度 如：真空螺線管的磁場：如：真空螺線管的磁場：nIB00則，介質螺線管的磁場：則，介質螺線管的磁場：nIBBr00r令令r0磁導率磁導率 磁介質中的恒定磁場磁介質中的恒定磁場2022-3-202. 磁介質的分類磁介質的分類順磁質順磁質抗磁質抗磁質1r減弱原場減弱原場0BB 1r增強原場增強原場0BB 如如 鋅、銅、水銀、鉛等鋅、銅、水銀、鉛等如如 錳、鉻、鉑、氧等錳、鉻、鉑、氧等弱弱磁磁性性物物質質順磁質和抗磁質的順磁質和抗磁質的相對磁導率相對磁導率都非常接近于都非常接近于1.鐵磁質鐵磁質)1010(421r通常不是常數通常不是常數具有顯著的增強原磁場的性質具有顯著

3、的增強原磁場的性質 強磁性物質強磁性物質超導材料超導材料 r = 0 B=0 完全抗磁性完全抗磁性磁介質中的恒定磁場磁介質中的恒定磁場2022-3-2012.1.2 分子磁矩和分子附加磁矩分子磁矩和分子附加磁矩 原子中電子的軌道磁矩原子中電子的軌道磁矩LmePl2電子的自旋磁矩電子的自旋磁矩SmePs電子自旋磁矩電子自旋磁矩與軌道磁矩有與軌道磁矩有相同的數量級相同的數量級1. 分子磁矩分子磁矩 所有電子磁矩的總和所有電子磁矩的總和immiPP抗磁質抗磁質0mP無外場作用時無外場作用時, ,對外也不顯磁性對外也不顯磁性順磁質順磁質0mP無外場作用時無外場作用時, ,由于熱運動由于熱運動, ,對外

4、不顯磁性對外不顯磁性0, 0mmPP0, 0mmPP磁介質中的恒定磁場磁介質中的恒定磁場2022-3-202. 分子附加磁矩分子附加磁矩evmPr0BffomP電子軌道半徑不變電子軌道半徑不變)(mPmP當外場方向與分子磁矩方向相反時當外場方向與分子磁矩方向相反時emPr0BfomPfmP)(mP當外場方向與分子磁矩方向相同時當外場方向與分子磁矩方向相同時 在外場作用下，電子產生附加的轉在外場作用下，電子產生附加的轉動，從而形成動，從而形成附加磁矩附加磁矩 ，附加磁矩，附加磁矩總是與外場方向總是與外場方向 相反相反，即產生一個，即產生一個與外場反向的附加磁場與外場反向的附加磁場 .mPB0B結

5、論結論磁介質中的恒定磁場磁介質中的恒定磁場2022-3-2012.1.3 順磁質和抗磁質的磁化順磁質和抗磁質的磁化0B將順磁質放入外場將順磁質放入外場0B 分子環流在外場作用分子環流在外場作用下，產生取向轉動，下，產生取向轉動， 磁矩磁矩將轉向外場方向將轉向外場方向 宏觀上產生宏觀上產生附加磁場附加磁場 .1B1B1. 順磁質磁化順磁質磁化 在外場作用下，分子磁矩要轉向，同時每個分在外場作用下，分子磁矩要轉向，同時每個分子中的所有電子也都產生附加磁矩子中的所有電子也都產生附加磁矩 1BB21BBB則磁介質產生附加磁場則磁介質產生附加磁場:1B與外場方向相同與外場方向相同mP磁介質中的恒定磁場磁

6、介質中的恒定磁場2022-3-202. 抗磁質磁化抗磁質磁化 在外場作用下，每個分子中的所有電子都產生附在外場作用下，每個分子中的所有電子都產生附加磁矩加磁矩 mPBB則磁介質產生附加磁場則磁介質產生附加磁場:與外場方向相反與外場方向相反12.1.4 磁化強度矢量與磁化電流磁化強度矢量與磁化電流反映磁化程度強弱的物理量反映磁化程度強弱的物理量.定義：定義：磁化強度為單位體積內分子磁矩的矢量和磁化強度為單位體積內分子磁矩的矢量和. VPPMmm0Vlim單位：單位：安培安培米米-11. 磁化強度磁化強度磁介質中的恒定磁場磁介質中的恒定磁場2022-3-202. 磁化電流磁化電流 0B以無限長螺線

7、管為例以無限長螺線管為例順順磁磁質質0I0ISI在磁介質內部的任一小區域：在磁介質內部的任一小區域：相鄰的分子環流的方向相反相鄰的分子環流的方向相反在磁介質表面處各點：在磁介質表面處各點：分子環流未被抵消分子環流未被抵消形成沿表面流動的面電流形成沿表面流動的面電流SI磁化電流磁化電流(1) 介質中磁場由介質中磁場由傳導傳導電流和電流和磁化磁化電流共同產生電流共同產生.說明說明(2) 磁化電流是分子內電荷運動一段段接合而成磁化電流是分子內電荷運動一段段接合而成, 不同于傳導不同于傳導 電流的電荷定向運動電流的電荷定向運動, 又稱又稱束縛電流束縛電流, 其磁效應與傳導電其磁效應與傳導電 流相當流相

8、當, 但不產生熱效應但不產生熱效應.磁介質中的恒定磁場磁介質中的恒定磁場2022-3-20LslMId可證明可證明:磁介質中的恒定磁場磁介質中的恒定磁場2022-3-2012.2 12.2 磁介質中的高斯定理和安培環路定理磁介質中的高斯定理和安培環路定理12.2.1 磁介質中的高斯定理磁介質中的高斯定理0BBB 磁介質存在時，磁感應線仍是一系列無頭無尾磁介質存在時，磁感應線仍是一系列無頭無尾的閉合曲線的閉合曲線.磁介質中的高斯定理磁介質中的高斯定理 對于任意閉合曲面對于任意閉合曲面SSSBdSSSBSBdd000dSSB磁介質中的恒定磁場磁介質中的恒定磁場2022-3-2012.2.2 磁介質

9、中的安培環路定理磁介質中的安培環路定理順順磁磁質質0ISIabcdiLIlB0d)(00SIILLlMIlBdd000用磁化強度描述磁化電流項用磁化強度描述磁化電流項000d)(IlMBL定義定義磁場強度磁場強度MBH00dIlHL磁介質的安培環路定理磁介質的安培環路定理 磁介質內磁場強度磁介質內磁場強度H沿任一閉合回路的環流沿任一閉合回路的環流, 等等于閉合回路所包圍并穿過的傳導電流的代數和于閉合回路所包圍并穿過的傳導電流的代數和.表明：表明：磁介質中的恒定磁場磁介質中的恒定磁場2022-3-20討論討論對于各向同性磁介質，在外磁場不太強的情況下：對于各向同性磁介質，在外磁場不太強的情況下：

10、HMm由由MBH0 )(0MHB )1 ( 0Hm 0HrH mr1介質相對磁導率介質相對磁導率r0 介質磁導率介質磁導率0dIlHLHB在真空中：在真空中：10rMHB0HMm 介質的磁化率介質的磁化率磁介質中的恒定磁場磁介質中的恒定磁場2022-3-20一無限長載流直導線，其外包圍一層磁介質，相一無限長載流直導線，其外包圍一層磁介質，相對磁導率對磁導率1r例：例：求：求：解：解： 根據磁介質中的安培環路定理根據磁介質中的安培環路定理IrHlHL2drIH2/磁介質中的磁場強度和磁感應強度磁介質中的磁場強度和磁感應強度.r2R1RIrHrIHBrr200磁介質中的恒定磁場磁介質中的恒定磁場2

11、022-3-2012.3 12.3 鐵磁質鐵磁質12.3.1 鐵磁質的特點鐵磁質的特點1. 相對磁導率相對磁導率 r 1：一般可達一般可達102104, 最高可達最高可達106.2. 非線性：非線性： B和和H呈非線性關系呈非線性關系, 單值關系單值關系, 非恒量非恒量.3. 磁滯現象：磁滯現象：B的變化落后于的變化落后于H的變化的變化. 4. 存在居里點：存在居里點：臨界溫度時臨界溫度時, 失去鐵磁性成為順磁質失去鐵磁性成為順磁質. 鐵：鐵：Tc=1040K 鎳：鎳：Tc=631KHB HrBHo磁介質中的恒定磁場磁介質中的恒定磁場2022-3-2012.3.2 鐵磁質的起始磁化曲線鐵磁質的

12、起始磁化曲線 磁滯回線磁滯回線實驗：實驗：鐵磁質芯的螺線管，通以電流鐵磁質芯的螺線管，通以電流 I.nIH 改變改變 I，測量，測量 H 值和值和 B 值，畫出值，畫出BH曲線曲線.Oa：起始磁化曲線起始磁化曲線Hs：飽和磁場強度飽和磁場強度Br：剩余磁感應強度剩余磁感應強度Hc：矯頑力矯頑力 磁滯現象：磁滯現象：磁感應強度磁感應強度B變化變化跟不上跟不上磁場強度磁場強度H的變化的變化.磁滯損耗：磁滯損耗： 材料熱效應大小與磁滯回線面積成正比材料熱效應大小與磁滯回線面積成正比.-HsHsOabcdefHBrBcH磁介質中的恒定磁場磁介質中的恒定磁場2022-3-20鐵磁材料按磁滯回線分類鐵磁材

13、料按磁滯回線分類BHOBHO軟磁材料軟磁材料 磁滯損耗小磁滯損耗小, ,容易磁化容易磁化, ,容易退容易退磁磁, ,適用于交變磁適用于交變磁場場. . 如制造電機如制造電機, ,變壓器等的鐵芯變壓器等的鐵芯 硬磁材料硬磁材料 磁滯損耗磁滯損耗較大較大, ,不易磁化不易磁化, ,不易退磁不易退磁, ,適合適合于制造永磁體于制造永磁體BHO矩磁材料矩磁材料 適合于制作適合于制作記錄磁帶及計記錄磁帶及計算機的記憶元算機的記憶元件件 磁介質中的恒定磁場磁介質中的恒定磁場2022-3-2012.3.3 磁疇磁疇磁疇體積：磁疇體積： 10-12 10-8m3包含原子：包含原子： 1017 1021個個 鐵

14、磁質相鄰原子間存在很強的交換耦合作用鐵磁質相鄰原子間存在很強的交換耦合作用, 使使得無外場時電子自旋磁矩在微小區域內自發地平行排得無外場時電子自旋磁矩在微小區域內自發地平行排列列, 形成一個個小的自發磁化區形成一個個小的自發磁化區, 稱為稱為磁疇磁疇.磁介質中的恒定磁場磁介質中的恒定磁場2022-3-20鐵磁質在外磁場中鐵磁質在外磁場中的磁化過程主要為的磁化過程主要為疇壁的移動和磁疇疇壁的移動和磁疇內磁矩的轉向內磁矩的轉向.自發磁化方向逐漸轉自發磁化方向逐漸轉向外磁場方向（磁疇向外磁場方向（磁疇轉向），直到所有磁轉向），直到所有磁疇都沿外磁場方向整疇都沿外磁場方向整齊排列時，鐵磁質就齊排列時，鐵磁質就達到磁飽和狀態達到磁飽和狀態. 磁介質中的恒定磁場磁介質中的恒定磁場2022-3-20第第1212章章 磁介質中的恒定磁場磁介質中的恒定磁場12.1 磁介質及其磁化磁介質及其磁化12.2 磁介質中的高斯定理和安培環路定理磁介質中的高斯定理和安培環路定理12.