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1、第15章 物质的磁性(The Magnet of Material),【学习目的】,1、了解顺磁质、抗磁质和铁磁质磁化过程的宏观特征和规律。,2、了解原子的磁矩及磁介质的磁化过程。,3、掌握磁介质中的安培环路定理及磁介质中的磁场的计算。,4、了解铁磁质的磁化现象，了解磁畴、剩磁、磁滞回线、居里温度点等概念。,15.1 物质对磁场的影响,15.3 物质的磁化,15.2 原子的磁矩,15.4 H矢量及其环路定理,15.5 铁磁质,15.1 磁介质对磁场的影响,磁 化：磁场对磁场中的物质的作用称为磁化。,磁介质：在磁场中影响原磁场的物质称为磁介质。,总磁感强度,附加磁感强度,外加磁感强度,磁化后介质
2、内部的磁场与附加磁场和外磁场的关系：,抗磁质(铜、铋、硫、氢、银等),铁磁质(铁、钴、镍等),顺磁质(锰、铬、铂、氧、氮等),在介质均匀充满磁场的情况下定义,相对磁导率,磁介质的分类,15.2 原子的磁矩,电子轨道运动的闭合电流为：,“-”表示电流方向与电子运动方向相反,面积：,一、经典表示式,一个周期扫过的面积：,因此,二、量子表示式,玻尔磁子,分子电流：把分子或原子看作一个整体，分子或原子中各个电子对外界所产生磁效应的总和，可用一个等效的圆电流表示，统称为分子电流。,分子磁矩：把分子所具有的磁矩统称为分子磁矩，用符号 表示。,三、分子电流和分子磁矩,电子的进动：在外磁场 的作用下，分子或原
3、子中和每个电子相联系的磁矩都受到磁力矩的作用，由于分子或原子中的电子以一定的角动量作高速转动，这时，每个电子除了保持环绕原子核的运动和电子本身的自旋以外，还要附加电子磁矩以外磁场方向为轴线的转动，称为电子的进动。,附加磁矩：因进动而产生的等效磁矩称为附加磁矩，用符号 表示。,可以证明：不论电子原来的磁矩与磁场方向之间的夹角是何值，在外磁场 中，电子角动量 进动的转向总是和外磁场 的方向构成右手螺旋关系。这种等效圆电流的磁矩的方向永远与 的方向相反。,15.3 磁介质的磁化,在顺磁体内任意取一体积元，其中各分子磁矩的矢量和 将有一定的量值，因而在宏观上呈现出一个与外磁场同向的附加磁场，这就是顺磁
4、性的起源。,一、顺磁质的磁化,顺磁性是磁矩不为零的原子（分子）在磁场中各种取向的平均效果。,原子（分子）磁矩在外磁场的作用下会沿其方向排列。,抗磁材料在外磁场的作用下，磁体内任意体积元中大量分子或原子的附加磁矩的矢量和 有一定的量值，结果在磁体内激发一个和外磁场方向相反的附加磁场，这就是抗磁性的起源。它是一切磁介质所共有的性质。,二、抗磁质的磁化,抗磁性是磁场对电子轨道运动作用的结果。,对于原子，只有在磁矩为零的情况下，抗磁性才显出来。,1、抗磁性是一切磁介质固有的特性，它不仅存在于抗磁介质中，也存在于顺磁介质中；,2、对于顺磁介质，分子磁矩电子附加磁矩，顺磁效应 抗磁效应,3、抗磁介质中电子
5、附加磁矩起主要作用，显抗磁性,几点注意：,无外场Bo时，分子的磁矩排列杂乱无章，分子磁矩的矢量和,有外场Bo 时，分子磁矩沿外场转向，分子磁矩的矢量和,三、磁化电流,从导体横截面看，导体内部分子电流两两反向，相互抵消。导体边缘分子电流同向。,分子电流可等效成磁介质表面的磁化电流Is，Is产生附加磁场B。,磁化电流（安培表面电流、束缚电流）,15.4 H矢量及其环路定理,无磁介质时,有磁介质时,本节讨论磁化后的磁介质如何影响磁场分布。,因此，根据真空中安培环路定理,定义磁场强度,H的环路定理,表明：磁场强度矢量的环流和传导电流I有关，而在形式上与磁介质的磁性无关。其单位在国际单位制中是A/m.,
6、磁介质中的安培环路定理：磁场强度沿任意闭合路径的线积分等于穿过该路径的所有传导电流的代数和，而与磁化电流无关。,例1 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，单位长度内匝数，环的横截面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 和。求环内的磁场强度和磁感应强度。,解：在环内任取一点，过该点作一和环同心、半径为 的圆形回路。,式中 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。,当环内是真空时,当环内充满均匀介质时,磁介质均匀充满整个磁场空间,例2 如图所示，一半径为R1的无限长圆柱体（导体0）中均匀地通有
7、电流I，在它外面有半径为R2的无限长同轴圆柱面，两者之间充满着磁导率为的均匀磁介质，在圆柱面上通有相反方向的电流I。试求（1）圆柱体外圆柱面内一点的磁场；（2）圆柱体内一点磁场；（3）圆柱面外一点的磁场。,解：（1）当两个无限长的同轴圆柱体和圆柱面中有电流通过时，它们所激发的磁场是轴对称分布的，而磁介质亦呈轴对称分布，因而不会改变场的这种对称分布。设圆柱体外圆柱面内一点到轴的垂直距离是r1，以r1为半径作一圆，取此圆为积分回路，根据安培环路定理有,（2）设在圆柱体内一点到轴的垂直距离是r2，则以r2为半径作一圆，根据安培环路定理有,式中 是该环路所包围的电流部分，由此得,则,由BH，得,（3）
8、在圆柱面外取一点，它到轴的垂直距离是r3，以r3为半径作一圆，根据安培环路定理,考虑到环路中所包围的电流的代数和为零，所以得,即,或,15.5 铁磁质,(1)在外磁场的作用下能产生很强的附加磁场。,(3)外磁场停止作用后，仍能保持其磁化状态。,(4)具有临界温度Tc。在Tc以上，铁磁性完全消失而成为顺磁质，Tc称为居里温度或居里点。不同的铁磁质有不同的居里温度Tc。纯铁：770C，纯镍：358C。,(2)相对磁导率和磁化率不是常数，而是随外磁场的变化而变化；具有磁滞现象，之间不具有简单的线性关系。,与弱磁质相比，铁磁质具有以下特点：,把未磁化的均匀铁磁质充满一螺绕环，如图：,线圈中通入电流(励
9、磁电流)后，铁磁质就被磁化。,根据有介质时的安培环路定理，当励磁电流为I时，环内的磁场强度：,一、磁化曲线,铁芯中的B由磁通计上的次级线圈测出，这样，通过改变励磁电流，可得到对应的一组B和H的值，从而给出一条关于试样BH的关系曲线（磁化曲线）。,使励磁电流从零开始，此时B=H=0，然后逐渐增大电流，以增大H。测得B与H的对应关系如图所示：,随H的增大，B先缓慢增大(OA段)，然后迅速增大(AB段)，过B点后，B又缓慢增大(BC段)。,从S开始，B随H的增大而非常缓慢地增大，介质的磁化达到饱和。与S对应的HS称饱和磁场强度，相应的BS称饱和磁感应强度。,根据，可以求出不同H值对应的r值，由此可见
10、铁磁质B-H显著的非线性特点。,当铁磁质达到饱和状态后，缓慢地减小H，铁磁质中的B并不按原来的曲线减小，并且H=0时，B不等于0，具有一定值，这种现象称为剩磁。,要完全消除剩磁Br，必须加反向磁场，当B=0时磁场的值Hc为铁磁质的矫顽力。,当反向磁场继续增加，铁磁质的磁化达到反向饱和。反向磁场减小到零，同样出现剩磁现象。不断地正向或反向缓慢改变磁场，磁化曲线为一闭合曲线磁滞回线。,二、磁滞回线,B的变化总落后于H的变化，称磁滞现象。,在反复磁化过程中能量的损失叫做磁滞损耗。缓慢磁化过程，经历一次磁化过程损耗的能量与磁滞回线包围的面积成正比。,铁磁体在交变磁化磁场的作用下，它的形状随之改变，叫做
11、磁致伸缩效应。,在反复磁化时，由于分子状态不断改变，导致分子振动加剧，温度升高。,在铁磁质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子中电子的自旋磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域称为磁畴。,三、磁畴,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。,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向排列时的磁能，结果是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，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。随着外磁场的不断增强，取向与外磁
12、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，所有磁畴都沿外磁场方向整齐排列，这时磁化达到饱和。,铁磁质的磁化,剩磁现象：当外磁场减小到零时，已被磁化的铁磁体内的各个磁畴由于受到阻碍它们转向的摩擦阻力，使它们不能按原来的磁化规律恢复到原来的状态，而保留有部分磁性。,高温和振动的去磁作用：分子热运动破坏磁畴内磁矩的有规则排列，当温度达到临界温度（居里点）时，铁磁体转化为普通的顺磁体。,实验观测，磁畴的体积约为,矫顽力很小(Hc102Am-1)，磁滞回线窄，所围的面积小，磁滞损耗小。,软磁材料如纯铁、硅钢、铁氧体等材料，适用于交变磁场中，常用作变压器、继电器、电动
13、机、电磁铁和发动机的铁芯。,四、软磁材料,矫顽力大，剩磁大、磁滞回线宽，所围的面积大，磁滞损耗大。,硬磁材料如碳钢、钨钢、铝镍钴合金等材料。磁化后能保持很强的磁性，适用于制成各种类型的永久磁铁。,五、硬磁材料,矩磁材料的磁滞回线接近于矩形，特点是剩磁Br接近饱和值BS。,压磁材料具有较强的磁致伸缩效应，常用于制造超声波发生器。,当矩磁材料在不同方向的外磁场磁化后，总是处于 和 两种剩磁状态，可作电子计算机的“记忆”元件。,本章小结,本章的计算方法,1、磁介质中安培环路定理的应用,在电流分布及介质分布具有相应对称性的情况下求解磁场分布,分析电流及介质分布的对称性，选择回路L，使在其上的H为一常数，且方向与dl夹角不变；计算沿回路的积分以及传导电流代数和；根据 得到B；,2、各向同性介质中的关系,此类问题通常是已知电流、介质分布及相应状态下总磁场情况，推求介质的相对磁导率和附加磁场。,分析电流、介质分布的基本情况，写出H-I的关系式，由 得到 的值；利用 确定无介质时的磁场；利用磁场叠加原理 得到。,本章习题,P141 15.3、15.4,
