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1、1,13磁介质,一、磁介质的分类,物质受到磁场的作用产生磁性的现象叫磁化。,1、物质的磁化,设物质在磁场B0作用下产生磁场B/，则空间总磁场,2,相对磁导率,为磁介质的磁导率,与电介质的类比,所不同的是E总是与E0反向，而B则有可能与B0 反向，也可能与B0同向，且不同的介质其B的大小差异很大。根据B的方向及大小将磁介质分类为：,介质中，总的磁感应强度与真空中的磁感应强度之比，定义为该磁介质的相对磁导率,3,2、三类磁介质,顺磁质-均匀磁介质中B与B0同方向、则BB0，相对磁导率,如锰、镉、铝等。,抗磁质-均匀磁介质中B/与B0反方向、则BB0，相对磁导率,如汞、铋、铜等,铁磁质-BB0，r很
2、大且不是常数、具有所谓“磁滞”现象 的一类磁介质。如铁、钴、镍及其合金等。,但在上述两类磁介质中BB0,即BB0(亦即r)它们统称为弱磁物质。,paramagnet,diamagnet,ferromagnet,4,二、弱磁物质的磁化机制,1、分子磁矩：,若把分子看成一个整体，这种分子电流具有的磁矩，称为分子固有磁矩或称分子磁矩，用Pm表示。,矢量和,5,当没有外磁场作用时：,2、外场 B0引起的附加磁矩Pm及附加磁场 B的方向。,当有外磁场作用时，将引起分子磁矩的变化，在分子上产生附加磁矩Pm。,抗磁质分子：固有磁矩Pm=0，Pm=0 介质不显磁性；,顺磁质分子：固有磁矩Pm 0，由于热运动仍
3、有 Pm=0也不 显磁性。,6,设电子轨道运动的磁矩为，因为电子带负电、所以电子运动的轨道角动量 与磁矩 反方向（如图）。,在外磁场作用下、电子受磁力矩,根据角动量定理，此力矩等于电子轨道角动量 的变化率，即,电子的进动,与 的方向如图所示，均为垂直向外，使电子除了轨道运动外还绕以外磁场 方向为轴线转动，这种转动叫电子的进动。进动角速度为，方向如图所示。,(1)轨道磁矩为 的电子的进动：,7,电子进动的方向是：不论电子原来的轨道角动量方向如何、面对 方向看去，角动量 总是绕 以反时针方向转动、如图所示。,(2)、分子的附加磁矩：,因为电子轨道角动量 绕 以反时针方向转动等于产生一个电子附加磁矩
4、，并且其方向总是与 反向。,容易分析出：不论电子原来的轨道运动如何无论（即无论 与 的夹角小于或大于），由电子进动产生的附加磁矩 总是与 反向。所以，电子附加磁矩的总和即分子的附加磁矩 总是与 反向。,8,抗磁质的磁化,3、抗磁质与顺磁质的磁化,附加磁场B/的方向与外磁场B0方向相反，这就是抗磁效应(抗磁质的磁化与无极分子电介质的极化过程类似。),顺磁质的磁化,即分子磁矩受到一个磁力矩：,B/完全由Pm产生，因为Pm总是与B0反向，所以B/与B0反方向。,因为分子固有磁矩Pm 附加磁矩 Pm（相差两到五个数量级）,Pm可以忽略不计,所以,此时的磁化主要是外磁场B0使Pm转向效应。.,9,M0
5、稳定平衡,M0 非稳定平衡,磁感应强度的大小,磁场方向：使线圈磁矩处于稳定平衡位置时的磁矩的方向,10,11,三、磁化强度和磁化电流,对于顺磁质，我们将磁介质内某点处单位体积内分子磁矩的矢量和，定义为该点的磁化强度，即,顺磁质的M的方向与外磁场B0的方向一致。,对于抗磁质，磁化的主要原因是抗磁质分子在外磁场中所产生的附加磁矩Pm，Pm与B0的方向相反，大小与B0成正比。抗磁质的磁化强度为,介质磁化后,在介质表面有磁化电流I（又称束缚电流）,单位体积元内的分子磁矩之矢量和不为零。,磁化强度：描述磁介质的磁化程度。,12,证明如下：设磁介质横截面积s、长度l，介质表面单位长度圆形磁化电流Js。则在
6、长度l上圆形磁化电流Is=Jsl，因此在磁介质总体积sl上磁化电流的总磁矩为,利用充满顺磁质的长直载流螺线管可以证明，其顺磁质表面单位长度圆形磁化电流（即磁化电流密度）Js=M,M为顺磁质内磁化强度大小。,1、磁化电流的产生（以顺磁质的磁化为例）,2、磁化电流与磁化强度的关系,四、磁介质中的安培环路定理,13,按定义,写成矢量式，有,式中n0为介质表面法线方向单位矢。,即,14,3、磁化强度的环流,由于充满顺磁质的长直螺线管内的磁场为均匀场，取如上图的矩形回路abcd，由安培环路定律，有,即,15,令 为磁介质的磁场强度,单位：A/m,对任意闭合回路进行B的积分,4、磁介质中的安培环路定理,1
7、6,即：H沿任一闭合回路的环流等于穿过该回路所围面积的传导电流之代数和,上式即为有磁介质时的安培环路定理,得,s是回路l 围出的面积，I 是穿过s的传导电流的代数和。,17,五、B与H的关系,实验表明，在均匀各向同性的弱磁介质中，有,其中m称为磁介质的磁化率，只与磁介质的性质有关。,称为磁介质的相对磁导率；,即在弱磁介质中，有,上式代入,整理得,为磁介质的磁导率,18,利用 可以方便地求有磁介质时某些对称的磁场分布。,、选择一个合适的积分回路或者使某一段积分线上H为常数，或使某一段积分线路上H处处与dl 垂直,3、先由求H，再由 求B,其基本步骤如下：,、首先要分析磁场分布的对称性或均匀性。,
8、在铁磁质中，则为,19,、密绕长直螺线管内充满介质的磁感应强度：,、环形螺线管内部充满介质的磁感应强度：,、无限长的载流圆柱体外充满介质的磁场：,内部为,外部为,20,铁磁质具有高磁导率、非线性（不是常数）；存在“磁滞现象”；存在居里温度等三个显著特征。,2、在外场撤除后有剩磁：,六、铁磁质,、居里温度：对应于每一种铁磁物质都有一个临界温度（居里点），超过这个温度，铁磁物质就变成了顺磁物质。如铁的居里温度为1034K,1、r1（即BB0）且r不是常数：而是H（亦即电流I）的函数，即r=H)=H(I)。因此，这时B与H间无简单的线性关系也就是说，此时B 0 H不成立，而只有成立。,21,1、磁化
9、特性曲线：,1）研究铁磁质特性的实验：,H是电流为I 时，铁心中的磁场强度；B是电流为I 时，铁心中的磁感应强度；q是电流从0到I时、通过电流计G的电量；R是副线圈的电阻；N是副线圈的总匝数；S为环形铁心的横截面积,原理-铁心中,装置-原线圈A（待测铁磁质做铁心）副线圈B。,22,2）起始磁化特性曲线：,即，B与H不成线性关系，即铁磁质的磁导率不再是常数、而是与H有关,在B-H曲线（磁化规律）中 Om段-B随H增长较慢；mn段-B随H 迅速增长；na段-B随H增长变慢；当H=s以后，B不随H 增长，磁化达到饱和。,23,不同磁介质的磁化曲线比较,24,2、磁滞回线：,B 不是H 的单值函数，与
10、以前的磁化“历史”有关；,（1）剩磁Br：,起始磁化曲线Oa不可逆，当改变H的方向和大小时、可得B-H曲线如图，叫磁滞回线。从曲线可知：,磁化曲线下降时的B值比起始磁化曲线中同一H 所对应的B 值为高，当H 减少到零时，B不为零，而出现一个剩磁 Br,25,（4）磁滞损耗：,可以证明：B-H 曲线所围的面积等于反复磁化的一个周期中单位体积的磁介质中损耗的能量。,（3）磁滞回线：,如果继续加大反向磁场，将其反向磁化，并达到反向饱和，若这时逐渐撤除反向外场,其同样出现反向剩磁，要去掉反向剩磁则必须加上正向矫顽力；再正向磁化，其又可达正向饱和，这样就组成了一个封闭曲线，这个封闭曲线就叫磁滞回线。,改
11、变H时、磁介质反复磁化，分子振动加剧、温度升高，产生H的电流提供的热损耗称为磁滞损耗。,（2）矫顽力HC,要使磁铁完全去磁，必须加上反向外场，只有反向外场HC到某一值才能完全去磁，,为去掉剩磁而加上的反向磁场HC 就称为矫顽力。,26,3、磁畴-铁磁质的磁化理论,磁畴的几何线度从微米至毫米、体积约10-12m3，包含10171021个原子。无外磁场时、磁畴的磁矩排列杂乱无章，铁磁质宏观不显磁性。,1）磁畴,即铁磁质中原子磁矩自发高度有序排列的磁饱和小区。,量子理论指出：铁磁质中相邻原子由于电子轨道的交叠而产生一种“交换耦合效应”使原子磁矩能自发地有序排列，于是形成坚固的平行排列的大小不等的自发
12、饱和磁化区。,27,2）铁磁质磁化解释：,mn段对应磁畴界壁快速跳跃移动、使一些缩小的磁畴消失，这是不可逆过程、引起了磁滞；,na段对应留存的磁畴转向外磁场方向、直到饱和。,在起始磁化特性曲线中，Om段对应自发磁化区磁矩方向与外磁场方向相近的磁畴的扩大、自发磁化区磁矩方向与外磁场方向相反的磁畴的缩小；,磁饱和：,加上外场后，铁磁质中总是有些磁畴内分子固有磁矩的取向与外场相同或相近。这些自发磁化方向与外场相同的磁畴的边界在外场的作用下将不断地蚕食扩大，而那些自发磁化方向与外磁方向不同的磁畴的边界就逐步缩小，故开始时磁化增长较慢，而后增长很快，直到所有磁畴被外场“同化”而达磁饱和。,28,居里点：
13、,30%的坡莫合金居里温度 tc=70C；,利用铁磁质具有居里温度的特点，可将其制作温控元件，如电饭锅自动控温。,剩磁：,原因是在高温下磁畴瓦解了。,如铁、钴、镍的居里点分别为770、1115、358。,在退磁时，由于磁畴边界的移动是不可逆的，因此，磁化过程和退磁过程也是不可逆的。即在去掉外场后，磁畴在磁化过程中的某种排列可能被保留下来，这就是剩磁现象振动和加热可以促进退磁也能证实这一点。,磁介质达到某一温度时，铁磁性消失、介质显顺磁性,这一温度称为居里点。当温度低于 tc 时，又由顺磁质转变为铁磁质。,29,4、铁磁质的分类及应用,1）硬磁质,磁滞回线较粗，剩磁很大，这种材料充磁后不易退磁，
14、适合做永久磁铁。,如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。,可用在磁电式电表、永磁扬声器、耳机以及雷达中的磁控等。,2）软磁质,磁滞回线细长，剩磁很小。,象软铁、坡莫合金、硒钢片、铁铝合金、铁镍合金等。,由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如变压器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软件磁性材料制成,30,3）非金属氧化物-铁氧体,磁滞回线呈矩形，又称矩磁材料，剩磁接近于磁饱和磁感应强度，具有高磁导率、高电阻率。,它是由Fe2O3和其他二价的金属氧化物（如NiO，ZnO等粉末混合烧结而成。,可作磁性记忆元件。,31,退磁方法,1.加热法,当铁磁质的温度升高到某一温度时，磁性消失，由铁磁质变为顺磁质
15、，该温度为居里温度 tc。当温度低于 tc 时，又由顺磁质转变为铁磁质。,原因：由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧，提供了磁畴转向的能量，使铁磁质失去磁性。,2.敲击法,通过振动可提供磁畴转向的能量，使介质失去磁性。如敲击永久磁铁会使磁铁磁性减小。,3.加反向磁场,加反向磁场，提供一个矫顽力Hc,使铁磁质退磁。,32,4.加交变衰减的磁场,使介质中的磁场逐渐衰减为 0，应用在录音机中的交流抹音磁头中。,33,例131螺绕环中心周长L10cm,环上均匀密绕线圈N200匝，线圈中通有电流I0.1A,管内充满相对磁导率r1.2的磁介质。求管内磁场强度和磁感应强度的大小,解,磁场中的磁介质,作业；13-113-213-413-8,
