第9章 磁场中的磁介质,上一章研究了真空中稳恒电流或运动电荷所产生磁场的性质和规律,其结论只适用于空间无磁介质的真空或空气情形,.,如果存在磁介质,磁场的分布规律以及处于磁场中的介质会发生什么样的变化？,第9章 磁场中的磁介质上一章研究了真空中稳恒电流或运动电荷所,本章介绍存在磁介质时稳恒磁场的性质与规律,以及磁场变化的微观机制,并讨论磁场中磁介质的变化,磁化规律,.,介质的磁化,介质的磁化特性抗磁质,、,顺磁质和铁磁质,本章介绍存在磁介质时稳恒磁场的性质与规律,以及磁场变化的微,9.1,磁介质的磁化,当介质处于磁场中时,磁场会对介质中的电荷产生作用,使其电结构发生变化,从而对外显示磁性,磁化现象,;,同时介质的磁化反过来又会影响磁场的分布,.,磁介质的磁化与磁化强度矢量,磁介质内的磁感应强度,有磁介质时的安培环路定律和高斯定律,9.1 磁介质的磁化当介质处于磁场中时,磁场会对介质中的,1.,磁介质的磁化,(1),磁化现象,:,磁介质在磁场中呈现磁性的现象,.,分子环流模型,:,磁介质由大量磁性分子所组成,每一磁性分子构成一环形电流,分子磁偶极子,.,加载磁场后,分子环流趋向外磁场方向,.,(2),磁化的微观机制,未加载磁场时,各个分子磁矩取向杂乱无章,因此磁介质宏观上不显磁性,.,1.磁介质的磁化(1)磁化现象:磁介质在磁场中呈现磁性,(3),磁化的宏观效果,介质磁化后,在其表面出现的环形电流,(,束缚电流,),会影响原来磁场的分布,.,介质表面的束缚电流,与传导电流不同,它不是由载流子的宏观移动形成的,而是分子磁矩定向排列的结果,.,(3)磁化的宏观效果 介质磁化后,在其表面,束缚电流产生的磁场会改变原来磁场的空间分布,.,束缚电流,的出现使介质对外呈现磁性,其磁性的强弱与介质的磁化程度有关,.,2,.,磁化强度矢量,为定量描述介质的磁化状态和磁化程度,需引入,磁化强度矢量,:,磁化强度矢量,:,指单位体积内所有分子,磁偶极矩,的矢量和,且仅与,束缚电流,有关,.,束缚电流产生的磁场会改变原来磁场的空间分布.束缚电流,在磁介质内部,磁化强度矢量,沿任一闭合回路,l,的曲线积分,数值上等于穿过该回路包围面积的束缚电流代数和,.,在外加磁场作用下,分子磁矩定向排列的程度越高,其,磁化强度矢量,越大,.,磁化强度矢量,反映了介质磁化的程度,.,磁化强度矢量,与,束缚电流,有关,在磁介质内部,磁化强度矢量沿任一闭合回路 l,磁化强度矢量,与,束缚电流面密度,的关系,在磁介质表面,束缚电流面密度,等于,磁化强度矢量,在表面切线方向的分量,.,磁化强度矢量与束缚电流面密度的关系 在磁介质表,3,.,磁介质内的磁感应强度,由于介质磁化,在外加磁场基础上迭加上束缚电流产生的,附加磁场,.,:,介质中的总磁感应强度矢量,:,外加磁场的磁感应强度矢量,:,磁介质表面束缚电流产生的磁感应强度矢量,的大小取决于,磁化强度矢量,.,与 可以是同向的,顺磁质,也可以是反向的,抗磁质,.,3.磁介质内的磁感应强度由于介质磁化,在外加磁场基础上迭,4,.,有磁介质存在时的,安培环路定理,和,高斯定理,有磁介质存在时,安培环路定理为,利用,磁化强度矢量,与,束缚电流,的关系,(1),安培环路定理,其中,为传导电流,为束缚电流,.,在具体应用时,束缚电流很难直接求出,.,如何避开束缚电流求磁感应强度？,4.有磁介质存在时的安培环路定理和高斯定理有磁介质存在时,称为,磁场强度,若令,则,存在磁介质时的安培环路定理,:,磁场强度矢量,的环量等于闭合回路所包围,传导电流,的代数和,.,对于均匀磁化,有,称为磁场强度若令则存在磁介质时的安培环路定理:磁场强度矢量,均匀磁介质的磁化规律,为,磁化率,它反映了介质的磁化特性,.,多数磁介质的 很小,这与物质的微观结构有关,.,Fe,、,Co,、,Ni,等金属的 很大,且与 成复杂的函数关系,.,由,可得,若令,称为介质的,磁导率,称为介质的,相对磁导率,均匀磁介质的磁化规律 为磁化率,它反映了介质的磁化,则有,注意,:,磁介质中的安培环路定理给出了有介质存在时,传导电流和磁场强度矢量之间的普遍规律,.,其中,可测量获得,则有注意:磁介质中的安培环路定理给出了有介质存在时,传导,(2),高斯定理,磁场中的高斯定理对导线中传导的,稳恒电流,以及磁介质中的,束缚电流,都是适用的,.,:,表示有介质存在时的磁感应强度矢量,它由传导电流与束缚电流共同产生,.,:,表示介质的磁化强度矢量,仅与束缚电流有关,.,:,磁场强度,属一辅助物理量而没有直接的物理意义,仅为了计算方便而引入的,.,(2)高斯定理 磁场中的高斯定理对,9.2 介质的磁化特性,抗磁质,、,顺磁质和铁磁质,外加磁场引起介质磁化,从而使周围磁场发生变化,.,不同介质的磁化特性不同,因而磁场的变化不同,.,磁介质的分类,抗磁质,、,顺磁质和铁磁质,铁磁质的磁化特性,磁滞回线,9.2 介质的磁化特性外加磁场引起介质磁化,从而使周,1.,磁介质的分类,上式表明,:,介质中的磁感应强度与外磁场之比等于介质的相对磁导率,.,根据相对磁导率大小不同,将其分为如下三类,:,由,可得,介质中的磁感应强度 与外加磁场 的关系如何,?,1.磁介质的分类上式表明:介质中的磁感应强度与外磁场之比,抗磁质,:,在外磁场作用下,束缚电流产生的磁场与外加磁场反向,因此介质中的磁感应强度减小,.,(1),抗磁质,若,磁介质称为,抗磁质,此时,由,可得,与,反向,抗磁质:在外磁场作用下,束缚电流产生的磁场与外加磁场反向,抗磁质把磁感应线排斥出磁介质,超导表面电流引起的迈纳斯效应,超导体把磁感应线完全排斥出磁介质,抗磁质把磁感应线排斥出磁介质超导表面电流引起的迈纳斯效应,抗磁性的起源,:,当存在外加磁场时,原子中不同运动状态的电子所受洛伦力方向不同,导致轨道磁矩大小不同,.,如图,所以,结果,抗磁性的起源:当存在外加磁场时,原子中不同运动状态的电子,物质中的原子有其电子轨道运动,所以,物质具有抗磁性,.,通常,洛伦兹力使轨道磁矩变化非常微弱,其,抗磁性很小,.,在许多物质中抗磁性又,被顺磁性和铁磁性所掩盖,.,(2),顺磁质,由,可得,若,磁介质称为,顺磁质,与 同向,物质中的原子有其电子轨道运动,所以物质具有抗磁性.通常,顺磁质,:,在外磁场作用下,磁介质束缚电流磁场与外加磁场方向相同,结果介质中总磁感应强度增大,.,顺磁质把磁感应线聚集到其内部,一般情况下,介质的顺磁性非常微弱,:,顺磁质:在外磁场作用下,磁介质束缚电流磁场与外加磁场方向,顺磁性的起源,:,在外加磁场作用下,原子中自旋运动的电子受洛伦兹力作用,其,磁矩,方向与外加磁场方向趋于一致,结果介质中的总磁场增强,.,在外磁场作用下,电子,自旋磁矩,沿外磁场方向排列,介质磁化,电子自旋磁矩,(,本征磁矩,),顺磁性的起源:在外加磁场作用下,原子中自旋运动的电子受洛,磁化程度也取决于电子的热运动,.,电子对的量子效应,:,大部分物质中的电子常形成电子对,其磁矩相互抵消,.,仅当电子数为奇数或因其它原因使自旋磁矩不能完全抵消时,物质才呈现顺磁性,.,既然顺磁性,起源于电子的,自旋,为何并非所有的物质都具有顺磁性呢,?,电子自旋磁矩无序,电子自旋磁矩有序,典型的顺磁介质,:,Al(,铝,),、,W(,钨,),、,O,2,(,液态氧,),、,CuCl,2,(,氯,化铜,),等,.,磁化程度也取决于电子的热运动.电子对的量子效应:大部分物质,(3),铁磁质,若 且,常数的磁介质称为,铁磁质,.,铁磁质,:,在外磁场作用下,介质内束缚电流的磁场与外磁场同向,结果磁化效果非常显著,.,注,:,有些铁磁质本身就具有磁性,.,由,可得,与 同向,(3)铁磁质 若,铁磁性的起源,:,铁磁质不同于一般的顺磁质,其主要区别在于它们的,磁畴,结构不同,.,典型的铁磁质,:,Fe(,铁,),、,Co(,钴,),、,Ni(,镍,),等元素及其合金,.,铁氧体,由氧化铁,(Fe,2,O,3,),与其它金属氧化物,(NiO,、,CuO,、,MnO,、,BaO),混合成的材料,.,铁氧体是典型的顺磁质,因而受到广泛应用,.,铁磁性的起源:铁磁质不同于一般的顺磁质,其主要区别在于它,磁畴的起源,:,由于铁磁质中原子之间存在,量子性的交换力,无外加磁场时磁畴内的原子磁矩会因自发磁化而方向趋于一致,.,磁畴,:,铁磁质内自发磁化的小区域,其线度与晶粒大小有关,通常约,10-2,10-4,mm,包含约,1015,个原子,.,磁畴之间存在,畴壁,.,磁畴的起源:由于铁磁质中原子之间存在量子性的交换力,无外,铁磁质的磁化,:,磁畴的观察,:,在电解抛光的铁磁质表面涂上含有铁粉的胶状悬浮液,其铁粉有选择地聚集在磁畴壁处,利用显微镜可观察其分布,.,居里点,:,温度高于某一临界值后,铁磁质的原子交换作用消失,铁磁质,变为,顺磁质,(Fe:770,),.,无外磁场,:,磁畴排列方向无序,磁介质不显磁性,.,铁磁质的磁化:磁畴的观察:在电解抛光的铁磁质表面涂上含有铁,加载磁化场,:,磁畴排列方向趋于一致,与外磁场同向的磁畴体积增大,反向磁畴体积减小,畴壁运动,.,磁饱和,:,随外磁场增强,介质磁化程度增加,最终所有磁畴都与外场方向相同,.,加载磁化场:磁畴排列方向趋于一致,与外磁场同向的磁畴体积,9.,3,铁磁质的磁化特性,1.,磁化曲线,磁化曲线,:,在外磁场作用下,铁磁质中磁感应强度,B,与磁场强度,H,的关系曲线,B,-,H,曲线,.,磁化曲线反映铁磁质的磁化特性,.,由于曲线的对称性,故其,起磁化曲线,最为典型,.,反映磁化场的大小,反映感应场的大小,9.3 铁磁质的磁化特性1.磁化曲线磁化曲线:在外磁,(1),B,随,H,增大而增加,;,(2),磁导率,不为常数,最大磁导率为,M,;,(3),存在磁饱和现象,饱和磁感应强度为,B,M,.,铁磁质的起磁化特性,:,铸铁的起磁化曲线,200,400,600,800,1000,1200,0,5000,6000,4000,2000,3000,1000,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,(1)B随H增大而增加;(2)磁导率不为常数,最大磁,2,.,磁滞回线,实验表明,:,当,H,减小时,B,-,H,曲线并不按起始磁化曲线返回,磁滞回线,.,铁磁质的磁滞回线,2.磁滞回线实验表明:当H减小时,B-H曲线并不按起始,(1),起磁化曲线与反向磁化曲线不重合,;,(2),B,的变化总是滞后于,H,的变化,磁滞现象,;,(3),外磁场撤去后,B,并不等于,0,剩磁现象,B,r,;,铁磁质磁化的磁滞特性,:,(4),消除,剩磁,B,r,的反向磁场强度,(,矫顽力,H,c,),反映了铁磁质的剩磁能力,对应的这段曲线称为,退磁曲线,;,(5),可以证明,:,磁滞回线包围的面积等于反复磁化过程中,单位体积铁磁质损耗的能量,.,(1)起磁化曲线与反向磁化曲线不重合;(2)B的变化总是,(1),软磁材料,特性,:,磁滞效应不明显,撤去外场后磁性很快消失,可用作电磁铁的铁芯,.,3,.,磁性材料,矫顽力,H,c,104 A/m,(2)硬磁材料特性:磁滞效应显著,Br与Hc较大.撤,典型的硬磁材料,:,高碳钢,(,含碳量,11.5%,),钨钢,铬钢,其磁性较差,;,稀土永磁,硬磁,材料,:,磁性极强,是目前着力开发的永磁材料,铝镍钴合金,(,B,r,=9500G,H,c,=8800Oe,),;,钕铁硼合金,.,铁氧体非金属硬磁材料,:,其,B,r,虽不及金属硬磁材料,但矫顽力,H,c,较高,易于做成短棒,、,薄片等形状,.,典型的硬磁材料:稀土永磁硬磁材料:铁氧体非金属硬磁材料:,(3),矩磁材料,具有矩形磁滞回线的铁磁质,特性,:,利用其,+,B,r,、,-B,r,两种剩磁状态可存储计算机数据,计算机中的环形磁芯便是用矩磁材料制成的,.,典型的矩磁材料,:,锰镁矩磁铁氧体,锂锰矩磁铁氧体,;,坡莫合金矩磁材料,.,特