有磁介质时的磁场PPT课件

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1、1磁畴图象磁畴图象第九章第九章有磁介质时的磁场有磁介质时的磁场2 9.3 磁介质的磁化磁介质的磁化 9.4 有磁介质时磁场的规律有磁介质时磁场的规律9.5 铁磁质铁磁质 9.6 简单磁路简单磁路 9.2 原子、分子的磁矩原子、分子的磁矩 本章目录本章目录3 9.1 磁介质对磁场的影响磁介质对磁场的影响 磁介质磁介质（magnetic medium）是能够影响是能够影响磁场分布的物质。磁场分布的物质。传导电流传导电流 ，00BI 介质磁化介质磁化，B BBB 0 均匀各向同性介质均匀各向同性介质有：有：0BBr r 相对磁导率相对磁导率（relative permeability）0BBI0I0

2、均匀各向同性磁介质均匀各向同性磁介质长直密绕螺线管长直密绕螺线管总磁感强度总磁感强度充满充满磁场所在空间时，磁场所在空间时，4 弱磁质，弱磁质，1 r 顺磁质顺磁质（paramagnetic substance）1 r 如：如：Mn，Al，O2，N2 抗磁质抗磁质（diamagnetic substance）1 r 如：如：Cu，Ag，Cl2，H2 铁磁质铁磁质（ferromagnetic substance）1 r 如：如：Fe，Co，Ni 磁介质的分类：磁介质的分类：某些磁介质的相对磁导率见书某些磁介质的相对磁导率见书 P 287 5 9.2 原子、分子的磁矩原子、分子的磁矩 一一.电子的

3、磁矩电子的磁矩ISm电子的轨道运动电流电子的轨道运动电流reI2v 222rerremvv 轨道磁矩轨道磁矩电子轨道运动的角动量电子轨道运动的角动量rmLev 电子轨道磁矩与轨道角动量的关系：电子轨道磁矩与轨道角动量的关系：Lmeme2 Smeme 电子自旋磁矩和自旋角动量电子自旋磁矩和自旋角动量 S 的关系：的关系：6质子轨道磁矩质子轨道磁矩，Lmemp2 中子无轨道磁矩。中子无轨道磁矩。质子和中子都有自旋磁矩：质子和中子都有自旋磁矩：Smegmp2 g 称为称为 g 因子，因子，质子质子g=5.5857，中子中子g=3.8261。整个原子核的自旋磁矩整个原子核的自旋磁矩Imegmp2 I为

4、核的自旋角动量，为核的自旋角动量，因子因子g由原子核决定。由原子核决定。由上可知，核磁矩远小于电子磁矩。由上可知，核磁矩远小于电子磁矩。二二.质子和中子的磁矩质子和中子的磁矩三三.原子核的磁矩原子核的磁矩7四四.分子磁矩和分子电流分子磁矩和分子电流电子轨道磁矩电子轨道磁矩电子自旋磁矩电子自旋磁矩原子核的磁矩原子核的磁矩(molecular magnetic moment)(molecularcurrent)i分分S分分m分分分子电流分子电流 i分分分子磁矩分子磁矩 m分分等效等效8在磁场作用下，在磁场作用下，9.3 磁介质的磁化磁介质的磁化 磁化磁化（magnetization）：）：介质出现

5、磁性或磁性发生变化的现象。介质出现磁性或磁性发生变化的现象。一一.顺磁质的磁化顺磁质的磁化 顺磁质分子有顺磁质分子有固有的分子磁矩固有的分子磁矩（主要是电子（主要是电子 m分分 10-23Am2。00 B热运动使热运动使 完全完全分分m00 B显现磁性。显现磁性。方向方向,0B排列趋于排列趋于使使分分0mB混乱，不显磁性。混乱，不显磁性。轨道和自旋磁矩的贡献），轨道和自旋磁矩的贡献），9二二.抗磁质的磁化抗磁质的磁化抗磁质的分子固有磁矩为抗磁质的分子固有磁矩为 0。00 B不显磁性不显磁性，分分 0 m 0B分分m附加磁矩附加磁矩 0B显示抗磁性显示抗磁性为什么为什么 反平行于反平行于 呢？呢

6、？分分m0B10 以电子的轨道运动为例，以电子的轨道运动为例，第第 i 个电子受的磁力矩个电子受的磁力矩0BmMii 电子轨道角动量增量电子轨道角动量增量iiiLtML dd 电子旋进，它引起的感应电子旋进，它引起的感应 这种效应在顺磁质中也有，这种效应在顺磁质中也有，不过与分子固有磁矩的转向效应相比弱得多。不过与分子固有磁矩的转向效应相比弱得多。i-e0BiMiLimim im。0B磁矩磁矩反平行于反平行于111.磁化强度：磁化强度：VmMVlim0 分分对对顺磁质顺磁质和和抗磁质抗磁质，实验表明：实验表明：BM 2.磁化电流：磁化电流：由于介质磁化而出现的一些等效由于介质磁化而出现的一些等

7、效三三.磁化强度与磁化电流磁化强度与磁化电流 （magnetization and magnetization current）的附加电流分布。的附加电流分布。对对铁磁质，铁磁质，实验表明：实验表明：M和和B呈非线性关系，呈非线性关系，而且是非单值对应关系而且是非单值对应关系12 介质内：介质内：穿过穿过L所围曲面所围曲面 S 的磁化电流的磁化电流)dcos(dlSinI 分分分分 cosd lMlMd LlMId 则套住则套住 dl 的分子电流：的分子电流：L放大放大ld i分分 S磁介质磁介质设分子浓度为设分子浓度为 n，ldS分分M13 介质表面：介质表面：tMld选选lMISdd 磁化

8、面电流密度磁化面电流密度tSSMlIj ddnSeMj nMtMldSI dlMtd 149.4 有磁介质时磁场的规律有磁介质时磁场的规律 考虑到磁化电流，（考虑到磁化电流，（1）式则需要修改。）式则需要修改。设：设：I0 传导电流，传导电流，I 磁化电流。磁化电流。)(d00内内内内IIlBL lMILd000 内内磁磁介介质质LI0I 一一.H 的环路定理的环路定理）（）（内内2 0d1 d0 sBIlBSL 真空中的规律真空中的规律15内内00d)(IlMBL MBH 0 令令 磁场强度磁场强度（magnetic field intensity）得：得：LIlH内内0d 的环路定理的环路

9、定理H H 的单位：的单位：真空：真空：00 BHM ，。A/m410Oe13 奥斯特奥斯特 Oe（CGSM），），（Oersted）A/m（SI）；）；16 各向同性磁介质：各向同性磁介质：HM 磁化率磁化率（magnetic susceptibility）1 rm HBMBHm 00HHBrm 00)1(HB HHMmr ）（1m r 0 磁导率磁导率（permeability）令令则有则有真空：真空：=017二二.环路定理的应用举例环路定理的应用举例例例1介质中闭合回路介质中闭合回路L所套联的分子电流为：所套联的分子电流为：证：证：LLmlHlMIdd 0dIlHmLm 000 II，则

10、，则若若L可任取，且可无限缩小，可任取，且可无限缩小，故故 I0=0 处，处，I =0 。LMld磁磁介介质质无传导电流处，也无磁化电流。无传导电流处，也无磁化电流。证明在各向同性均匀磁介质内，证明在各向同性均匀磁介质内，18电流密度为电流密度为 j（沿（沿z），），导体相对磁导率为导体相对磁导率为 r，求：求：SjB 和和解：解：)(yBB 且且xyBBy)(0 ：xyBBy)(0 ：有有分析分析的对称性，的对称性，Bx j rhh y zxj yz dIdIxB/d 例例2 如图示，如图示，已知已知均匀载流无限大厚平板均匀载流无限大厚平板19板外：板外：对图示矩形回路对图示矩形回路 L，x

11、 j r y y-yL lh0 -h)2(dhljlHL ljhlH 22外外jhH 外外xyyjhH 外外xyyjhHB00 外外外外x j r y y-yL l 0 板内：板内：有有对图示矩形回路对图示矩形回路 L，有有xjyHBrr00 内内内内)2(dyljlHL 内内ljylH 22内内20 x j rhh y z Sj nSM求磁化面电流密度求磁化面电流密度上表面：上表面：下表面：下表面：nSSeMj )(1(xjhMrS zjhjrS)1(jhr )1(SmSHM内内 ，yen SrH内内)1(，yen )(1(xjhMrS jhjrS )1(（同上表面）（同上表面）思考思考 沿

12、沿x向单位长度的磁化面电流为何不为向单位长度的磁化面电流为何不为0？21 三三.磁场的界面关系磁场的界面关系 静磁屏蔽静磁屏蔽0d sBS由由可得可得 B1n=B2n (1)设界面无传导电流，设界面无传导电流，0d lHL由由可得可得 H1t=H2t (2)2211 ttBB 即：即：(2)12n1B2B 1 212t1H2H 1 2）（00 Sj22在在 1很大的介质很大的介质1中，中，线几乎平行界面，线几乎平行界面，B这就是铁磁质中这就是铁磁质中 线沿铁芯延续线沿铁芯延续的情形。的情形。B2211tg1tg1)1()2(：，02 21 若若，21 则则，21 当当时，时，。21 ，1tgt

13、g2211 n线线1B线线2B 1 2 1 2n线线1B线线2B 1 2 2 1 90 223B内内R2R10B铁管（铁管（板面）板面）静磁屏蔽静磁屏蔽计算表明：计算表明：)(4212222RRRkr ，tRr 2 屏蔽系数屏蔽系数精密探头、显象管精密探头、显象管都需要磁屏蔽。都需要磁屏蔽。00212222)(4kBBRRRBr 内内212)(RRRt 若若 r=4000R2=10cm t=1cm时，时，k=0.5%t=0.1cm时，时，k=5%则则 24各电子的自旋磁矩靠交换偶合作用使方向一致，各电子的自旋磁矩靠交换偶合作用使方向一致，9.5 铁磁质铁磁质（ferromagnetic sub

14、stance）一一.磁畴磁畴（magnetic domain）从而形成从而形成自发的均匀磁化小区域自发的均匀磁化小区域 磁畴。磁畴。铁磁质中起主要作用的是电子的自旋磁矩。铁磁质中起主要作用的是电子的自旋磁矩。未加磁场未加磁场在磁场在磁场 B 中中25各种材料磁畴线度相差较大：各种材料磁畴线度相差较大：磁畴体积约为磁畴体积约为10-6(mm)3，一个磁畴中约有一个磁畴中约有10121015个原子。个原子。易磁化方向易磁化方向由晶体结构决定。由晶体结构决定。磁畴磁矩沿某个磁畴磁矩沿某个易磁化方向易磁化方向(direction of easy所有的磁畴为什么不形成一个磁化整体呢？所有的磁畴为什么不形

15、成一个磁化整体呢？NSNS静磁能高静磁能高交换能低交换能低NSSN静磁能低静磁能低交换能高交换能高 矛盾因素协调平矛盾因素协调平衡，才使铁磁体衡，才使铁磁体整体能量最低。整体能量最低。magnetization)排列。排列。从从10-3m到到10-6m，一般为一般为10-410-5m，26二二.铁磁质的磁化规律铁磁质的磁化规律铁磁质铁磁质 关系非线性，关系非线性，HB也不单值，也不单值，.Const 形式上形式上表示为表示为，HB 也不唯一。也不唯一。1.起始磁化曲线起始磁化曲线00nIHI 测测SB 测测 LNILHlH，0d(由此可得到由此可得到B H曲线：曲线：)00nIILNH 试件试

16、件磁磁通通计计nSI0I027 i 起始磁导率起始磁导率 m 最大磁导率最大磁导率 巴克豪森效应巴克豪森效应（Barkhausen effect）BN跳跃跳跃跃变跃变mm tg放大放大ii tgB HBSBi H0 H0Sc bm a金相结构分析，金相结构分析，测晶粒度、测晶粒度、且是无损探测、且是无损探测、快捷简便。快捷简便。杂质分布、杂质分布、应力分布，应力分布，BS 饱和磁感强度饱和磁感强度（saturation magnetic induction）可用作可用作28BN跳跃跳跃跃变跃变mm tg放大放大ii tgB HBSBi H0 H0Sc bm aH H H HbHSHaH=00（

17、可逆）（可逆）（不可逆）（不可逆）（不可逆）（不可逆）（饱和）（饱和）演示演示巴克豪森效应巴克豪森效应（KD046）29磁滞回线磁滞回线HHc-HcSBSBrB-BS-Br0（hysteresis loop）B落后于落后于H的变化，称为的变化，称为磁滞现象。磁滞现象。Br 剩余磁感强度剩余磁感强度（remanent magnetic induction）Hc 矫顽力矫顽力（coercive force）磁滞是由于晶体缺陷和内应力、磁滞是由于晶体缺陷和内应力、“磁滞损耗磁滞损耗”（hysteresis loss）正比于正比于BH 回线所围的面积。回线所围的面积。以及磁畴在外磁场减退时，以及磁畴在

18、外磁场减退时，沿易磁化方向排列而造成的。沿易磁化方向排列而造成的。就近就近30三三.硬磁和软磁材料硬磁和软磁材料1.硬磁材料硬磁材料（hard magnetic material）特点：特点：磁滞损耗大，磁滞损耗大，适合制作永久磁铁、适合制作永久磁铁、碳钢、钨钢碳钢、钨钢HHcBBBr 也大，也大，磁芯（记忆元件）等。磁芯（记忆元件）等。Hc大大（102A/m），），一般一般Hc 为为104-106A/m，一般为一般为103-104 G。磁滞回线磁滞回线“胖胖”，31“矩磁材料矩磁材料”BBrHcH-Hc-BrBr-Br“0”“1”可作记忆元件可作记忆元件32 2.软磁材料软磁材料（soft

19、magnetic material）Hc小（小（102A/m），），磁滞回线磁滞回线“瘦瘦”，磁滞损耗小，磁滞损耗小，适于制作交流适于制作交流电磁铁、变压电磁铁、变压器铁芯等。器铁芯等。演示演示 磁滞回线磁滞回线（KD044）纯铁、硅钢纯铁、硅钢 HBHcBr大大m 坡莫合金坡莫合金(Fe78%、Ni 22%)用于电子设备用于电子设备HBBrHc大大i 特点：特点：一般约一般约Hc 为为1A/m。33（Curie point）磁畴磁畴MT（自发磁化减弱）（自发磁化减弱）0 磁磁畴畴MTTc（磁畴瓦解，表现顺磁性）（磁畴瓦解，表现顺磁性）Tc是失去铁磁性的是失去铁磁性的临界温度，临界温度，称称“

20、居里点居里点”。时时，又又恢恢复复铁铁磁磁性性。当当cTT Fe：Tc=767Ni：Tc=357 Co：Tc=1117 演示演示 居里点居里点（KD045）34五五.磁致伸缩磁致伸缩方向改变方向改变变变磁畴磁畴MB晶格间距改变晶格间距改变铁铁磁磁体体长长度度和和体体积积改改变变 磁致伸缩。磁致伸缩。长度相对改变约长度相对改变约10-5量级，量级，温下可达温下可达10-1；某些材料在低某些材料在低磁致伸缩有一定固有频率，磁致伸缩有一定固有频率，化频率和固有频率一致时，发生共振，化频率和固有频率一致时，发生共振，当外磁场变当外磁场变可用于制作激振器、超声波发生器等。可用于制作激振器、超声波发生器等。35 )(d lNIlHNIHHl NISlS 0mmmRR 令令0 SSlNI 磁通势磁通势(magnetomotive force)磁阻磁阻(magnetic resistance)NI 铁芯铁芯B,H,l,S,B,H,S,0 9.6 简单磁路简单磁路（magnetic circuit）36，RRm，I，m rrmmlSSlRR 00，若若310 r 的气隙，的气隙，则则mm1 l=1m的铁芯磁阻，的铁芯磁阻，所以气隙对磁路影响很大。所以气隙对磁路影响很大。其磁阻相当于其磁阻相当于第九章结束第九章结束mmmRR SlRm 把把和和与电路相比，与电路相比，