北京化工大學普通物理學14磁場中的磁介質(zhì).ppt

1,第14章磁場中的磁介質(zhì),2,14.1磁介質(zhì)對磁場的影響14.2原子的磁矩14.3磁介質(zhì)的磁化14.4磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理14.5鐵磁質(zhì)14.6簡單磁路,本章主要內(nèi)容,3,基本要求,1.了解磁介質(zhì)的磁化現(xiàn)象及其微觀解釋。,2.了解各向同性介質(zhì)中磁感應強度和磁場強,3.了解鐵磁質(zhì)的特性。,度的聯(lián)系和區(qū)別，了解磁介質(zhì)中的安培,環(huán)路定理。,4,14.1磁介質(zhì)對磁場的影響,1.磁介質(zhì)在考慮物質(zhì)受磁場的影響或它對磁場的影響時，物質(zhì)統(tǒng)稱為磁介質(zhì)。,2.磁介質(zhì)對磁場的影響,B0：管內(nèi)為真空或空氣時的磁感應強度,磁介質(zhì)的相對磁導率,銅鋁純鐵,B：管內(nèi)充滿磁介質(zhì)時的磁感應強度,5,3.磁介質(zhì)的分類,順磁質(zhì),抗磁質(zhì),減弱原場,增強原場,如鋅、銅、水銀、鉛等,如錳、鉻、鉑、氧等,弱磁性物質(zhì),順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的相對磁導率都非常接近于1。,鐵磁質(zhì),通常不是常數(shù),具有顯著的增強原磁場的性質(zhì),如純鐵、硅鋼、坡莫合金等,6,14.2原子的磁矩,閉合電流的磁矩：在外磁場中受到的磁力矩：,核外電子軌道運動：rv，估算磁矩大小。,經(jīng)典理論：,原子內(nèi)電子軌道運動形成的電流：,電子軌道運動的磁矩：,電子軌道運動的角動量：,電子的軌道磁矩：,7,分子磁矩可用一個等效的圓電流I（分子電流）來表示。,分子磁矩,電子的軌道磁矩,電子的自旋磁矩,核的自旋磁矩,矢量和,分子在正常情況下，其磁矩的矢量和不為零，,分子在正常情況下，其磁矩的矢量和為零，即分子固有磁矩為零。,磁介質(zhì),順磁質(zhì)：,分子固有磁矩。,抗磁質(zhì)：,8,1.順磁質(zhì),分子固有磁矩不為零,取向無規(guī)則，不顯示磁性。,無外場：,9,電子軌道半徑不變,外場方向與電子軌道磁矩方向相反：,外場方向與電子軌道磁矩方向相同：,2.抗磁質(zhì),結(jié)論：在外磁場作用下，電子的軌道運動和自旋運動以及原子核的自旋運動都會發(fā)生變化，產(chǎn)生一附加磁矩，附加磁矩總是與外磁場方向相反。,注：順磁質(zhì)也有抗磁效應，但較順磁效應小得多。,+,+,感生磁矩,無外場：,不顯示磁性,有外場：,10,14.3磁介質(zhì)的磁化,一、磁介質(zhì)的磁化二、磁化強度三、磁化強度與束縛電流,11,一、磁介質(zhì)的磁化,磁介質(zhì)的磁化：磁介質(zhì)放到外磁場中時，在磁介質(zhì)的表面出現(xiàn)束縛電流的現(xiàn)象。,順磁質(zhì)的束縛電流的方向與外磁場的方向符合右手螺旋關系，其產(chǎn)生的磁場要加強磁介質(zhì)中的磁場；抗磁質(zhì)的束縛電流的方向與外磁場的方向符合左手螺旋關系，其產(chǎn)生的磁場要減弱磁介質(zhì)中的磁場；,順磁質(zhì)放到外磁場中時，它的分子的固有磁矩要沿著磁場方向取向；,抗磁質(zhì)放到外磁場中時，它的分子要產(chǎn)生感生磁矩。,束縛電流（或磁化電流）：磁介質(zhì)放到外磁場中時，在磁介質(zhì)的表面出現(xiàn)一電流。,12,二、磁化強度,磁化強度：單位體積內(nèi)分子磁矩的矢量和,實驗給出：在一般實驗條件下，各向同性的順磁質(zhì)或抗磁質(zhì)（以及鐵磁質(zhì)在磁場較弱時）的磁化強度都和外磁場成正比，即,：真空磁導率,：相對磁導率,：磁導率，單位與相同,磁化強度越強，說明磁介質(zhì)磁化程度越強,(A/m),13,三、磁化強度與束縛電流,dl,L,只有環(huán)繞曲線L的分子電流才對通過曲面S的電流強度I有貢獻。先計算環(huán)繞dl的分子電流對I的貢獻。以dl為母線作一斜圓柱體，其兩底與分子電流所在平面平行，底的半徑等于分子電流的半徑a。只有中心處在該斜圓柱體的分子電流才環(huán)繞dl，,S,閉合路徑L包圍（通過曲面S）的總束縛電流：,以n表示單位體積的分子數(shù),14,14.4磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理,磁場強度,穩(wěn)恒磁場、磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理,磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理：,磁場強度沿任何閉合回路的線積分，等于該回路所包圍的自由電流的代數(shù)和。,15,磁介質(zhì)的磁化率,和關系的進一步推導：,16,說明,1、在國際單位制中，磁場強度的單位為A/m。,2、引入磁場強度后，安培環(huán)路定律的右邊只包含自由電流，便于計算。,3、磁場強度僅僅是一個輔助量，真正有意義的是磁感應強度。,討論：,實驗表明，在各向同性均勻磁介質(zhì)中，和成正比。,17,例14.1同軸電纜由兩同心導體組成，內(nèi)層是半徑為R1的導體圓柱，外層是半徑分別為R2、R3的導體圓筒。兩導體內(nèi)電流等量而反向，均勻分布在橫截面上，導體的相對磁導率為r1，兩導體間充滿相對磁導率為r2的不導電的均勻磁介質(zhì)。試求在各區(qū)域中的B分布。,解：由安培環(huán)路定理，取半徑為r的環(huán)路，則：,18,例14.2一無限長直螺線管，單位長度上的匝數(shù)為n，螺線管內(nèi)充滿相對磁導率為r的均勻介質(zhì)。導線內(nèi)通電流I，求管內(nèi)磁感應強度。,解:,19,14.5鐵磁質(zhì),一、磁化曲線二、磁滯回線三、鐵磁質(zhì)的宏觀性質(zhì)四、鐵磁性材料五、鐵磁質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)磁疇,20,鐵、鈷、鎳和它們的一些合金、稀土族金屬（在低溫下）等具有明顯而特殊的磁性：它們的相對磁導率都比較大，且隨B的大小而變化。都有明顯的磁滯效應。,I,由,求出H，,再由其他方法測出B，,做B-H(或M-H)曲線,21,一、磁化曲線（B或M隨H變化的曲線）,BH和rH曲線是非線性關系,max飽和磁感強度,r=B/0H,從試樣完全沒有磁化開始，逐漸增大H，做出的H曲線叫初始磁化曲線,22,當鐵磁質(zhì)到達飽和后，慢慢減小H值，B并不沿最初磁化曲線逐慚減小，即鐵磁質(zhì)的磁化過程并不是可逆的。,從此曲線看，B的變化總落后于H的變化，這種現(xiàn)象叫磁滯效應。,注意：各種鐵磁質(zhì)都有一臨界溫度，稱居里點（居里溫度），在這溫度以上的鐵磁質(zhì)失去鐵磁性變?yōu)轫槾刨|(zhì)。,二、磁滯回線,23,退磁方法：,3.加交變衰減的磁場,使介質(zhì)中的磁場逐漸衰減為0，應用在錄音機中的交流抹音磁頭中。,1.升高溫度，達到居里溫度以上。,2.加反向磁場：提供矯頑力。,4.敲擊法：通過振動提供使磁疇瓦解的能量。,24,三、鐵磁質(zhì)的宏觀性質(zhì),1.可使原磁場大幅度增加,2.與磁化歷史有關B-H非線性,3.磁滯現(xiàn)象,4.居里溫度,四、鐵磁性材料,軟磁材料：,易于磁化，易于退磁，制作電磁鐵，變壓器,硬磁材料：,大，Bmax大，Hc小，磁滯回線窄,Br大，Hc大，磁滯回線寬，制作永磁體,25,電子的自旋磁矩在一些小區(qū)域自發(fā)的整齊排列，形成自發(fā)磁化的小區(qū)域，稱為磁疇。線度在10-4m。,無,整個鐵磁質(zhì)的總磁矩為零,（未經(jīng)磁化的鐵磁質(zhì)）,五、鐵磁質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)磁疇,26,磁化方向與,有,同向的磁疇擴大,磁化方向轉(zhuǎn)向,的方向,27,導體半導體絕緣體,鐵磁質(zhì)順磁質(zhì)抗磁質(zhì),電介質(zhì)：極化,無磁荷,輔助量,輔助量,I0,Q0,磁介質(zhì)：磁化,磁場與電場比較,基本場量,有電荷,基本場量,28,磁路：由鐵心（或一定的間隙）構(gòu)成的磁感線集中的通路。,14.6簡單磁路,29,例14.3如圖示鐵環(huán)，設環(huán)的長度為l=0.5m，s=410-4m2，環(huán)的間隙寬度為1.0mm，環(huán)上繞有線圈N=200匝，線圈中的電流為0.5A，鐵心的r=5000，求間隙處的B數(shù)值。解：忽略漏磁通，鐵心各截面的磁通相等,由于間隙寬度很小，仍可認為磁通集中在面積S內(nèi)，,做一條沿環(huán)軸線的回路，應用磁場強度H的環(huán)路定理,30,31,完成作業(yè)：3.9-9，3.9-10，3.9-11,課下認真研究教材中有關例題。,謝謝大家,