北京化工大學(xué)普通物理學(xué)14磁場(chǎng)中的磁介質(zhì).ppt

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1,第14章磁場(chǎng)中的磁介質(zhì),2,14.1磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)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(jiǎn)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(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng),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(duì)磁場(chǎng)的影響,1.磁介質(zhì)——在考慮物質(zhì)受磁場(chǎng)的影響或它對(duì)磁場(chǎng)的影響時(shí)，物質(zhì)統(tǒng)稱為磁介質(zhì)。,2.磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響,,B0：管內(nèi)為真空或空氣時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,磁介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率,銅鋁純鐵,B：管內(nèi)充滿磁介質(zhì)時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,,5,3.磁介質(zhì)的分類,順磁質(zhì),抗磁質(zhì),減弱原場(chǎng),增強(qiáng)原場(chǎng),,,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(duì)磁導(dǎo)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(qiáng)原磁場(chǎng)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(chǎng)中受到的磁力矩：,核外電子軌道運(yùn)動(dòng)：rv，估算磁矩大小。,經(jīng)典理論：,原子內(nèi)電子軌道運(yùn)動(dòng)形成的電流：,電子軌道運(yùn)動(dòng)的磁矩：,電子軌道運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量：,電子的軌道磁矩：,7,分子磁矩可用一個(gè)等效的圓電流I（分子電流）來(lái)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(wú)規(guī)則，不顯示磁性。,無(wú)外場(chǎng)：,9,,,,,,,,,,,,,,,,電子軌道半徑不變,外場(chǎng)方向與電子軌道磁矩方向相反：,,,,,,,,,,外場(chǎng)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(chǎng)作用下，電子的軌道運(yùn)動(dòng)和自旋運(yùn)動(dòng)以及原子核的自旋運(yùn)動(dòng)都會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生一附加磁矩，附加磁矩總是與外磁場(chǎng)方向相反。,注：順磁質(zhì)也有抗磁效應(yīng)，但較順磁效應(yīng)小得多。,+,+,—感生磁矩,無(wú)外場(chǎng)：,不顯示磁性,有外場(chǎng)：,10,14.3磁介質(zhì)的磁化,一、磁介質(zhì)的磁化二、磁化強(qiáng)度三、磁化強(qiáng)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(chǎng)中時(shí)，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(chǎng)的方向符合右手螺旋關(guān)系，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)要加強(qiáng)磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)；抗磁質(zhì)的束縛電流的方向與外磁場(chǎng)的方向符合左手螺旋關(guān)系，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)要減弱磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)；,順磁質(zhì)放到外磁場(chǎng)中時(shí)，它的分子的固有磁矩要沿著磁場(chǎng)方向取向；,抗磁質(zhì)放到外磁場(chǎng)中時(shí)，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(chǎng)中時(shí)，在磁介質(zhì)的表面出現(xiàn)一電流。,12,二、磁化強(qiáng)度,磁化強(qiáng)度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)分子磁矩的矢量和,實(shí)驗(yàn)給出：在一般實(shí)驗(yàn)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(chǎng)較弱時(shí)）的磁化強(qiáng)度都和外磁場(chǎng)成正比，即,：真空磁導(dǎo)率,：相對(duì)磁導(dǎo)率,：磁導(dǎo)率，單位與相同,磁化強(qiáng)度越強(qiáng)，說明磁介質(zhì)磁化程度越強(qiáng),(A/m),13,三、磁化強(qiáng)度與束縛電流,?,dl,L,只有環(huán)繞曲線L的分子電流才對(duì)通過曲面S的電流強(qiáng)度I有貢獻(xiàn)。先計(jì)算環(huán)繞dl的分子電流對(duì)I的貢獻(xiàn)。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(chǎng)強(qiáng)度,,—穩(wěn)恒磁場(chǎng)、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(chǎng)強(qiáng)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(guān)系的進(jìn)一步推導(dǎo)：,16,說明,1、在國(guó)際單位制中，磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位為A/m。,2、引入磁場(chǎng)強(qiáng)度后，安培環(huán)路定律的右邊只包含自由電流，便于計(jì)算。,3、磁場(chǎng)強(qiáng)度僅僅是一個(gè)輔助量，真正有意義的是磁感應(yīng)強(qiáng)度。,討論：,實(shí)驗(yàn)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(dǎo)體組成，內(nèi)層是半徑為R1的導(dǎo)體圓柱，外層是半徑分別為R2、R3的導(dǎo)體圓筒。兩導(dǎo)體內(nèi)電流等量而反向，均勻分布在橫截面上，導(dǎo)體的相對(duì)磁導(dǎo)率為?r1，兩導(dǎo)體間充滿相對(duì)磁導(dǎo)率為?r2的不導(dǎo)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(wú)限長(zhǎng)直螺線管，單位長(zhǎng)度上的匝數(shù)為n，螺線管內(nèi)充滿相對(duì)磁導(dǎo)率為?r的均勻介質(zhì)。導(dǎo)線內(nèi)通電流I，求管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)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(duì)磁導(dǎo)率都比較大，且隨B的大小而變化。都有明顯的磁滯效應(yīng)。,I,由,求出H，,再由其他方法測(cè)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）,B—H和?r—H曲線是非線性關(guān)系,,Ｂmax─飽和磁感強(qiáng)度,,?r=B/?0H,從試樣完全沒有磁化開始，逐漸增大H，做出的Ｂ─H曲線叫初始磁化曲線,22,當(dāng)鐵磁質(zhì)到達(dá)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(yīng)。,注意：各種鐵磁質(zhì)都有一臨界溫度，稱居里點(diǎn)（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(chǎng),使介質(zhì)中的磁場(chǎng)逐漸衰減為0，應(yīng)用在錄音機(jī)中的交流抹音磁頭中。,1.升高溫度，達(dá)到居里溫度以上。,2.加反向磁場(chǎng)：提供矯頑力。,4.敲擊法：通過振動(dòng)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(chǎng)大幅度增加,2.與磁化歷史有關(guān)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：,,μ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(wú),——整個(gè)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(kuò)大,磁化方向轉(zhuǎn)向,的方向,,27,導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體,鐵磁質(zhì)順磁質(zhì)抗磁質(zhì),電介質(zhì)：極化,無(wú)磁荷,輔助量,輔助量,,I0,Q0,,磁介質(zhì)：磁化,磁場(chǎng)與電場(chǎng)比較,基本場(chǎng)量,有電荷,基本場(chǎng)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(jiǎn)單磁路,,,29,例14.3如圖示鐵環(huán)，設(shè)環(huán)的長(zhǎng)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(rèn)為磁通集中在面積S內(nèi)，,做一條沿環(huán)軸線的回路，應(yīng)用磁場(chǎng)強(qiáng)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(rèn)真研究教材中有關(guān)例題。,謝謝大家,