1、第十六章第十六章 磁介質磁介質磁介質磁介質:在磁場的作用下發生變化并反過來影響磁場的物質在磁場的作用下發生變化并反過來影響磁場的物質磁磁 化化:磁介質在磁場作用下發生變化的現象磁介質在磁場作用下發生變化的現象三種磁介質三種磁介質:順磁質、抗磁質、鐵磁質順磁質、抗磁質、鐵磁質2、磁場強度磁場強度 及磁介質中的安培環路定理。及磁介質中的安培環路定理。H本章主要內容本章主要內容3、鐵磁質的主要特性及其應用。、鐵磁質的主要特性及其應用。1、磁介質磁化及其微觀本質。、磁介質磁化及其微觀本質。16.1 順磁質、抗順磁質、抗磁質及其磁質及其磁化磁化16.1.1 磁介質的分類磁介質的分類1. 磁介質的磁化磁介

2、質的磁化 當磁介質處于磁場中時，磁介質被磁化并出現宏觀的當磁介質處于磁場中時，磁介質被磁化并出現宏觀的磁化磁化電流電流。磁化電流產生附加磁場，反過來影響原磁場的分布。磁化電流產生附加磁場，反過來影響原磁場的分布。 0BBB0B外磁場外磁場B磁化電流產生的附加磁場磁化電流產生的附加磁場在均勻各向同性磁介質中：在均勻各向同性磁介質中：0rBBr: :磁介質的相對磁導率磁介質的相對磁導率0r磁介質的磁介質的磁導率磁導率2. 磁介質的分類磁介質的分類（1）順磁質順磁質介質被磁化后，介質內磁場略有減弱介質被磁化后，介質內磁場略有減弱介質被磁化后，介質內磁場略有增強介質被磁化后，介質內磁場略有增強r 略大

3、于略大于1 1如空氣、氧、鋁、鉑、錳、氮等如空氣、氧、鋁、鉑、錳、氮等 （2）抗磁質抗磁質r 略小于略小于1 10BB與與同方向同方向0BB與與反方向反方向（3）鐵磁質鐵磁質r 遠遠大于遠遠大于1 1如水銀、銅、硫、氫、銀、金、鋅等如水銀、銅、硫、氫、銀、金、鋅等 介質被磁化后，介質內磁場極大的增強介質被磁化后，介質內磁場極大的增強如鐵、鈷、鎳等以及這些金屬的合金、鐵氧體等如鐵、鈷、鎳等以及這些金屬的合金、鐵氧體等 0BB與與同方向同方向弱磁質弱磁質強磁質強磁質順磁質順磁質抗磁質抗磁質鐵磁質鐵磁質磁磁 介介 質質16.1.2 順磁質和抗磁質的磁化順磁質和抗磁質的磁化軌道軌道磁矩磁矩自旋自旋磁矩

4、磁矩分子分子 電子電子磁效應磁效應總和總和等效圓電流等效圓電流分子磁矩分子磁矩mnpISempIS 分子電流假說：分子電流假說：安培認為，磁介質中的每一個分子都可安培認為，磁介質中的每一個分子都可以看作一個環形電流，在無磁場時，這些環形電流的磁矩以看作一個環形電流，在無磁場時，這些環形電流的磁矩方向在空間的取向是雜亂無章的。方向在空間的取向是雜亂無章的。 , ,磁介質宏觀上磁介質宏觀上不顯磁性。不顯磁性。0mp1 1、分子磁矩、分子磁矩 分子附加磁矩分子附加磁矩v0Bm mv0Bm mFF分子附加磁矩分子附加磁矩方向與外磁場方向相反方向與外磁場方向相反 整個分子的附加磁矩：整個分子的附加磁矩：

5、 mpm 當順磁質或抗磁質在外磁場中時，電子的軌道磁矩將發生當順磁質或抗磁質在外磁場中時，電子的軌道磁矩將發生變化。磁介質分子中每個運動電子都要產生與外磁場變化。磁介質分子中每個運動電子都要產生與外磁場 方方向相反向相反的附加磁矩的附加磁矩 0B m抗磁效應抗磁效應任何磁介質中都有抗磁效應。任何磁介質中都有抗磁效應。2. 順磁質的磁化：順磁質的磁化： 宏觀上不顯磁性。宏觀上不顯磁性。無外磁場時：分子的固有磁矩無外磁場時：分子的固有磁矩 雜亂無章排列。雜亂無章排列。熱運動作用熱運動作用0mp有外磁場時：分子磁矩有外磁場時：分子磁矩 轉向外磁場的方向。轉向外磁場的方向。受磁力矩作用受磁力矩作用宏觀

6、上表現：在磁介質表面出現宏觀上表現：在磁介質表面出現磁化電流磁化電流。在磁介質內的磁。在磁介質內的磁 感應強度增大。順磁質產生磁化電流很小，因感應強度增大。順磁質產生磁化電流很小，因 此順磁質為弱磁質。此順磁質為弱磁質。外磁場撤消：由于熱運動破壞分子磁矩的定向排列，宏觀上外磁場撤消：由于熱運動破壞分子磁矩的定向排列，宏觀上 對外不顯磁性。對外不顯磁性。 0B0mp每個分子每個分子外磁場撤消：宏觀上又不顯磁性。外磁場撤消：宏觀上又不顯磁性。 抗磁質的磁性起源于電子做軌道運動時，在外磁場作用下抗磁質的磁性起源于電子做軌道運動時，在外磁場作用下受到洛倫茲力，從而產生與外磁場方向相反的附加磁場。受到洛

7、倫茲力，從而產生與外磁場方向相反的附加磁場。3. 抗磁質的磁化：抗磁質的磁化： 宏觀上表現：宏觀上表現：在磁介質表面出現磁化電流。在磁介質表面出現磁化電流。在磁介質內的磁在磁介質內的磁 感應強度減小?？勾刨|產生磁化電流很小，因感應強度減小?？勾刨|產生磁化電流很小，因 此抗磁質也為弱磁質。此抗磁質也為弱磁質。說明說明 任何磁介質都有抗磁性。但在順磁質中，以固有磁矩的任何磁介質都有抗磁性。但在順磁質中，以固有磁矩的 取向磁化為主，而抗磁性效應與之相比非常弱，被掩蓋取向磁化為主，而抗磁性效應與之相比非常弱，被掩蓋 了。了。0mp每個分子每個分子無外磁場時，介質宏觀不顯磁性。無外磁場時，介質宏觀不顯磁

8、性。載流子的宏觀定向移動，載流子的宏觀定向移動，是電荷遷移的結果。是電荷遷移的結果。磁介質被外磁場磁化的結果，是磁介質被外磁場磁化的結果，是大量分子電流的疊加，是大量分大量分子電流的疊加，是大量分子電流統計平均的宏觀效果。子電流統計平均的宏觀效果。不同點不同點相同點相同點都可以產生磁場，滿足畢奧都可以產生磁場，滿足畢奧- -薩伐爾定律，薩伐爾定律，遵從電流產生磁場的規律。遵從電流產生磁場的規律。電荷的宏觀遷移。電荷的宏觀遷移。磁化電流不能傳導，電子都磁化電流不能傳導，電子都被限制在分子范圍內運動，被限制在分子范圍內運動，束縛在介質內部。束縛在介質內部。磁化電流磁化電流傳導電流傳導電流磁化電流與

9、傳導電流的異同磁化電流與傳導電流的異同分子電流運行無阻力，即無分子電流運行無阻力，即無熱效應。熱效應。 電荷的宏觀遷移產生焦耳電荷的宏觀遷移產生焦耳熱。熱。16.1.3 磁化強度與磁化電流磁化強度與磁化電流 1.1.磁化強度磁化強度VppM mmV：磁介質某點處所取的體積元：磁介質某點處所取的體積元 mp：體積元內磁介質磁化后分子磁矩的矢量和體積元內磁介質磁化后分子磁矩的矢量和 mp：體積元內磁介質磁化后分子附加磁矩的矢量和：體積元內磁介質磁化后分子附加磁矩的矢量和 定量描述磁介質的磁化程度定量描述磁介質的磁化程度 順磁質順磁質 mp mpVpM m抗磁質抗磁質 0m pVpM m真空中或磁介

10、質未被磁化時，真空中或磁介質未被磁化時，0M注意：注意：2、磁化強度與磁化電流的關系：、磁化強度與磁化電流的關系：neSIpp mmabcdI SIMjLSLMllMlMbaL d d介質中的總磁矩：介質中的總磁矩： 由磁化強度的定義得由磁化強度的定義得只適用于均勻磁介質被均勻磁化的情況。只適用于均勻磁介質被均勻磁化的情況。 即：介質中某點磁化強度的大小等即：介質中某點磁化強度的大小等于面磁化電流的線密度。于面磁化電流的線密度。MS jL作閉合回路作閉合回路abcda，有：，有：j lI I為穿過閉合回路所包圍面積的磁化電流的代數和為穿過閉合回路所包圍面積的磁化電流的代數和 d LIMl即：磁

11、化強度沿閉合回路的線積分即：磁化強度沿閉合回路的線積分等于穿過該閉合回路所包圍面積的等于穿過該閉合回路所包圍面積的磁化電流的代數和磁化電流的代數和 16.2 有磁介質存在時的高斯定理有磁介質存在時的高斯定理和安培環路定理和安培環路定理16.2.1 有磁介質存在時的高斯定理有磁介質存在時的高斯定理 由于磁化電流與傳導電流在產生磁場方面性質相同，由于磁化電流與傳導電流在產生磁場方面性質相同，故故有磁介質時，高斯定理仍成立有磁介質時，高斯定理仍成立 ( 普適性普適性 ) 。 0d SSBBBB 0 此時此時注意：注意：16.2.2 有磁介質存在時的安培環路定理有磁介質存在時的安培環路定理III 0I

12、lBL0d 在真空中：在真空中：)d()(d00000 LLlMIIIIlB 有磁介質時：有磁介質時：磁化電流與傳導電流激發磁場的規律是相同的，磁化電流與傳導電流激發磁場的規律是相同的，MBH 0 定義：定義：磁場強度磁場強度00d)(IlMBL 即即奧奧斯斯特特）的的單單位位是是：(Oe104A/m13 H0dLHlI磁介質中的安培環路定理磁介質中的安培環路定理 :1.磁介質中的安培環路定理磁介質中的安培環路定理 ., 000000IlBIlBlHBHMLLL d dd即即得得真真空空時時0dLHlI 磁介質內磁場強度矢量沿任一閉合路徑的積分等于該閉合磁介質內磁場強度矢量沿任一閉合路徑的積分

13、等于該閉合路徑所包圍的傳導電流的代數和路徑所包圍的傳導電流的代數和I 0 。2. 磁介質的性質方程磁介質的性質方程HMm m 對大多數各向同性的磁介質來說，實驗證實：磁化強度與磁對大多數各向同性的磁介質來說，實驗證實：磁化強度與磁場強度成正比。場強度成正比。 磁介質的磁化率，磁介質的磁化率，是一個純數。是一個純數。即即順磁質順磁質m01 MH與與同同向向抗磁質抗磁質MH與與反反向向m10 HMm mr 1令令r 0 磁介質相對磁導率磁介質相對磁導率 磁介質的絕對磁導率磁介質的絕對磁導率(磁導率磁導率)HBMBHm 00 因因此此HBm)1(0 則則HHBr 0適用于適用于各向同性各向同性的非鐵

14、磁質。的非鐵磁質。磁介質的性質方程磁介質的性質方程（或介質方程）（或介質方程）IRr 解：解：在導體外取圓形回路為安培回路，則在導體外取圓形回路為安培回路，則rIHBrr 200 例題例題 磁導率為磁導率為1圓柱形載流導體，電流為圓柱形載流導體，電流為I，置于無限大的相，置于無限大的相對磁導率為對磁導率為 的磁介質中，求柱內、外任一點的的磁介質中，求柱內、外任一點的 。r HB、rHlHL 2d rIH 2 IrH 2rrHB 由安培環路定理由安培環路定理, ,在導體內取圓形回路為安培回路，則在導體內取圓形回路為安培回路，則rHlHL 2d 由安培環路定理由安培環路定理, ,內內IrH 2IR

15、rrRII2222 內內22 RIrH 212 RIrB ORI 2rHRr 在充滿均勻磁介質場中磁感應強度為真空中的在充滿均勻磁介質場中磁感應強度為真空中的 倍倍. .解解:(1)選取以選取以O為圓心，為圓心，r為半徑的圓周為安為半徑的圓周為安培環路培環路L, 由介質中的安培環路定理可得由介質中的安培環路定理可得:0 d22LHlrHrnI )mA(100 . 20 . 21000130 nIH435.0 102.0 101(T) BH(2)3517012.0 107.9 10 (A m )410 BMH(3)(4)517.9 10 (A m ) jM例題例題 在磁導率在磁導率 的均勻磁介質

16、圓環上均的均勻磁介質圓環上均勻密繞著線圈，單位長度的匝數為勻密繞著線圈，單位長度的匝數為 ，導線中通，導線中通電流電流 ，試求：，試求：425.010 N A 1m匝1000n02.0 AI（1）磁場強度）磁場強度H；（；（2）磁感應強度）磁感應強度B；（3）磁介質的磁化強度）磁介質的磁化強度M ；（；（4）磁化電流密度）磁化電流密度 jO得得MBH0根據根據例題例題 一電纜由半徑為一電纜由半徑為R1的長直導線和套在外面的內、外半徑分別的長直導線和套在外面的內、外半徑分別為為R2、R3的同軸導體圓筒組成，其間充滿相對磁導率為的同軸導體圓筒組成，其間充滿相對磁導率為r的各向同的各向同性非鐵磁介質

17、。電流性非鐵磁介質。電流I0由中心導體流入，由外面圓筒流出。由中心導體流入，由外面圓筒流出。求磁場分布和緊貼中心導線的磁介質表面的磁化電流。求磁場分布和緊貼中心導線的磁介質表面的磁化電流。解：由于電流分布和磁介質分布具有軸對稱性，可知磁場分布解：由于電流分布和磁介質分布具有軸對稱性，可知磁場分布也具有軸對稱性。選取距離軸線也具有軸對稱性。選取距離軸線r為半徑的圓周為安培環路，為半徑的圓周為安培環路，取順時針方向為繞行方向取順時針方向為繞行方向 1:rR01212I rHR00111212I rBHRr1R2R3RO12:RrR022IHr002222rIBHr 23RrR : 201121d2

18、LIHlrHrR 220d2LHlrHI 220233022 32()d2HlLIrRrHIRR2203322322IRrHr RR2200333322322IRrBHr RR344:d20LrRHlrH 40H 4440BHH和和B隨隨r的變化曲線如圖：的變化曲線如圖：在在 區域內：區域內：12RrR由安培環路定理可得：由安培環路定理可得： 00dLBlII () 002()rBII 002()IIBr 0022rIBr 比較比較0r) 1(II可得磁介質內表面上的磁化電流為可得磁介質內表面上的磁化電流為 2R1R3RHOr2R1R3RBOr16.3.1 鐵磁質的磁滯回線鐵磁質的磁滯回線鐵磁

19、質磁化性能很強，是性能特異，用途廣泛的磁介質，鐵磁質磁化性能很強，是性能特異，用途廣泛的磁介質， 主要有：鐵、鈷、鎳等金屬和它們的某些化合物。主要有：鐵、鈷、鎳等金屬和它們的某些化合物。鐵磁質的磁化規律可通過實驗測定鐵磁質的磁化規律可通過實驗測定B-H關系關系進行研究。進行研究。16.3 鐵磁質鐵磁質MN段：段：H 變大，變大，B急劇增大；急劇增大； NP段：段：H 增加，增加，B緩慢增加；緩慢增加；P點以后：點以后：H 增加，增加，B達到飽和達到飽和狀態。狀態。起始磁化曲線：起始磁化曲線：磁飽和磁飽和再次磁化時，鐵磁質具有以下特點：再次磁化時，鐵磁質具有以下特點：1 1）當磁場強度等于零時，

20、鐵磁質當磁場強度等于零時，鐵磁質中的磁感應強度不為零中的磁感應強度不為零( (Br) ) ，即，即 B 的變化落后于的變化落后于H 的變化的現象，叫的變化的現象，叫做做磁滯效應磁滯效應，相應的，相應的Br稱為稱為剩磁。剩磁。2）要使鐵磁質中的磁感應強度等）要使鐵磁質中的磁感應強度等于零，必須加上反向電流（反向于零，必須加上反向電流（反向磁場強度），使鐵磁質中磁感應磁場強度），使鐵磁質中磁感應強度等于零的反向磁場強度的值強度等于零的反向磁場強度的值稱為稱為矯頑力（矯頑力（H Hc c）。 磁滯回線磁滯回線eocdBaHcHbfcH rBrB 3）由圖可知，磁化曲線為非線性的。）由圖可知，磁化曲線

21、為非線性的。曲線曲線abcdefa稱為稱為磁滯回線。磁滯回線。Hr HBBr、 HO4）由）由B H圖可以看出，鐵磁質圖可以看出，鐵磁質的的相對磁導率不是常數相對磁導率不是常數，它與，它與磁場強度成非線性關系。磁場強度成非線性關系。16.3.2 鐵磁質的磁化機理鐵磁質的磁化機理 近代科學實驗證明，鐵磁質的磁性主要來源于近代科學實驗證明，鐵磁質的磁性主要來源于電子自旋磁矩電子自旋磁矩。在無外磁場時，鐵磁質中電子自旋磁矩可以在小范圍內。在無外磁場時，鐵磁質中電子自旋磁矩可以在小范圍內“自發自發地地”排列起來，形成一個個小的排列起來，形成一個個小的“自發磁化區自發磁化區” ” 磁疇磁疇。 自發磁化的

22、原因是由于相鄰原自發磁化的原因是由于相鄰原子中電子之間存在著一種交換耦合子中電子之間存在著一種交換耦合作用（一種量子效應），使電子的作用（一種量子效應），使電子的自旋磁矩平行排列起來而達到自發自旋磁矩平行排列起來而達到自發磁化的飽和狀態。磁化的飽和狀態。 當存在外磁場時，在外場當存在外磁場時，在外場的作用下磁疇的取向與外磁場的作用下磁疇的取向與外磁場一致，顯現一定的磁性。一致，顯現一定的磁性。 在外磁場撤消后，鐵磁質內存在著阻礙磁疇轉向的摩擦力，會在外磁場撤消后，鐵磁質內存在著阻礙磁疇轉向的摩擦力，會阻礙磁疇恢復到原來的狀態，磁體內保留部分磁性，即阻礙磁疇恢復到原來的狀態，磁體內保留部分磁性，即剩磁。剩磁。 a b c d e磁化過程中磁疇變化的示意圖：磁化過程中磁疇變化的示意圖：材材 料料居里點居里點鐵鐵1 043 K鈷鈷1 388 K鎳鎳631 K影響鐵磁質磁性的因素：影響鐵磁質磁性的因素：溫度對磁性有影響溫度對磁性有影響 當溫度升高到某一臨界點時，鐵磁性就當溫度升高到某一臨界點時，鐵磁性就消失，變為順磁質。此時的溫度稱為消失，變為順磁質。此時的溫度稱為居里點居里點。強烈震動會瓦解磁疇，鐵磁性消失。強烈震動會瓦解磁疇，鐵磁性消失。 鐵磁質的主要特點可歸納為鐵磁質的主要特點可歸納為 1 ) 相對磁導率高，附加磁場很強；相對磁導率高，附加磁場很強； 2 ) 磁化曲線非線性；磁化曲