1、1第十九章第十九章 有磁介質(zhì)時的磁場有磁介質(zhì)時的磁場 19.1 磁介質(zhì)對磁場的影響磁介質(zhì)對磁場的影響19.3 磁介質(zhì)的磁化磁介質(zhì)的磁化 19.4 H的環(huán)路定理的環(huán)路定理19.5 鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì) * 19.6 簡單磁路簡單磁路 19.2 原子的磁矩原子的磁矩 2磁介質(zhì)磁介質(zhì): 在磁場中發(fā)生變化并影響磁場的物質(zhì)在磁場中發(fā)生變化并影響磁場的物質(zhì)磁化規(guī)律？磁化規(guī)律？有磁介質(zhì)時磁場的規(guī)律有磁介質(zhì)時磁場的規(guī)律？磁場對磁介質(zhì)作用磁場對磁介質(zhì)作用 介質(zhì)中出現(xiàn)宏觀電流介質(zhì)中出現(xiàn)宏觀電流“磁化磁化”。附加的磁化電流亦將產(chǎn)生附加磁場附加的磁化電流亦將產(chǎn)生附加磁場 并最終影響磁場。并最終影響磁場。研究磁場與磁介質(zhì)的相互

2、作用：研究磁場與磁介質(zhì)的相互作用：3電介質(zhì)：電介質(zhì)：自由電荷場自由電荷場E0 電介質(zhì)電介質(zhì) 極化電荷極化電荷q分子偶極子分子偶極子p電介質(zhì)極化電介質(zhì)極化 E E=E0+E磁化電流磁化電流I分子磁矩分子磁矩 m磁介質(zhì)磁化磁介質(zhì)磁化 B B=B0+B類比電介質(zhì)中的電場類比電介質(zhì)中的電場 D D的高斯定理、環(huán)路定理的高斯定理、環(huán)路定理磁介質(zhì)：磁介質(zhì)：自由電流場自由電流場B0 磁介質(zhì)磁介質(zhì) H H的高斯定理、環(huán)路定理的高斯定理、環(huán)路定理4BBB 0II長直密繞螺線管長直密繞螺線管發(fā)現(xiàn)磁介質(zhì)中的磁場：發(fā)現(xiàn)磁介質(zhì)中的磁場：BI 磁磁化化電電流流BBB 00BI傳傳導(dǎo)導(dǎo)電電流流磁介質(zhì)上有磁化電流，磁介質(zhì)上有

3、磁化電流，長螺線管通電流長螺線管通電流 I，內(nèi)部，內(nèi)部產(chǎn)生一個均勻磁場，產(chǎn)生一個均勻磁場，再將磁介質(zhì)充滿磁場（保持電流不變）再將磁介質(zhì)充滿磁場（保持電流不變）19.1 磁介質(zhì)對磁場的影響磁介質(zhì)對磁場的影響所有物質(zhì)皆磁介質(zhì)所有物質(zhì)皆磁介質(zhì)5 r r介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率順磁質(zhì)順磁質(zhì)抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)0BBr111 磁介質(zhì)的分類：磁介質(zhì)的分類：按按 r 不同磁介質(zhì)分為不同磁介質(zhì)分為 實驗發(fā)現(xiàn)：實驗發(fā)現(xiàn)：充各種磁介質(zhì)，磁介質(zhì)內(nèi)的磁場充各種磁介質(zhì)，磁介質(zhì)內(nèi)的磁場 有的比真空時弱，有的比真空時弱， 有的比真空時強。有的比真空時強。6 19.2 原子的磁矩原子的磁矩 物質(zhì)由原子、分子組成，

4、他們包含的電子物質(zhì)由原子、分子組成，他們包含的電子參于兩種運動。參于兩種運動。 電子的自旋電子的自旋自旋磁矩自旋磁矩ms 電子繞原子核軌道運動電子繞原子核軌道運動軌道磁矩軌道磁矩ml同時核也有自旋同時核也有自旋核磁矩核磁矩mn分子磁矩分子磁矩等效成等效成分子電流分子電流SImmmmnsli分分Sm 700順磁質(zhì)順磁質(zhì)抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)0m磁疇磁疇鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)SIm8一一 順磁性：取向磁化順磁性：取向磁化磁化磁化 : 在磁場作用下，介質(zhì)出現(xiàn)磁性或磁在磁場作用下，介質(zhì)出現(xiàn)磁性或磁性發(fā)生變化的現(xiàn)象。性發(fā)生變化的現(xiàn)象。19.3 磁介質(zhì)的磁化磁介質(zhì)的磁化 順磁質(zhì)的順磁質(zhì)的0m 稱為稱為分子固有磁矩分子固有磁矩

5、。00 B由于分子的熱運動，分子磁由于分子的熱運動，分子磁矩矩m完全是混亂的，不顯磁完全是混亂的，不顯磁性。性。900 B在外磁場中，分子磁矩在外磁場中，分子磁矩m會發(fā)生轉(zhuǎn)向而排會發(fā)生轉(zhuǎn)向而排列，這就是順磁質(zhì)被列，這就是順磁質(zhì)被“磁化磁化”0Bmm m外磁場越強，轉(zhuǎn)向排列越整齊。外磁場越強，轉(zhuǎn)向排列越整齊。0BB 方向與方向與 方向相同方向相同10二二 抗磁性：感應(yīng)磁化抗磁性：感應(yīng)磁化 抗磁質(zhì)的分子固有磁矩為抗磁質(zhì)的分子固有磁矩為 0。00 B不顯磁性不顯磁性 ， 0m 0Bm附加磁矩附加磁矩 0B顯示抗磁性顯示抗磁性為什么為什么 反平行于反平行于 呢？呢？m0B 分子固有磁矩為零，分子中某個

6、電子的分子固有磁矩為零，分子中某個電子的軌道磁矩、自旋磁矩不一定為零軌道磁矩、自旋磁矩不一定為零11 以電子的軌道運動為例以電子的軌道運動為例*Lem e emBL該磁矩在外磁場中要受力矩該磁矩在外磁場中要受力矩 ，M設(shè)該電子的軌道運動設(shè)該電子的軌道運動角動量為角動量為 L軌道磁矩為軌道磁矩為 ，em,BmMe ,dtLdM軌道角動量繞磁場進動軌道角動量繞磁場進動L tML dd12電子附加一個與磁感強電子附加一個與磁感強度相反的磁矩度相反的磁矩em順磁質(zhì)中也有此效應(yīng)，但與分子固有磁矩順磁質(zhì)中也有此效應(yīng)，但與分子固有磁矩的轉(zhuǎn)向效應(yīng)相比弱得多。的轉(zhuǎn)向效應(yīng)相比弱得多。*Lem e emBL軌道進動

7、附加的角動軌道進動附加的角動量量L* 與與B的方向一致的方向一致B對電子的自旋運動和核自對電子的自旋運動和核自旋運動，有類似的現(xiàn)象。旋運動，有類似的現(xiàn)象。13三三 磁化電流與磁化強度磁化電流與磁化強度1. 磁化電流磁化電流磁化：磁化：分子磁矩取向有序分子磁矩取向有序分子電流排列有序分子電流排列有序 介質(zhì)中及表面出現(xiàn)介質(zhì)中及表面出現(xiàn)宏觀電流宏觀電流。宏觀電流宏觀電流磁化電流磁化電流如圖，長直螺線管內(nèi)部充滿均勻的各向同性介如圖，長直螺線管內(nèi)部充滿均勻的各向同性介質(zhì)，將被均勻磁化。質(zhì)，將被均勻磁化。均勻磁場均勻磁場磁化磁化B0磁介質(zhì)磁介質(zhì)I等效等效B0B14對順磁質(zhì)和鐵磁質(zhì)，對順磁質(zhì)和鐵磁質(zhì)，磁化電

8、流產(chǎn)生的磁場磁化電流產(chǎn)生的磁場 是加強磁介質(zhì)內(nèi)部原磁場的是加強磁介質(zhì)內(nèi)部原磁場的;磁化電流磁化電流 I的大小反映了磁化的強弱。的大小反映了磁化的強弱。對抗磁質(zhì)，對抗磁質(zhì)，磁化電流產(chǎn)生的磁場磁化電流產(chǎn)生的磁場 是削弱磁介質(zhì)內(nèi)部原磁場的。是削弱磁介質(zhì)內(nèi)部原磁場的。思考：磁化電流與自由電流比較？思考：磁化電流與自由電流比較？152. 磁化強度磁化強度VmMiv0lim實驗表明實驗表明: :在各向同性的順磁質(zhì)、抗磁質(zhì)內(nèi)在各向同性的順磁質(zhì)、抗磁質(zhì)內(nèi), ,有有BMrr 01 磁化的強弱還可以用磁化強度來描述。磁化的強弱還可以用磁化強度來描述。定義：磁化強度定義：磁化強度單位體積內(nèi)分子磁矩的矢量和。單位體積

9、內(nèi)分子磁矩的矢量和。16對對順磁質(zhì)順磁質(zhì):M平行平行B對對鐵磁質(zhì)，鐵磁質(zhì)，實驗表明：實驗表明：M和和B呈非線性關(guān)系呈非線性關(guān)系對對抗磁質(zhì)抗磁質(zhì):反平行反平行MB17設(shè)其內(nèi)部某點處設(shè)其內(nèi)部某點處的的如圖。如圖。MB以順磁質(zhì)為例以順磁質(zhì)為例.在該點處，任取一微小矢量元在該點處，任取一微小矢量元 ，l d設(shè)它與設(shè)它與B 的夾角為的夾角為 .等效分子圓電流等效分子圓電流為為 i、半徑為、半徑為 r、分子磁矩為分子磁矩為 分m順磁質(zhì)順磁質(zhì)分分ml d MB2r i3. 磁化強度與磁化電流的關(guān)系磁化強度與磁化電流的關(guān)系18設(shè)單位體積內(nèi)的分子數(shù)為設(shè)單位體積內(nèi)的分子數(shù)為n，所以，所以，與與dl 套住的總分子電

10、流為套住的總分子電流為 idlrnId cos2 則與則與 套住套住的分子的分子電流的中心，都是電流的中心，都是位于以位于以 為軸、為軸、以以 r2 為底面積為底面積的小柱體內(nèi)。的小柱體內(nèi)。ldld順磁質(zhì)順磁質(zhì)分分ml d MB2r i19l dMcosdlMcosdlmn 分分這就是磁介質(zhì)上任一點處這就是磁介質(zhì)上任一點處,MId與與 (磁化電流磁化電流 與磁化強度與磁化強度)之間的基本關(guān)系之間的基本關(guān)系。l dMId idlrnId cos2 在在磁介質(zhì)表面磁介質(zhì)表面和和磁介質(zhì)內(nèi)部磁介質(zhì)內(nèi)部磁化電流情況如何？磁化電流情況如何？201. 磁介質(zhì)表面磁介質(zhì)表面dlIdj 若若 在磁介質(zhì)的表面上，

11、在磁介質(zhì)的表面上，可以看出某些表面會有可以看出某些表面會有磁化面電流磁化面電流 。l dId 定義：定義：在垂直磁化面電流方向在垂直磁化面電流方向 的單位長度上的磁化面電流的單位長度上的磁化面電流, 稱為稱為磁化面電流密度磁化面電流密度表表MId ld21它與磁化強度的關(guān)系為它與磁化強度的關(guān)系為coscos表表表MdldlMdll dMdlIdj通常用通常用n Mj 表表表示二者的矢量關(guān)系。表示二者的矢量關(guān)系。當(dāng)當(dāng) =900 時，時， 如圖所示在磁介質(zhì)如圖所示在磁介質(zhì)的端面上的端面上, 無磁化面電流。無磁化面電流。0 j當(dāng)當(dāng) =0時，時，如圖所示在磁介質(zhì)如圖所示在磁介質(zhì)的側(cè)表面上，的側(cè)表面上，

12、表表Mj 有磁化面電流。有磁化面電流。l dl dj 順磁質(zhì)順磁質(zhì)表表M表表Mn n l d22若磁介質(zhì)均勻磁化，若磁介質(zhì)均勻磁化，通過體內(nèi)任意面積的通過體內(nèi)任意面積的磁化電流為零磁化電流為零，因為，因為0l dMIL 內(nèi)內(nèi)2. 磁介質(zhì)內(nèi)部磁介質(zhì)內(nèi)部 任取一面積任取一面積S，其周界為，其周界為L， 則通過則通過S面的面的 磁化電流是與周界套連的分子電流的總和。磁化電流是與周界套連的分子電流的總和。 LLl dMIdI內(nèi)內(nèi)iBldMSL23nMj 類比電介質(zhì)類比電介質(zhì) SsdPqnp LldMI24一一. 有介質(zhì)時的環(huán)路定理有介質(zhì)時的環(huán)路定理BIBI; 00BBB 0基本規(guī)律基本規(guī)律: 高斯定律

13、高斯定律 sSdB0 安培環(huán)路定理安培環(huán)路定理 LIIl dB）內(nèi)內(nèi)內(nèi)內(nèi)00( 9.4 H的環(huán)路定理的環(huán)路定理25求求B LIIl dB）內(nèi)內(nèi)內(nèi)內(nèi)00( 內(nèi)內(nèi)00Il dMBL LLl dMIl dB內(nèi)內(nèi)00 I內(nèi)內(nèi)MB？26有有 LIl dH內(nèi)內(nèi)0H的環(huán)路定理的環(huán)路定理定義定義: 磁場強度磁場強度MBH 0 沿任一閉合路徑的磁場強度的環(huán)流，等于該沿任一閉合路徑的磁場強度的環(huán)流，等于該閉合路徑所套連的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和。閉合路徑所套連的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和。 當(dāng)無磁介質(zhì)時，上式就過渡到真空時的當(dāng)無磁介質(zhì)時，上式就過渡到真空時的環(huán)路定理環(huán)路定理. .具有直接物理意義的是磁感應(yīng)強度具有直接物理意義的是磁

14、感應(yīng)強度B27對各向同性的磁介質(zhì)對各向同性的磁介質(zhì) BBBBMBHrrr 00001HB 磁介質(zhì)的磁介質(zhì)的物性方程物性方程HMm m 稱為磁化率稱為磁化率由由 也能得到磁化強度也能得到磁化強度 ： MH HHHBMmrrrrr 1110028【例【例1】證明：各向同性均勻磁介質(zhì)內(nèi)，無證明：各向同性均勻磁介質(zhì)內(nèi)，無傳導(dǎo)電流處，也無磁化電流。傳導(dǎo)電流處，也無磁化電流。證證: 磁介質(zhì)中取任一小面元，其周界閉合回磁介質(zhì)中取任一小面元，其周界閉合回路路L所套聯(lián)的磁化電流所套聯(lián)的磁化電流 I LLrl dHl dMI)1( 內(nèi)內(nèi)orLrIldH )1()1( . 00 IIo，則則若若內(nèi)內(nèi)29【例【例2】

15、一均勻密繞細螺繞環(huán)，一均勻密繞細螺繞環(huán)， n=103 匝匝/m， I=2A，充滿，充滿 = 5 10 4Tm/A 的磁介質(zhì)。的磁介質(zhì)。求：求：介質(zhì)內(nèi)的介質(zhì)內(nèi)的M,B,H及表面磁化電流面密度及表面磁化電流面密度解：解：此磁介質(zhì)是順磁質(zhì)？抗磁質(zhì)？鐵磁質(zhì)？此磁介質(zhì)是順磁質(zhì)？抗磁質(zhì)？鐵磁質(zhì)？398104105740r取環(huán)路取環(huán)路L如圖，在如圖，在L上各上各點的點的H、B、M都沿都沿L的的方向，方向，L上的上的H大小相等。大小相等。設(shè)總匝數(shù)為設(shè)總匝數(shù)為NHn r0BLMIn j M30有有NIrHl dHL2nIrNIH2nIHB （與無限長螺線管內(nèi)的（與無限長螺線管內(nèi)的B 相同）相同）mAnIBMrr

16、r/1094. 7103213981153031mAMj/1094. 75 表表討論：討論：如果設(shè)想把這些磁化面電流也分成如果設(shè)想把這些磁化面電流也分成每米每米103匝，相當(dāng)于每匝多大電流？匝，相當(dāng)于每匝多大電流？Anj794101094. 735（2A）BB0， 鐵磁質(zhì)作鐵心可以大大加強磁場鐵磁質(zhì)作鐵心可以大大加強磁場 的方向與的方向與I0的方向是一樣的的方向是一樣的.I 32求：空間磁場分布和介質(zhì)磁化電流分布。求：空間磁場分布和介質(zhì)磁化電流分布。【例【例3】一無限長圓柱形介質(zhì)中沿軸線均勻通有恒定電流一無限長圓柱形介質(zhì)中沿軸線均勻通有恒定電流, 電流密度為電流密度為 介質(zhì)相對磁導(dǎo)率為介質(zhì)相對

17、磁導(dǎo)率為 ，半徑為，半徑為R)( 1r J0RJ0r 解：解：1） 因傳導(dǎo)電流和介質(zhì)呈相同的軸對因傳導(dǎo)電流和介質(zhì)呈相同的軸對稱分布，故磁場軸對稱，環(huán)向。稱分布，故磁場軸對稱，環(huán)向。取圖示圓形環(huán)路，有取圖示圓形環(huán)路，有 LrHlH 2d20rJIRrioi 環(huán)路定理環(huán)路定理：20rJH 002BrJHBr 0200IRJIRrii rIH 200002BrIB 332）磁化電流計算）磁化電流計算HMrr)(11 二者同向二者同向體內(nèi)電流：取垂直于軸線的圓截面，有體內(nèi)電流：取垂直于軸線的圓截面，有20)1(2drJrMlMIrL 01 JJrS)( 磁化電流在體內(nèi)均勻分布，方向與自由電流同。磁化電

18、流在體內(nèi)均勻分布，方向與自由電流同。表面電流：表面電流：RIMnMjrRRl 210)(n ljn ljRjRJlS 22二者反向二者反向J34三三 . 磁場的界面關(guān)系，磁場的界面關(guān)系，*靜磁屏蔽靜磁屏蔽0d sBS由由可得可得 B1n = B2n (1)設(shè)界面無傳導(dǎo)電流，設(shè)界面無傳導(dǎo)電流，0d lHL由由可得可得 H1t = H2t (2)2211 ttBB 即：即：(2)12n1B2B 1 212t1H2H 1 2）（00 Sj352211tg1tg1)1( )2( ：， 02 在在 1很大的介質(zhì)很大的介質(zhì)1中，中， 線幾乎平行界面，線幾乎平行界面，B這就是鐵磁質(zhì)中這就是鐵磁質(zhì)中 線沿鐵芯

19、延續(xù)線沿鐵芯延續(xù)的情形。的情形。B21 若若，21 則則，21 當(dāng)當(dāng)時，時，。 21 ，1tgtg2211 n線線1B線線2B 1 2 1 2n線線1B線線2B 1 2 2 1 90 236*靜磁屏蔽靜磁屏蔽精密探頭、顯象管精密探頭、顯象管都需要磁屏蔽。都需要磁屏蔽。鐵磁質(zhì)的鐵磁質(zhì)的“磁屏蔽磁屏蔽”作用作用空腔空腔371鐵磁質(zhì)、非鐵磁質(zhì)相同之處鐵磁質(zhì)、非鐵磁質(zhì)相同之處: 一、鐵磁質(zhì)與非鐵磁質(zhì)的比較一、鐵磁質(zhì)與非鐵磁質(zhì)的比較9.5 鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)場方程場方程 內(nèi)0Il dH0SdBH、B關(guān)系關(guān)系 MBH0磁化電流磁化電流 Ll dMInMj邊界條件邊界條件 B1n=B2n ， H1t=H2t 38

20、但但 不是常數(shù)不是常數(shù)2鐵磁質(zhì)、非鐵磁質(zhì)不同之處鐵磁質(zhì)、非鐵磁質(zhì)不同之處物性方程不同物性方程不同 非鐵磁質(zhì)非鐵磁質(zhì): B= H , B、H同向同向 HB鐵磁質(zhì)：形式上可寫作鐵磁質(zhì)：形式上可寫作磁化機制不同磁化機制不同非鐵磁質(zhì)：磁化是分子的個體行為非鐵磁質(zhì)：磁化是分子的個體行為鐵磁質(zhì)：鐵磁質(zhì)： 由于量子效應(yīng)，在小區(qū)域自發(fā)由于量子效應(yīng)，在小區(qū)域自發(fā) 磁化整齊磁化整齊磁疇磁疇 39二、鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律二、鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律00,nIHISB測測) (000nIILNHNILHl dHL，試件試件磁磁通通計計nSI0I0（1 1）起始磁化曲線）起始磁化曲線 H( (I) )0B， r rI rM飽飽和和

21、 r - HB-H起起始始磁磁化化曲曲線線HBr0 磁導(dǎo)率與磁導(dǎo)率與H有關(guān)有關(guān)rBH 0 非線性非線性飽和性飽和性40* B 有飽和現(xiàn)象，但有飽和現(xiàn)象，但仍有一定的斜率仍有一定的斜率。 原因原因: MHBMBH 00 說明：說明：r *可以看出可以看出 不是常數(shù)。不是常數(shù)。但是在給定了但是在給定了 值的情況下，有值的情況下，有 ，通常形式上通常形式上仍說成仍說成 B 與與 H 成正比。成正比。r HB * 巴克豪森效應(yīng)巴克豪森效應(yīng)41在一個循環(huán)磁化過在一個循環(huán)磁化過程中，單位體積磁程中，單位體積磁滯損耗的能量與滯損耗的能量與磁磁滯回線的面積滯回線的面積成正成正比。比。（2 2）磁滯回線）磁滯回

22、線剩磁狀態(tài)：剩磁狀態(tài)：r MBH 0 rB 0 42鐵磁質(zhì)按鐵磁質(zhì)按Hc分類分類:（3 3）鐵磁體分類）鐵磁體分類軟磁材料軟磁材料：磁滯損耗小，交變磁場中的鐵芯。磁滯損耗小，交變磁場中的鐵芯。矩磁材料矩磁材料：“記憶記憶”元件。元件。硬磁材料硬磁材料：矯頑力和剩磁大，永磁體。矯頑力和剩磁大，永磁體。43（4 4）居里溫度）居里溫度失去鐵磁性（變?yōu)轫槾刨|(zhì)）的臨界溫度。失去鐵磁性（變?yōu)轫槾刨|(zhì)）的臨界溫度。 T T升高升高 T=TcT=Tc 鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)順磁質(zhì)順磁質(zhì) TTcTTc 又恢復(fù)鐵磁性又恢復(fù)鐵磁性44居里溫度居里溫度45三三. 鐵磁性起因鐵磁性起因 量子理論量子理論 磁疇磁疇一個磁疇中約有一

23、個磁疇中約有10171021個原子個原子.各電子的自旋磁矩靠交換偶合作用使方向一致，各電子的自旋磁矩靠交換偶合作用使方向一致，從而形成從而形成自發(fā)的均勻磁化小區(qū)域自發(fā)的均勻磁化小區(qū)域磁疇。磁疇。鐵磁質(zhì)中起主要作用的是電子的自旋磁矩。鐵磁質(zhì)中起主要作用的是電子的自旋磁矩。46磁滯是由于磁滯是由于晶體缺陷和內(nèi)應(yīng)力、以及磁疇晶體缺陷和內(nèi)應(yīng)力、以及磁疇在外磁場減退時，就近沿易磁化方向排列在外磁場減退時，就近沿易磁化方向排列而造成的。而造成的。居里點居里點: 溫度升高，磁疇瓦解，表現(xiàn)順磁性溫度升高，磁疇瓦解，表現(xiàn)順磁性47鐵磁體的磁致伸縮：鐵磁體的磁致伸縮：鐵磁體長度和體積改變鐵磁體長度和體積改變晶格間距改變晶格間距改變（長度相對改變約（長度相對改變約10-5量級）量級）原因：磁疇的原因：磁疇的 方向改變方向改變M用途：可用于制作超聲發(fā)生器等。用途：可用于制作超聲發(fā)生器等。48設(shè)鐵環(huán)長設(shè)鐵環(huán)長 l ，氣隙長度，氣隙長