第十五章 磁场与实物的相互作用
§ 15.1 顺磁性与抗磁性
§ 15.2 磁化强度矢量 及其与 的关系
M?
HB、
§ 15.3 铁磁质的磁效应第十五章 磁场 与 实物 的相互作用
→ 顺磁质
or B
B
1?r?
§ 15.1 磁介质的磁效应
oB?
B?定义,
如:氧、铝、钨、铂、铬等。
如:氮、水、铜、银、金、铋等。
如:铁、钴、镍等
r不同的磁介质在磁场中所表现出的特性不同:
→ 抗磁质1?r?
→ 铁磁质1r?
1,磁介质的分类
I
I
磁介质对螺线管内的场有影响其内总磁场是:
BBB o
相对磁导率
1
2,顺磁质和抗磁质实物的基本组成单元:分子、原子、电子
+ -
电子运动:
绕核运动 →电流环 →轨道磁矩自旋运动 →自旋磁矩 自?
nIS轨?
2 2er
两种运动磁效应的总和 等效 分子圆电流
自轨分子
分子的固有磁矩两类磁介质 分子? ≠ 0
分子? = 0
→顺磁质
→抗磁质轨?
(1) 分子磁矩
2
(2) 顺磁,抗磁特性的微观解释
1) 顺磁性
0?oB?
0 i
oB?
oB 分子
B I?
oB?
磁化面电流可见,Bo?强,排列越整齐。mp?
磁化面电流越大,介质的磁化程度越高。
∥ oB?
分子? ≠ 0
NS
3
2) 抗磁性轨
L?
oB?
+
-
分子? = 0

oB 轨
当介质处在外磁场中,电子轨道磁矩受磁力矩,
在磁力矩作用下,轨道角动量绕磁场方向旋进。
电子附加一个磁矩,
附 分子
I B oB
oB?B

分子
动画动画
0?oB? 0?
i当没有外磁场时不显磁性
I
4
讨论
1o 顺磁性介质处在外磁场时,
其体内磁场,BBB o
oB?
B oBB?
抗磁性介质处在外磁场时,
其体内磁场,BBB o
oB?B
oBB?
2o 介质中的抗磁效应在顺磁介质中是否有? 有!
分子分子但,
3o 若将一磁介质放入磁场中,你如何判断该介质是顺磁还是抗磁介质? N S
4o 超导体是完全抗磁体在外磁场中超导体内,BBB o = 0
注,表面分子磁化电流不是自由电荷定向运动形成 ! 5
3,磁化强度矢量
VM
i
(1) 磁化强度矢量定义 单位体积内分子磁矩的矢量和
(2) 磁化强度矢量 M与磁化面电流 I′的关系设长为 l,横截面为 S的柱形介质在外磁场中沿轴向被均匀磁化,表面束缚面电流为 I′
VM
i

介质的体积为,SlV
介质内的分子磁矩之和为,SI
Sl SI?

︳ ︳ ︳ ︳
i i︳ ︳
lI i
l
I′ M?
n?
——面电流密度
nMi
M?×磁化强度的环流,i?
li iIL ldM lM
l?
M?
更一般的证明为:
L
6
1.有介质时的高斯定理无论是什么电流激发的磁场,其磁力线均是无头无尾的闭合曲线。
介质中的磁感应强度:
0SdB
BBB 外
∴ 通过磁场中任意闭合曲面的磁通量为零。
即:
2.有介质时的安培环路定理
IIldB oo
在有介质的空间,传导电流与磁化电流共同产生磁场:
有磁介质的总场束缚电流传导电流
§ 15.2 磁化强度矢量 及其与 的关系M? HB、
7
IIldB oo iL IldM′
ldMIldB oio则有,
io IldMB
)(
即,MBH
o

定义:
沿任一闭合路径磁场强度的环流等于该闭合路径所包围的自由电流的代数和。
物理意义
SI制中磁场强度 H 的单位:安培 /米 (A/m)
1奥斯特 =103/4?(A/m)
——磁场强度则有, iIldH →有介质时的 安培环路定理
8
3,三矢量 之间的关系HMB,,MBH
o

)( MHB
o HBM
o

实验指出:
各向同性的线性磁介质有
HM m
m? ——介质磁化率
)( MHB o那么,Hmo?)1( Hro
mr 1其中:
HB即:
m与?r均为纯数,描述磁介质特性的物理量。
相对磁导率
ro 介质磁导率
0?m? 1?r? 顺磁介质
0?m? 1?r? 抗磁介质
0?m? 1?r? 真空
1m?
0?r?
超导体动画 9
c
ba
d
B?
例 1,长直螺线管内充满均匀磁介质?r
单位长度上的匝数为 n,通有电流 I 。求管内的磁感应强度和磁介质表面的面束缚电流密度。
解:
IabnHab
nIH?则,HB ro
HM m又:
nMi
HM m
nIi r )1(顺磁质,1?r?抗磁质,1?r?
nI
nIr )1(
Ii
Ii ||?
M?
n?
× ×
L iL IldH
B?
I
因管外磁场为零,取图示的回路根据:
××
.,.
10
1.磁化曲线装置,环形螺绕环,用铁磁质充满环内空间。
RNIH?2?
实验 测量 B:
H
r?
H
B
B
B
oor?

(1) 铁磁质的?r 不是个常数,它是 H的函数。
§ 15.3 铁磁质的磁效应原理,根据安培定理由通有的传导电流得:
结论
R
I
I
在螺绕环磁隙 处测量
Hr ~?得出 曲线,
11
B的变化落后于 H,从而具有 剩磁 ——磁滞效应每个 H 对应不同的 B与磁化的历史有关。
1) 起始磁化曲线
2) 剩磁 Br
饱和磁感应强度 BS
3) 矫顽力 Hc
(2) 磁滞回线
(3) 在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高
——磁滞损耗
B
rB
cH?
H
sB
磁滞损耗 与 磁滞回线 所包围的面积成正比。
为什么会出现这些现象?
sB?
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★ 交换力:电子之间的交换作用使其在自旋平行排列时能量较低,这是一种 量子效应 。
★ 磁畴:原子间电子交换耦合作用很强,使其自旋磁矩平行排列形成 磁畴
——自发的磁化区域。
铁磁性主要来源于电子的自旋磁矩。
2,铁磁质磁化的机制
★ 磁畴的变化可用金相显微镜观测
H =0
0自
H H↑
0自
H↑↑ H↑↑↑
)(? 自 ↗? 自 ↑? 自
H
B
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2o 磁滞 现象是由于材料有杂质和内应力等的作用,
当撤掉外磁场时,磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状而表现出来。
3o 当温度升高时,热运动会瓦解磁畴内磁矩的规则排列。在临界温度(相变温度 Tc )时,铁磁质完全变成了顺磁质。 居里点 Tc (Curie Point)
1o 当全部磁畴都沿外磁场方向时,铁磁质的磁化就达到饱和状态。饱和磁化强度 MS等于每个磁畴中原来的磁化强度,该值很大。
——这就是铁磁质磁性?r大的原因。
说明:
如:铁为 1040K,钴为 1390K,镍为 630K
14
(1) 软磁材料:
r大,(起始磁化率大 )饱和磁感应强度大
H
B
cH?
cH
适用于变压器、继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。
3,铁磁质的分类特点:
矫顽力 (Hc)小,
磁滞回线的面积窄而长,
损耗小( HdB面积小)。
易磁化、易退磁纯铁,坡莫合金 (Fe,Ni),
硅钢,铁氧体等。如
(2) 硬磁材料,钨钢,碳钢,铝镍钴合金
H
B
CH
CH?矫顽力 (Hc)大,剩磁 B
r大磁滞回线的面积大,损耗大。
适用于做永磁铁。
耳机中的永久磁铁,永磁扬声器。 15
(3) 矩磁材料
Br=BS,Hc不大,
磁滞回线是矩形。用于 记忆元件,
锰镁铁氧体,锂锰铁氧体
H
B
CH
CH?
当 +脉冲产生 H>HC,使 磁芯呈 +B态,
则 –脉冲产生 H< – HC 使 磁芯呈 – B态,
可做为二进制的两个态。
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