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第十四章第十四章 磁场中的磁介质磁场中的磁介质Medium in Magnetic Field本章主要内容本章主要内容14-114-114-114-1 磁介质对磁场的影响磁介质对磁场的影响14-214-214-214-2 原子的磁矩原子的磁矩14-314-314-314-3 磁介质的磁化磁介质的磁化14-414-414-414-4 的环路定理的环路定理14-514-514-514-5 铁磁质铁磁质第十四章第十四章 磁场中的磁介质磁场中的磁介质磁介质磁介质磁介质磁介质是所有实物物质的统称。是所有实物物质的统称。物质由带电粒子（分子、原子）组成，原子中存在运物质由带电粒子（分子、原子）组成，原子中存在运动电荷，它们会受到磁场的作用。因此，磁场和磁介质会动电荷，它们会受到磁场的作用。因此，磁场和磁介质会产生相互作用。产生相互作用。磁场和磁介质的相互作用相似于电场和电介质的相互磁场和磁介质的相互作用相似于电场和电介质的相互作用，研究方法也是类似的。作用，研究方法也是类似的。电介质：极化电介质：极化 束缚电荷束缚电荷 极化强度极化强度 电位移电位移磁介质：磁化磁介质：磁化 束缚电流束缚电流 磁化强度磁化强度 磁场强度磁场强度14-1 14-1 磁介质对磁场的影响磁介质对磁场的影响Influence of a Magnetic Medium exerting on Magnetic Field 磁介质的分类磁介质的分类如氧、铝、钨、铂、铬等如氧、铝、钨、铂、铬等如氮、水、铜、银、金、铋等如氮、水、铜、银、金、铋等 磁介质对磁场的影响磁介质对磁场的影响相对磁导率相对磁导率相对磁导率相对磁导率:实验发现：有、无磁介质的实验发现：有、无磁介质的螺线管内磁感应强度螺线管内磁感应强度 B 和和 B0 不相不相等，但它们的比值表征磁介质本等，但它们的比值表征磁介质本身的性质。身的性质。如铁、钴、镍等如铁、钴、镍等强强磁介质磁介质弱弱磁介质磁介质顺磁质顺磁质顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质抗磁质抗磁质铁磁质铁磁质铁磁质铁磁质 磁化电流与附加磁场磁化电流与附加磁场磁化在宏观上表现为：磁介质磁化在宏观上表现为：磁介质表面产生一种表面产生一种束缚束缚在介质内部的等在介质内部的等效电流效电流磁化（面）电流磁化（面）电流磁化（面）电流磁化（面）电流，或，或束缚（面）电流束缚（面）电流束缚（面）电流束缚（面）电流。（附加磁场附加磁场附加磁场附加磁场）（外磁场外磁场外磁场外磁场）总磁场：总磁场：14-2 14-2 原子的磁矩原子的磁矩Atomic Magnetic Moment总之，原子中每一个电子总之，原子中每一个电子的运动（包括自旋）都产生一的运动（包括自旋）都产生一个磁矩，它的方向总是与电子个磁矩，它的方向总是与电子的角动量反向。的角动量反向。原子中原子中原子中原子中电子的磁矩电子的磁矩轨道角动量轨道角动量电子绕原子核作圆周运动，等效电子绕原子核作圆周运动，等效于有圆电流于有圆电流 ，有磁矩：，有磁矩：自旋磁矩自旋磁矩自旋自旋自旋自旋角动量角动量轨道磁矩轨道磁矩由原子组成的分子，其中所有的电子磁矩的矢量和构成由原子组成的分子，其中所有的电子磁矩的矢量和构成了分子的了分子的固有磁矩固有磁矩固有磁矩固有磁矩。（电子和核的自旋磁矩可忽略）。（电子和核的自旋磁矩可忽略）分子固有磁矩分子固有磁矩正常情况下，固有磁矩为零的分子组成的物质就是正常情况下，固有磁矩为零的分子组成的物质就是抗磁抗磁抗磁抗磁质质质质。固有磁矩不为零的分子组成的物质就是。固有磁矩不为零的分子组成的物质就是顺磁质顺磁质顺磁质顺磁质。铁磁质铁磁质铁磁质铁磁质是顺磁质的一种特例。是顺磁质的一种特例。固有磁矩在外磁场中，会受到磁场的力矩作用：固有磁矩在外磁场中，会受到磁场的力矩作用：14-3 14-3 磁介质的磁化磁介质的磁化Magnetization of Magnetic Media 感生磁矩感生磁矩1.1.磁化的微观机制磁化的微观机制在外磁场作用下，电子的轨道运在外磁场作用下，电子的轨道运动和自旋运动都会发生变化，变化的动和自旋运动都会发生变化，变化的结果是这个电子在磁场结果是这个电子在磁场 的的反方向反方向产产生一个生一个附加磁矩附加磁矩 。（是物质本身抵。（是物质本身抵抗被磁化的一种属性）抗被磁化的一种属性）每个电子的附加磁矩的总和，就构成了分子在被磁化每个电子的附加磁矩的总和，就构成了分子在被磁化时的时的感生磁矩感生磁矩感生磁矩感生磁矩。感生磁矩的方向总是与磁场方向相反。感生磁矩的方向总是与磁场方向相反。不论是抗磁质还是顺磁质，感生磁矩是不论是抗磁质还是顺磁质，感生磁矩是普遍存在普遍存在的。的。外磁场外磁场 感生磁矩感生磁矩 抗磁质的磁化抗磁质的磁化抗磁质分子的固有磁矩等于零。抗磁质分子的固有磁矩等于零。无无外磁场时：宏观不显磁性。外磁场时：宏观不显磁性。有有外磁场时：在外磁场作用下，产生感外磁场时：在外磁场作用下，产生感生磁矩生磁矩 。附加磁场附加磁场分子感生磁矩在宏观上形成束缚电分子感生磁矩在宏观上形成束缚电流流 ，它产生附加磁场，它产生附加磁场 。有序排列的分子磁矩，在宏观上形成有序排列的分子磁矩，在宏观上形成束缚电流束缚电流 ，它产生附加磁场，它产生附加磁场 ，顺磁质的磁化顺磁质的磁化 固有磁矩固有磁矩外磁场外磁场附加磁场附加磁场无无外磁场时：分子固有磁矩外磁场时：分子固有磁矩无规则无规则排列。排列。宏观上不显磁性。宏观上不显磁性。有有外磁场时：分子固有磁矩在磁场作外磁场时：分子固有磁矩在磁场作用下向磁场方向偏转。用下向磁场方向偏转。（无序（无序有序）有序）顺磁质分子的固有磁矩不为零。顺磁质分子的固有磁矩不为零。说明说明：抗磁效应普遍存在抗磁效应普遍存在。顺磁质中也有，只是顺磁质的。顺磁质中也有，只是顺磁质的磁化效应大于抗磁效应，宏观就表现为顺磁性。磁化效应大于抗磁效应，宏观就表现为顺磁性。铁磁质铁磁质的磁化机制类似于顺磁质。铁磁质中存在一的磁化机制类似于顺磁质。铁磁质中存在一种天然磁化单元种天然磁化单元磁畴磁畴磁畴磁畴（在一个微观较大的区域（在一个微观较大的区域里分子固有磁矩里分子固有磁矩同向同向排列）。在外磁场的作用使磁排列）。在外磁场的作用使磁畴的排列趋向于磁场方向，由于有序性很强，宏观畴的排列趋向于磁场方向，由于有序性很强，宏观上表现强磁化。上表现强磁化。磁化强度磁化强度在磁介质中任取一宏观小、微观大的体积在磁介质中任取一宏观小、微观大的体积 ，设，设 表示表示 内所有分子磁矩（感生、固有）的矢量和，内所有分子磁矩（感生、固有）的矢量和，则磁化强度定义为：则磁化强度定义为：理论上可以证明：理论上可以证明：束缚面电流密度与磁化强度的关系为：束缚面电流密度与磁化强度的关系为：实验证明：实验证明：均匀、各向同性的弱磁介质均匀、各向同性的弱磁介质被磁化时，有被磁化时，有 ，或，或 磁化场强度的环流等于与回路磁化场强度的环流等于与回路 相套的束缚电流的电流相套的束缚电流的电流强度强度 ：14-4 14-4 H 的的环路定理环路定理Circuital Theorem for H把安培环路定理应用到有磁介质的情况中，把安培环路定理应用到有磁介质的情况中，有有引入引入磁场强度磁场强度磁场强度磁场强度得得 的环路定理的环路定理的环路定理的环路定理于是于是有有定理定理定理定理：沿任一闭沿任一闭合路径磁场强度的环合路径磁场强度的环路积分等于与该闭合路积分等于与该闭合路径相套的自由电流路径相套的自由电流的代数和。的代数和。自由电流自由电流束缚电流束缚电流对对均匀、各向同性均匀、各向同性的磁介质的磁介质：磁导率磁导率磁导率磁导率：磁场强度磁场强度 是一个辅助量，它本身无物理意义。是一个辅助量，它本身无物理意义。与与 类似类似 利用利用 的环路定理可以在有对称性的情况下，求出的环路定理可以在有对称性的情况下，求出 ；进而；进而求出求出 的分布（均匀、各向同性介质的分布（均匀、各向同性介质 ）。）。例例1 计算均匀密绕、充满磁导率为计算均匀密绕、充满磁导率为 mr的均匀各向同性磁介质的的均匀各向同性磁介质的环形螺线管内部的磁场强度、磁感应强度、介质的磁化强度和磁化面电环形螺线管内部的磁场强度、磁感应强度、介质的磁化强度和磁化面电流密度。已知流密度。已知传到传到电流为电流为 I，单位长度绕有线单位长度绕有线圈圈 n 匝。匝。解：因介质充满环体，磁场（解：因介质充满环体，磁场（和和 ）的）的分布同无磁介质时相同。分布同无磁介质时相同。取与环同心的回路取与环同心的回路 L，利用，利用 的环路定理，有的环路定理，有如果磁介质为顺磁质，如果磁介质为顺磁质，如果磁介质为抗磁质，如果磁介质为抗磁质，表示表示 ；表示表示 。利用利用 ，解得解得（方向如图所示，方向如图所示，的方向与的方向与 相同）相同）14-5 14-5 铁铁 磁磁 质质Ferromagnetic Material 软磁材料软磁材料 小（纯铁、硅钢、小（纯铁、硅钢、坡莫合金等）坡莫合金等）硬磁材料硬磁材料 大（碳钢、钨钢、大（碳钢、钨钢、铝镍钴合金等）铝镍钴合金等）铁磁质的磁化特性铁磁质的磁化特性传导传导电流电流 饱和饱和起始磁化起始磁化 磁滞现象磁滞现象(B B的变化总是落后的变化总是落后H H的变化的现象的变化的现象)剩磁剩磁矫顽力矫顽力变压器铁芯变压器铁芯磁记录、磁记录、永磁体永磁体SSORCCR磁滞回线磁滞回线铁磁质在交变磁场中被磁化时，由于内部分子（磁畴）铁磁质在交变磁场中被磁化时，由于内部分子（磁畴）的反复运动，引起铁心发热而带来能量的损耗。的反复运动，引起铁心发热而带来能量的损耗。它是由磁它是由磁滞现象引起的。滞现象引起的。居里点居里点当当 时，铁磁质的铁磁特性消失，成为顺磁质。时，铁磁质的铁磁特性消失，成为顺磁质。铁磁材料存在一个特定的温度铁磁材料存在一个特定的温度居里点居里点居里点居里点 磁滞损耗磁滞损耗Fe：1040K，Co：1390K，Ni：630K。磁化一个周期所产生的热量正比于磁滞回线的面积。磁化一个周期所产生的热量正比于磁滞回线的面积。本本章结束章结束The End of This Chapter