大学物理(7.6.1)--磁介质及磁化微观机制
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第六章 磁介质(magnetic medium)
B第六章 磁介质（magnetic medium ）[基本要求]1、理解三种磁介质磁化的微观机制和束缚电流的产生，了解磁化强度的意义。
2、理解磁场强度的定义及磁场强度的环路定理的意义并能利用它们求解有磁介质存在时具有一定对称性的磁场的问题。
3、了解铁磁介质的特性。
4、掌握磁场的边界条件，会计算简单的磁路问题。
5、理解磁场能量的概念和磁场能量密度公式。
[重点难点]1、磁化强度矢量M 和磁导率μ是本章的重要物理量，掌握M与磁化电流的关系；深刻理解磁场强度H的意义，掌握有磁介质时的安培环路定理，并会用该定理计算某些特殊情况下磁介质中的磁场分布。
明确B ，H ，M三者的联系和区别。
2、掌握磁场的边界条件。
3、明确磁场作为物质存在的一种形态，具有能量。
[教学内容]§1 分子电流观点 一、磁介质的磁化 磁化强度矢量M及其与磁化电流的关系1、 有关磁介质磁化理论的两种观点： 1） 磁荷观点2） 分子电流观点：即安培的分子环流假说例：软铁棒：分子是一个复杂的带电系统。
一个分子有一个等效电流i , 即称分子环流。
a)无外磁场时一般由于分子的热运动,各分子环流的取向完全是混乱的。
b)有外磁场时在外磁场的力矩作用下，分子环流的取向会发生转向, 在一定程度上沿着场的方向排列，这就是软磁棒的“磁化”。
外磁场越强,转向排列越整齐。
c)结果：当介质均匀时由于分环流的回绕方向一致，在内MBdlP mP mPi π r 2M θdl BidlS dI ’部任何两个分子环流中相邻的那一对电流元回绕方向总是彼此相反，相互抵消。
即在宏观上，这横截面内所有分子环流的总体与沿截面边缘的一个大环形电流等效，就象是一个由磁化电流组成的“螺线管”，它在棒内的方向与外磁化场一致，则增加了原磁场。
2、磁化强度矢量：磁化的强弱还可以用磁化强度来描述。
定义磁化强度：单位体积内分子磁矩的矢量和。
V m M ∆≡∑分子（∆V −−宏观小、微观大）单位：安每米（A/m ）3. 磁化电流与磁化强度的关系在磁介质内取一宏观体积元，分子看成完全一样的电流环，即环具有同样的面积a 和取向，则介质中的磁化强度为a nI VmM=∆≡∑分子任取一微小矢量元ld ,它与B 的夹角为θ，则与l d 套住的分子电流的中心都是位于以ld 为轴、以a 为底面积的小柱体内。
《大学物理》课程教学大纲
《大学物理》课程教学大纲一、课程基本信息总学时136学时，讲课102学时，习题讨论课26学时，演示实验8三、课程教学的有关说明1、本课程课内外学时比例：1:2；平均周学时：4。
2、本课程是公共基础课，分连续两个学期完成。
3、在教学中注意把传统教学手段和现代化教学手段相结合，充分利用现代化教学手段进行教学。
四、对于能力培养的基本要求通过大学物理课程教学,应注意培养学生以下能力：1.独立获取知识的能力——逐步掌握科学的学习方法，阅读并理解相当于大学物理水平的物理类教材、参考书和科技文献，不断地扩展知识面，增强独立思考的能力，更新知识结构；能够写出条理清晰的读书笔记、小结或小论文。
2.科学观察和思维的能力——运用物理学的基本理论和基本观点，通过观察、分析、综合、演绎、归纳、科学抽象、类比联想、实验等方法培养学生发现问题和提出问题的能力，并对所涉问题有一定深度的理解，判断研究结果的合理性。
3．分析问题和解决问题的能力——根据物理问题的特征、性质以及实际情况，抓住主要矛盾，进行合理的简化，建立相应的物理模型，并用物理语言和基本数学方法进行描述，运用所学的物理理论和研究方法进行分析、研究。
五、对于素质培养的基本要求通过大学物理课程教学,应注重培养学生以下素质：1.求实精神——通过大学物理课程教学，培养学生追求真理的勇气、严谨求实的科学态度和刻苦钻研的作风。
2.创新意识——通过学习物理学的研究方法、物理学的发展历史以及物理学家的成长经历等，引导学生树立科学的世界观，激发学生的求知热情、探索精神、创新欲望，以及敢于向旧观念挑战的精神。
3.科学美感——引导学生认识物理学所具有的明快简洁、均衡对称、奇异相对、和谐统一等美学特征，培养学生的科学审美观，使学生学会用美学的观点欣赏和发掘科学的内在规律，逐步增强认识和掌握自然科学规律的自主能力。
六、教学内容及基本要求模块1力学:第一单元质点运动学第一讲质点运动的描述，第二讲圆周运动与一般平面曲线运动，第三讲相对运动基本要求：1、质点运动的描述(1)掌握：位矢、位移、速度、加速度等物理量的定义及表达式，能够从已知的运动方程求导得到速度、加速度；同时能够从已知的速度或加速度积分得出运动方程。
磁介质的磁化规律和机理-PPT精品文档
磁介质的磁化规律和机理
张炜
磁介质的分类
磁介质大体分为3类:
顺磁质 抗磁质 铁磁质
r m 1
磁 质 :m 0 r 1 r 1 顺 磁 质 :m 0 r 1 r 1 抗 2 3 铁 磁 质 : 0 1 (10 ~10 ) m r
c
R
C
Hc
O
R'
C'
Hபைடு நூலகம்
S'
局部的小磁滞回线
局部的小磁滞回线到处可以产生
B
H
去磁过程
B
H
d N SB dt 电 源 抵 抗 感 应 电 动 势 作 功 ： d d A I 0 d t I 0 d t I0d dt H dA N S d B S lH d B V H d B N /l 单 位 体 积 铁 芯 ， 电 源 作 功 为 ： dA da H dB V a
B0
抗磁质的磁化机制
每个分子无固有磁矩;(相互抵消) 在外场作用下,感生磁矩都与外场方向相反. 顺磁质: 抗磁效应比顺磁效应小被掩盖. 0 B B
0 0
+
V
-
+
V
-
m
f
m
0
f
超导体的迈斯纳效应
超导体的基本特性： 在低于特定温度Tc(转变温度),电阻为零; 完全抗磁(迈斯纳效应). 抗磁效应机制: 表面的超导电流产生的附加磁场将体内磁场完全 抵消.
i B
M B
I0
0
H
H nI 0
起始磁化曲线
饱和磁化强度Ms
B M H 0
张炜
磁介质的分类
磁介质大体分为3类:
顺磁质 抗磁质 铁磁质
r m 1
磁 质 :m 0 r 1 r 1 顺 磁 质 :m 0 r 1 r 1 抗 2 3 铁 磁 质 : 0 1 (10 ~10 ) m r
c
R
C
Hc
O
R'
C'
Hபைடு நூலகம்
S'
局部的小磁滞回线
局部的小磁滞回线到处可以产生
B
H
去磁过程
B
H
d N SB dt 电 源 抵 抗 感 应 电 动 势 作 功 ： d d A I 0 d t I 0 d t I0d dt H dA N S d B S lH d B V H d B N /l 单 位 体 积 铁 芯 ， 电 源 作 功 为 ： dA da H dB V a
B0
抗磁质的磁化机制
每个分子无固有磁矩;(相互抵消) 在外场作用下,感生磁矩都与外场方向相反. 顺磁质: 抗磁效应比顺磁效应小被掩盖. 0 B B
0 0
+
V
-
+
V
-
m
f
m
0
f
超导体的迈斯纳效应
超导体的基本特性： 在低于特定温度Tc(转变温度),电阻为零; 完全抗磁(迈斯纳效应). 抗磁效应机制: 表面的超导电流产生的附加磁场将体内磁场完全 抵消.
i B
M B
I0
0
H
H nI 0
起始磁化曲线
饱和磁化强度Ms
B M H 0
《大学物理》电磁学 磁介质
磁介质： 凡处于磁场中与磁场发生作用的物质都称为磁介质 磁化电流： 磁介质物质分子中的原子核和电子都在运动， 它们受到外磁场的作用力要改变运动状态， 其结果是使磁介质中出现宏观的电流——磁化电流 磁化： 磁介质响应外磁场而产生磁化电流的过程——磁化 磁介质应用： 制造磁芯材料作为功率器件应用于发电和电机等领域 制造信息存储器件如磁带、磁盘等
所以，一个分子的磁矩应是
所有电子轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和， 称为分子的固有磁矩，简称分子磁矩 实验发现：有些介质的分子磁矩为零 例如 惰性气体分子以及 H2O、Cu、Ag 等分子 还有一些介质的分子磁矩不为零 例如 N2、Cl2，Al、Mn 等分子
抗磁质： B
Bo
若磁介质的分子磁矩为零 未加磁场，宏观不现磁性
L L
(
L
B
加外磁场，在外磁场作用下 介质中的每个分子的电子 因发生进动产生感应磁矩， 产生的附加磁场方向与 外磁场方向相反 故削弱了外磁场
Bo
顺磁质：
B Bo
Bo
若磁介质的分子磁矩不为零
在未加外磁场时， 由于各个分子磁矩的方向 是完全混乱的，彼此抵消， 宏观上不产生磁效应。
加上外磁场后，
分子磁矩将不同程度地沿着 外磁场方向排列起来，
电子绕核运动——轨道运动 当电子以速率 v 在半径为
r 的圆周上绕核旋转时，
犹如原子中存在一个闭合的小圆电流
小圆电流可用磁矩来描述，
记作
Pl
Pl
ve I 2r
是电子作轨道运动产生的磁矩 ——电子轨道磁矩
ˆ Pl ISn
S r
2
ve 1 2 Pl r evr 2r 2
等于磁化强度的量值
【大学物理】第五讲 磁介质的磁化
§2.5 磁介质的磁化
一、磁介质磁化机理
在磁场作用下，其内部发生变化，并反 过来影响原磁场分布的物质。 -----磁介质
1、物质磁性的概述
B B0 B'
磁介质中的 总磁感强度
真空中的 磁感强度
介质磁化后的 附加磁感强度
1
顺磁质 B B 0（铝、氧、锰等） 弱磁质
抗磁质 铁磁质
B
B
B0（铜、铋、氢等） B0（铁、钴、镍等）
总磁矩
m分子 Is S s Sl
M
m分子 V
s Sl
Sl
s
三、有磁介质存在时的安培环路定理
n
无磁介质时
B dl
l
0
Ii
i 1
有磁介质时
M
Is I
A
B
DlC
M l
dl
MAB sl
Bdl l
0
I 0 sl
B
l
0
M dl
I
Bdl l
0
I 0
M dl
向都相同，则表明该磁介质被均匀磁化。
5
2、 磁化电流
磁化电流
B
磁介质内部各处的分子电流总是方向相反， 相互抵消，只有在边缘上形成近似环形电流，这个 电流称为磁化电流。
3、磁化强度和磁化电流的关系
磁化面电流
设介质表面沿轴线方向单位长度上的磁化电
流为 s（磁化电流面密度），则长为l 的一段介 质上的磁化电流强度IS为 Is sl
强磁质
2. 顺磁质和抗磁质的磁化
物质是有分子或原子组成，包含的每 个电子都同时参与两种运动。
轨道运动 自旋运动
分子固有磁矩
轨道磁矩 自旋磁矩 分子圆电流和磁矩
一、磁介质磁化机理
在磁场作用下，其内部发生变化，并反 过来影响原磁场分布的物质。 -----磁介质
1、物质磁性的概述
B B0 B'
磁介质中的 总磁感强度
真空中的 磁感强度
介质磁化后的 附加磁感强度
1
顺磁质 B B 0（铝、氧、锰等） 弱磁质
抗磁质 铁磁质
B
B
B0（铜、铋、氢等） B0（铁、钴、镍等）
总磁矩
m分子 Is S s Sl
M
m分子 V
s Sl
Sl
s
三、有磁介质存在时的安培环路定理
n
无磁介质时
B dl
l
0
Ii
i 1
有磁介质时
M
Is I
A
B
DlC
M l
dl
MAB sl
Bdl l
0
I 0 sl
B
l
0
M dl
I
Bdl l
0
I 0
M dl
向都相同，则表明该磁介质被均匀磁化。
5
2、 磁化电流
磁化电流
B
磁介质内部各处的分子电流总是方向相反， 相互抵消，只有在边缘上形成近似环形电流，这个 电流称为磁化电流。
3、磁化强度和磁化电流的关系
磁化面电流
设介质表面沿轴线方向单位长度上的磁化电
流为 s（磁化电流面密度），则长为l 的一段介 质上的磁化电流强度IS为 Is sl
强磁质
2. 顺磁质和抗磁质的磁化
物质是有分子或原子组成，包含的每 个电子都同时参与两种运动。
轨道运动 自旋运动
分子固有磁矩
轨道磁矩 自旋磁矩 分子圆电流和磁矩
大学物理第章磁介质的磁化
磁畴的形成与磁畴结构
磁畴定义
磁畴是材料内部自发磁化的区 域，不同磁畴的磁化方向不同 。
磁畴形成
温度降低时，原子磁矩的取向 由无序变为有序，形成磁畴。
磁畴结构
磁畴内部原子磁矩方向一致， 不同磁畴之间存在界面，称为 磁畴壁。
磁畴壁的移动与磁化过程
磁畴壁移动
在外部磁场作用下，磁畴壁会移动，使得材料整体磁 化。
磁介质的应用
磁介质在电力工业中的应 用
如变压器、发电机和电动机等设备的制造中 ，利用磁介质提高设备的效率和性能。
磁介质在电子工业中的应用
用于制造各种电子元件，如电磁铁、继电器、传感 器等，起到关键的磁场调控作用。
磁介质在医疗领域的应用
如核磁共振成像技术中，利用磁介质产生的 强磁场，实现对人体内部结构的无损检测。
80%
测量注意事项
在测量过程中需要确保测量环境 没有其他干扰磁场，同时需要多 次测量取平均值以保证测量结果 的准确性。
03
磁化机制
原子磁矩与分子磁矩
原子磁矩
原子中的电子绕核运动产生轨道磁矩， 电子自旋产生自旋磁矩，两者共同构 成原子磁矩。
分子磁矩
分子由原子构成，分子磁矩由分子中 所有原子的轨道磁矩和自旋磁矩共同 贡献。
磁化过程
随着外部磁场增强，磁畴壁逐渐缩小，最终材料完全 磁化。
磁滞现象
当外部磁场变化时，材料的磁化状态不会立即跟随变 化，存在滞后现象。
04
磁化曲线与磁滞回线
磁化曲线的定义与测量
磁化曲线的定义
表示磁介质在磁场中被磁化时，其磁 化强度M与磁场强度H之间关系的曲 线。
磁化曲线的测量
通常采用磁强计或特斯拉计进行测量 ，通过测量不同磁场强度下的磁化强 度，绘制出磁化曲线。
磁场中的磁介质
2 . 磁化曲线（ H—B曲线）
（1）弱磁质（顺磁质、 （2）铁磁质， r 是变量。
抗磁质）， r 为常量。
B H—B曲线斜率： tg 0 r H
Bm是饱和磁感应强度
3. 铁磁向顺磁质的转化 当温度达到一定时，铁磁质转变为顺磁质。 这一温度被称为“居里点”。
二、铁磁质的磁化过程与磁滞回线
dt
B
pm
L
p m M
L
进动附加的进动角动量 L 是与 B0 的方向一致的。与这一进
动相应的磁矩 p m ，称感应磁矩，它是 B0 与反向的。 反向磁矩对应的磁场使介质内 B B B B 0 0 部磁场减弱。 虽然顺磁质分子也会产生感应磁矩,但由于它远小于 固有磁矩（相差五个数量级）,所以顺磁质中主要是固有 磁矩起作用。
B0
I
I
B
I
I
B r B0
r ……该磁介质的相对磁导率
磁介质的分类
铝
2 磁介质磁化的微观机制 分子磁矩 分子是一个复杂的带电系统。原子 Pm 中电子参与两种运动：自旋及绕核 i 的轨道运动，对应有轨道磁矩和自 旋磁矩。一个分子对应一个等效电 S 流i , 相应有一个 分子等效磁矩。 pm 是各个的电子轨道磁矩、电子 p m is 自旋磁矩、原子核磁矩的总和。 分子电流所对应的磁矩在外磁场中的行为决定介质 的特性。
顺磁质 : B B0 B B0
抗磁质 : B B0 B B0
磁化电流
' B B0 B
2. 磁化强度与磁化电流
（1）磁化强度
Σpm
M=
Σ pm +Σ Δ pm
大学物理恒定磁场中的磁介质解读
B
Br
Hc
b
f o Hc
a
c e
H
Br
d
铁磁质中μ 随H 的变化曲线
磁滞回线
二、铁磁质的分类 铁 磁 质 矩磁材料 1）软磁材料 —— 磁滞回线窄、矫顽力小的材料。 软磁材料 硬磁材料
如电工纯铁、硅钢片，铁氧体等。广泛应用于变压器，互 感器，接触器，继电器等的铁心。
2）硬磁材料 —— 磁滞回线宽、矫顽力大的材料。
第十四章 恒定磁场中的磁介质
本章的主要内容
1、磁介质磁化及其微观本质。
2、磁场强度 H及磁介质中的安培环路定理。
3、铁磁质的主要特性及其应用。
§14.1 磁介质的磁化
一、分子电流 磁化强度 1、磁介质: 在磁场的作用下性质发生变化并影响原磁场分布 的物质。 轨道磁矩 磁效应 分子 电子 等效圆电流 总和 自旋磁矩
O
R
r
§14.3 铁磁质
一、铁磁质的磁化规律 铁磁质是磁化性能很强，是性能特异，用途广泛的磁介质。 主要有∶铁、钴、镍等金属和它们的某些化合物。 铁磁质的磁化规律可用实验方法研究。
如图将铁磁质做成环状，外部绕以线圈，通入电流， 铁磁质被磁化，副线圈接冲击电流计，可测环中的磁感应 强度。
磁场强度为： H
m 0 r 1
m 1
m , r 不是常数,
用于制造永磁铁、磁电式仪表，电声换能元件，永磁电机， 指南针等。
3）矩磁材料 —— 剩磁大的软磁材料。 可用作记忆元件，控制元件，开关元件。
三、磁畴 近代科学实验证明，铁磁质的磁性主要来源于电子自旋磁 矩。在无外磁场的时，铁磁质中电子自旋磁矩可以在小范围内 “自发地”排列起来，形成一个个小的“自发磁化区” — 磁 畴。 自发磁化的原因是由于 相邻原子中电子之间存在 着一种交换作用（一种量 子效应），使电子的磁矩 平行排列起来而达到自发 磁化的饱和状态 当存在外磁场时， 在外场的作用下磁畴的 取向与外磁场一致，显 现一定的磁性。
Br
Hc
b
f o Hc
a
c e
H
Br
d
铁磁质中μ 随H 的变化曲线
磁滞回线
二、铁磁质的分类 铁 磁 质 矩磁材料 1）软磁材料 —— 磁滞回线窄、矫顽力小的材料。 软磁材料 硬磁材料
如电工纯铁、硅钢片，铁氧体等。广泛应用于变压器，互 感器，接触器，继电器等的铁心。
2）硬磁材料 —— 磁滞回线宽、矫顽力大的材料。
第十四章 恒定磁场中的磁介质
本章的主要内容
1、磁介质磁化及其微观本质。
2、磁场强度 H及磁介质中的安培环路定理。
3、铁磁质的主要特性及其应用。
§14.1 磁介质的磁化
一、分子电流 磁化强度 1、磁介质: 在磁场的作用下性质发生变化并影响原磁场分布 的物质。 轨道磁矩 磁效应 分子 电子 等效圆电流 总和 自旋磁矩
O
R
r
§14.3 铁磁质
一、铁磁质的磁化规律 铁磁质是磁化性能很强，是性能特异，用途广泛的磁介质。 主要有∶铁、钴、镍等金属和它们的某些化合物。 铁磁质的磁化规律可用实验方法研究。
如图将铁磁质做成环状，外部绕以线圈，通入电流， 铁磁质被磁化，副线圈接冲击电流计，可测环中的磁感应 强度。
磁场强度为： H
m 0 r 1
m 1
m , r 不是常数,
用于制造永磁铁、磁电式仪表，电声换能元件，永磁电机， 指南针等。
3）矩磁材料 —— 剩磁大的软磁材料。 可用作记忆元件，控制元件，开关元件。
三、磁畴 近代科学实验证明，铁磁质的磁性主要来源于电子自旋磁 矩。在无外磁场的时，铁磁质中电子自旋磁矩可以在小范围内 “自发地”排列起来，形成一个个小的“自发磁化区” — 磁 畴。 自发磁化的原因是由于 相邻原子中电子之间存在 着一种交换作用（一种量 子效应），使电子的磁矩 平行排列起来而达到自发 磁化的饱和状态 当存在外磁场时， 在外场的作用下磁畴的 取向与外磁场一致，显 现一定的磁性。
磁介质
- --
++ + +
V
定义：介质中某一点的磁化强度矢量等于这 一点处单位体积的分子磁矩的矢量和。
回顾电极化强度
极化前 , p
i
任何电介质中，任一体积元内
分
0
极化后, p
i
分
0
1、定义
P
Pe V
库仑 单位： 2 米
Pe -
一般情况: P P( x, y, z)
磁介质的磁化的宏观效果
磁介质在外磁场的作用下,产生磁化现象, 出现磁化电流 i '
' 产生附加磁场 B 影响原磁场 B 0
磁介质
B0
有磁介质存在时的磁场: B B0 B
B ' 的方向，随磁介质的不同而不同。
有电介质存在时的静电场
导体在外电场的作用下,产生极化
现象, 出现极化电荷 q
电流集中分布在无厚度的面上
l
定义面电流密度
方向:与电流流动方向一致 面电流 与 大小: 垂直的单位长度上的电流
I l
2、磁化强度与磁感应强度的关系
当磁介质置于外磁场 B0中,产生磁化
1).引入
现象,显然外磁场越强,磁化程度越高 磁化由外磁场引起,但磁化强度并不 仅由外电场 B 决定 ? 当磁介质置于 外磁场 B 中
如何研究电介质的极化？ 思 路：
对电介质的电结构作出 简化假设，建立模型 提出极化现象的 微观机制
电偶极子
确立描绘极化 的相关物理量
寻找极化相关规律
二、磁介质磁化的微观机制
1、分子电流和分子磁矩 分子电流--每个分子中电子运动 所产生的磁效应 的等效电流。 分子磁矩--分子电流所产生的磁矩， 又称为固有磁矩 pm 根据物质结构理论,分子中的电子绕核运动, 同时又自旋。这两种运动都产生磁效应。 把分子看作一个整体，分子中各个电子对 外产生的磁效应的总和可用一个圆电流来 等效。这个等效的圆电流称为分子电流,相 应的磁矩pm称为分子的固有磁矩。
【大学物理】第五讲 磁介质的磁化
向都相同，则表明该磁介质被均匀磁化。
5
2、 磁化电流
磁化电流
B
磁介质内部各处的分子电流总是方向相反， 相互抵消，只有在边缘上形成近似环形电流，这个 电流称为磁化电流。
3、磁化强度和磁化电流的关系
磁化面电流
设介质表面沿轴线方向单位长度上的磁化电
流为 s（磁化电流面密度），则长为l 的一段介 质上的磁化电流强度IS为 Is sl
2πdH 0, H 0
B H 0
同理可求 d r， B 0
11
2πdH I
I
r
d
I
R
r
＊四、 铁磁质
当外磁场由 Hm 逐渐减小时，这种 B 的变化落后于H的变 化的现象，叫做磁滞 现象 ，简称磁滞。
由于磁滞，H 0 时，磁感强度 B 0 ，Br叫做剩余磁感强 度(剩磁)。
12
B
l
8
磁场强度
H
B
M
0
磁介质中的安培环路定理
B 0r H H
l H dl I
各向同性磁介质 M m H m ：磁化率
H
B
0
M
B
0
mH
B 0 (1 m )H
相对磁导率 r 1 m
1 顺磁质
磁导率 0r
r 1 抗磁质 1 铁磁质
（非常数）
9
例题 2-10 有两个半径分别为 R 和 r 的“无
Bm Q
P
Hm Br
H
O
Hm
Hc
P'
Bm
磁滞回线
矫顽力 Hc
不同铁磁性物质的磁滞回线形状相差很大。
B
OH
B
O
H
B
5
2、 磁化电流
磁化电流
B
磁介质内部各处的分子电流总是方向相反， 相互抵消，只有在边缘上形成近似环形电流，这个 电流称为磁化电流。
3、磁化强度和磁化电流的关系
磁化面电流
设介质表面沿轴线方向单位长度上的磁化电
流为 s（磁化电流面密度），则长为l 的一段介 质上的磁化电流强度IS为 Is sl
2πdH 0, H 0
B H 0
同理可求 d r， B 0
11
2πdH I
I
r
d
I
R
r
＊四、 铁磁质
当外磁场由 Hm 逐渐减小时，这种 B 的变化落后于H的变 化的现象，叫做磁滞 现象 ，简称磁滞。
由于磁滞，H 0 时，磁感强度 B 0 ，Br叫做剩余磁感强 度(剩磁)。
12
B
l
8
磁场强度
H
B
M
0
磁介质中的安培环路定理
B 0r H H
l H dl I
各向同性磁介质 M m H m ：磁化率
H
B
0
M
B
0
mH
B 0 (1 m )H
相对磁导率 r 1 m
1 顺磁质
磁导率 0r
r 1 抗磁质 1 铁磁质
（非常数）
9
例题 2-10 有两个半径分别为 R 和 r 的“无
Bm Q
P
Hm Br
H
O
Hm
Hc
P'
Bm
磁滞回线
矫顽力 Hc
不同铁磁性物质的磁滞回线形状相差很大。
B
OH
B
O
H
B
大学物理15 磁介质的磁化
居里
26
4. 铁磁质的应用 (15-2)
作变压器的软磁材料。
B
纯铁，硅钢坡莫合金(Fe，Ni)，铁氧体等。 Hc
r大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。
饱和磁感应强度大，矫顽力(Hc)小，磁滞 回线的面积窄而长，损耗小。
Hc
H
用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。
作永久磁铁的硬磁材料
箭头表示 磁化方向
0.1mm
22
单晶磁畴结构 示意图
多晶磁畴结构 示意图
23
2. 铁磁质的磁化
(1)未加磁场时 ·各磁畴取向混乱 ·铁磁质宏观不显磁性
未加磁场
24
(2)加外磁场后 ·磁畴转向 ·磁畴体积变化
(磁矩和B0方向相近
的磁畴体积增大，和
B0方向夹角大的磁畴
体积减小)
·结果：铁磁质磁化
在磁场 B 中
H
B
MLeabharlann 0B 0H 0M
实验证明：对于各向同性的介质，在磁介质中
任意一点磁化强度和磁场强度成正比。
磁化率
相对磁导率
M
mH
B 0 (1 m )H
令r 1 m
B 0r H H （磁导率 =0 r）
值得注意： H的引入为研究介质中的磁场
M dl
(
B
M ) dl
0
B dl 0 ( I0 M
I0
定义磁场强度
H
dl )
B
M
0
H dl I0
磁介质中的安培环路定理：磁场强度沿任意闭 合路径的线积分等于穿过该路径的所有传导电流的 代数和，而与磁化电流无关。
大学物理磁介质(老师课件)
2）硬磁材料
HC — 104～106 A/m
特点：剩余磁感应强度大 矫顽力大 不容易磁化 也不容易退磁 剩磁性强 磁滞回线宽 磁滞损耗大 应用： 适合制作永久磁铁 永磁喇叭 用于拾音器、扩音 器、麦克风、收录 音机等 B
H
3）矩磁材料： 特点：磁滞回线呈矩形状
应用：作计算机中的记忆元件 磁化时极 性的反转构成了“0”与“1”
二、铁磁质的磁化
三、铁磁性材料的分类
四、磁致伸缩
一、 铁磁质的宏观性质
1. r 1 可使原场大幅度增加 B r B 0 0 r H
2. r与磁化历史（H)有关，不是常数。 B—H和r—H曲线是非线性关系 3. 磁滞现象----B的变化落后 B (B T) 于H 的变化 4. 居里温度----铁磁性 消失的临界温度
B H
四、磁致伸缩 B变 M 磁畴方向改变 晶格间距改变
铁磁体长度和体积改变— 磁致伸缩
长度相对改变约10-5量级 温下可达10 -1
某些材料在低
磁致伸缩有一定固有频率 当外磁场变 化频率和固有频率一致时 发生共振
可用于制作激振器、超声波发生器等
磁介质与电介质的比较
无磁荷 基本场量 B
4
取回路如图，设总匝数为N H dl H 2πr NI
L
O R1 r R2
NI nI H 2πr
细螺绕环
R1 R2 r
H nI B μ H μ nI
长直螺线管亦然
M ( μr 1) H ( μr 1)nI
j M 表
代入数据
M 7.9410 A/m
· 当T > Tc时，铁磁性消失， 铁磁质顺磁质
大学物理学-磁场中的介质
对应于每一种铁磁物质都有一个临界温度（居里点），超过这个温度，铁磁物
质就变成了顺磁物质。如铁的居里温度为1034K
大学物理学
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10.4 磁介质
4、磁畴---铁磁质的磁化理论
1）磁畴
铁磁质中原子磁矩自发高度有序排列的磁饱和小区。
磁畴
畴壁
量子理论指出：铁磁质中相邻原子由于电子轨道的交叠而产生一种“交换耦合效应”使原
铁磁性减小。
3.加反向磁场
加反向磁场，提供一个矫顽力Hc ，使铁磁质退磁。
4.加交变衰减的磁场
使介质中的磁场逐渐衰减为0，应用在录音机中的交流抹音磁头中。
大学物理学
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10.4 磁介质
4、铁磁质的分类及应用
B
O
B
H
O
B
O
H
软磁质
硬磁质
磁滞回线细长，剩
磁很小。
磁滞回线较粗，剩磁很大，这种
ර ⋅ dԦ = 0 ( + )
ර ⋅ dԦ = 0 + 0 ර ⋅ dԦ
ර ⋅ dԦ =
⇒
定义磁介质的磁场强度
B
H
M
0
ර ⋅ dԦ =
B
ර ( − ) ⋅ dԦ =
0
比较
ර ⋅ dԦ = 0
与电介质的类比
极化后
电介质
产生极化电荷
q
质就变成了顺磁物质。如铁的居里温度为1034K
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10.4 磁介质
4、磁畴---铁磁质的磁化理论
1）磁畴
铁磁质中原子磁矩自发高度有序排列的磁饱和小区。
磁畴
畴壁
量子理论指出：铁磁质中相邻原子由于电子轨道的交叠而产生一种“交换耦合效应”使原
铁磁性减小。
3.加反向磁场
加反向磁场，提供一个矫顽力Hc ，使铁磁质退磁。
4.加交变衰减的磁场
使介质中的磁场逐渐衰减为0，应用在录音机中的交流抹音磁头中。
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10.4 磁介质
4、铁磁质的分类及应用
B
O
B
H
O
B
O
H
软磁质
硬磁质
磁滞回线细长，剩
磁很小。
磁滞回线较粗，剩磁很大，这种
ර ⋅ dԦ = 0 ( + )
ර ⋅ dԦ = 0 + 0 ර ⋅ dԦ
ර ⋅ dԦ =
⇒
定义磁介质的磁场强度
B
H
M
0
ර ⋅ dԦ =
B
ර ( − ) ⋅ dԦ =
0
比较
ර ⋅ dԦ = 0
与电介质的类比
极化后
电介质
产生极化电荷
q
大学物理第15章磁介质的磁化
pm
B
旋及绕核的轨道运动，对应有轨道
磁矩和自旋磁矩。
I
用等效的分子电流的磁效应来
表示各个电子对外界磁效应的总合，
称为分子固有磁矩。
顺磁质： Pm
未加外磁场时:
V内，
Pm
0
抗磁质： Pm 0
类比：电介质的微观图象
不显磁性
有极分子、无极分子。
2). 顺磁质的磁化
加外磁场时: M Pm B
2）有剩磁，去磁要有矫顽力Hc 3）具有使铁磁质性质消失的“居里点”。
装置如图所示：将悬挂着的镍片移近永久 磁铁，即被吸住，说明镍片在室温下具有 铁磁性。用酒精灯加热镍片，当镍片的温 度升高到超过一定温度时，镍片不再被吸 引，在重力作用下摆回平衡位置，说明镍 片的铁磁性消失，变为顺磁性。移去酒精 灯，稍待片刻，镍片温度下降到居里点以 下恢复铁磁性，又被磁铁吸住。
2r3
0
d
l
0
H 0 B 0 (R2 r)
15.3 铁磁质
一 磁化规律
装置：螺绕环; 铁磁质
原理:励磁电流 I; H NI
用安培定理得H
2R
冲击电流计测量B
B r oH
铁磁质的 r 非线性；
起始磁化曲线；
磁饱和现象
B, r
B~H
r ~ H
H
起始磁化曲线；
饱和磁感应强度B S
磁滞回线--不可逆过程
式中N为螺绕环上线圈的总匝数。由对称性可知，在所取圆形 回路上各点的磁场强度的大小相等，方向都沿切线。
H 2r NI
当环内充满均匀介质时
H NI nI
2r
B H 0rH
B 0rnI
例：如图所示，一半径为R1的无限长圆柱体（导体 ≈0）中均
大物电磁学磁场中的磁介质 PPT
安培环路形状: 以载流体得轴线为圆心、半
径 r、且所围平面垂直轴
得圆周。
安培环路定理左边 H dl H 2 r
圆柱内 r R1
L
Iint
I1 R12
r2
I1 R12
r2
根据 H 得安培环路定理
H dl L
I int
有
H 2 r
I1 R12
r2
H1
I1
2 R12
r
(r R1)
大物电磁学磁场中的磁介质
磁介质对螺线管内得场有影响 其内总磁场就是:
Bo
B Bo B r B0
I
定义:
r
B Bo
相对磁导率
B
I
r不同得磁介质在磁场中所表现出得特性不同:
r 1→顺磁质 如:氧、铝、钨、铂、铬等。
分类
r 1 →抗磁质 如:氮、水、铜、银、金、铋等。
r 1 →铁磁质 如:铁、钴、镍等
l
V S l
更一般得证明为: j M en
即磁化电流密度等于磁化强度沿该表 面处得分量。
M
B
5、 磁化强度M与束缚电流 I ′得关系 en
L M dl
M l
j l
I
磁化强度M沿闭合回路得线积分等于 该回路包围得磁化电流代数与。
L l
j
×
nˆ
M
二、有介质时得高斯定理
介质中得磁感应强度: B B0 B
③ 理解与应用 路内总自由电流,路上总磁场强度
用 H 得环路定理求 H与前面所学得用 B 得环路定理求 B 得方法完全相同。
(同样得应用条件; 在相同载流体得情况下, 取同样得安培环路)
三、H 与 B 得相互关系
径 r、且所围平面垂直轴
得圆周。
安培环路定理左边 H dl H 2 r
圆柱内 r R1
L
Iint
I1 R12
r2
I1 R12
r2
根据 H 得安培环路定理
H dl L
I int
有
H 2 r
I1 R12
r2
H1
I1
2 R12
r
(r R1)
大物电磁学磁场中的磁介质
磁介质对螺线管内得场有影响 其内总磁场就是:
Bo
B Bo B r B0
I
定义:
r
B Bo
相对磁导率
B
I
r不同得磁介质在磁场中所表现出得特性不同:
r 1→顺磁质 如:氧、铝、钨、铂、铬等。
分类
r 1 →抗磁质 如:氮、水、铜、银、金、铋等。
r 1 →铁磁质 如:铁、钴、镍等
l
V S l
更一般得证明为: j M en
即磁化电流密度等于磁化强度沿该表 面处得分量。
M
B
5、 磁化强度M与束缚电流 I ′得关系 en
L M dl
M l
j l
I
磁化强度M沿闭合回路得线积分等于 该回路包围得磁化电流代数与。
L l
j
×
nˆ
M
二、有介质时得高斯定理
介质中得磁感应强度: B B0 B
③ 理解与应用 路内总自由电流,路上总磁场强度
用 H 得环路定理求 H与前面所学得用 B 得环路定理求 B 得方法完全相同。
(同样得应用条件; 在相同载流体得情况下, 取同样得安培环路)
三、H 与 B 得相互关系
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大学物理
B Bm
- H m Br
Q
O
Pﾢ
Hc - Bm
P
H
+ Hm
磁滞回线
I0 反ﾢﾢ向H反I0 ﾢ向ﾢﾢﾢ B ﾢ H � ﾢ ﾢ+ H反m向B ﾢ IB0 ﾢm�—ﾢ -H饱Hﾢm和ﾢ磁�B感ﾢB强但=度不- B按m 原路返
当反I0 向= 0反I0, ﾢ向Hﾢ = 0 时H回ﾢB =ﾢBr反ﾢ向0 B ﾢ B仍r—不剩按余原磁路感返强回度 反当向反 II00 =ﾢ向0ﾢ, H = 0H时ﾢ ﾢ BB=ﾢ-Br 当 H = HC 时 B = 0
等效磁i 矩
mv '
（结果是一样
的）
说明： 这种效应在顺磁质中也有，不过与分子固有磁矩的
转向效应相比弱得多。
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大学物理
三、铁磁质
1. 磁滞回线（ hysteresis loop ）
测
Φ
B
=
Φ S
测 I0 H = nI0
由此可得到 B ~ H 曲线 ：
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大学物理
第六讲 磁介质及磁化微观机制
理学院 物理系 ( 张建锋 )
大学物理
第六讲：磁介质及磁化微观机制
一、磁介质
。
1. 磁
v E=
介质
-
v E0 +
：是经磁化后能
Ev ﾢ
+ +
+
v E0
v Eﾢ=
v+ E0
er
<
v E0
够
影
响磁
Bv =
mr
场 分 布 的 物 质v
Bﾢ
如： Fe ， Co ， Ni
…
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大学物理
二、顺（抗）磁质磁化的微观机制
1.
顺磁质 特点：分子具有固有的分子磁矩 i
分
v Bv0 B0
（主要是电子轨道和自旋磁矩的贡献）
= 0 热运动使 m 分 完全混乱，不显磁性
S
分
ﾢ 0 固。有磁矩趋向外磁场方向 磁化 ( 束缚 )
大学物理
2. 分类（按矫顽力的大小分）
1 ） 硬磁材料 特点：一般 Hc 较大， Br 也大，磁滞显 适 合 制著作 永 磁 体
2 ）软磁材料 特点：一般 Hc 较小， Br 也小，磁滞损 适 于 制 作耗交少流 电 磁 铁 、 变 压 器 铁 芯 等
3 ）矩磁材料 。特点： 磁滞回线像矩形，有两个稳态
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大学物理
主要磁化过程为：
壁 移 （ 大 角 度 →小 角 度 ）
转向（磁畴方向与外场方向一致）
磁滞的解释：掺杂、内应力等对磁畴的钉扎作用。“畴 壁位移”和“磁矩取向”过程不可逆。
居里点：温度 T > TC 磁畴瓦解，铁磁质顺磁质。
磁致伸缩：畴壁位移和磁矩取向，改变晶格间距（体积 ）
I
v B0
vv
v
B0 + Bﾢ= mr B0
─ 相对磁导率
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大学物理
v
2. 磁介质的分类：（根据 Bﾢor mr
的不
顺磁质（
同）
paramagnetic
substance
）
弱磁质
v
v
B ' ﾢﾢ B0 , 且B ' << B0 , mr > 1 如： Mn ， Al ， O2…
Hc— 矫顽力
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大学物理
- Hm
Bm
Br
B
××
O×
Hc
H
+ Hm
这种 B 的变化落后于 H 的变 化的现象，叫做磁滞现象 ， “简称磁磁滞滞损耗”正比于 B~H 回线 所围的面积。 （证明留给同学课后思考）
铁磁质的性质：
高m 值、非线性、非单值性、磁滞性
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抗磁质 （ diamagnetic substance ） 弱磁质
v
v
B ' ﾢﾢ B0 , 且B ' << B0 , mr < 1 如： Cu ， Ag ， H2 …
铁磁质 （ ferromagnetic substance ） 强磁质
v
v
B ' ﾢﾢ B0 , 且B ' >> B0 , mr >> 1
大学物理
抗磁质特点：分子固有磁矩为零
v
v
v
未加B0前 v
Fv向心 = Fve
v
加入B0后
Q
vv Fe与同 Fm向
F向心 = Fe + Fm
\ F向心 = Fe + Fm
vvBv0 DmvqqﾢvmvFFvvﾢme vvvv
又 Q F向心
=
m
v2 r
F向心 �ﾢﾢﾢv
等效磁i 矩
mv '
Dmv '与同 mv '向，即与反Bv向0
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思考 如果速度方向相反，情况如何？
v 未加Bv0前
Q加Fv入e与B0反 F后 vm向
v
v
Fv向心 = Fve v
F向心 = Fe + Fm
\ F向心 = Fe - Fm
vv
v Fm
v
mv ﾢ
qv
Fe
Bv0
又DQmv F'与 向心反 m=v 'm向vr， 2 即与 F向心反�Bﾢ向 vﾢ0 ﾢv
mv 分
电
v流
v jﾢ
DB
BBv00
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大学物理
2. 抗磁质
特 点 ： 分 子 固 有 磁 矩 为 零 。 但 是 ， 电 子 磁 矩 在 外 磁
场力矩作用下进动产生和外磁场反向的感生磁
矩。
v jﾢ
v
v
B0 -DB
出现反向的表面束缚电流减弱磁场
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适于做计算机的记忆原件 。
理学院 物理系 ( 张建锋 )
大学物理
三种铁磁材料磁滞回线的比较
理学院 物理ห้องสมุดไป่ตู้ ( 张建锋 )
大学物理
3. 铁磁质磁化的微观机制
铁磁质中起主要作用的是电子的自旋磁矩。各电 子的自旋磁矩靠交换偶合作用使方向一致，从而形成 自发的均匀磁化小区域 —— 磁畴。
未加磁场
在磁场 B 中