第11章磁场中的磁介质

三、铁磁质的特点
磁畴； 高m 值； 非线性； 磁滞； 居里点； m 的非单值性。
μ max
u
μi
o
μ i : 起始磁导率
H
四、退磁方法
1.加热法 当铁磁质的温度升高到某一温度时，磁性消失，由铁磁质变为顺 磁质，该温度为居里温度 tc 。当温度低于 tc 时，又由顺磁质转变为铁 磁质。
L L

S
1 E dS
0
(q
S
0
q )
'
H
B
0 r

B

D 0 r E E
D dS
S
H dl I 0
l
q
0
§ 11.2
铁磁质
在工程技术上常用的磁介质是铁磁质，如电机、变压器和电表等。 铁磁质有如下特点： 1．在外磁场作用下能产生很强的磁感应强度；μ>>1 2．当外磁场停止作用时，仍能保持其磁化状态； 3．B与H之间不是简单的线性关系； 4．铁磁质都有一临界温度。在此温度（居里温度）之上，铁磁性 完全消失而成为顺磁质。 B Fe(1040K) Co(630K) Ni(1390K) ( H )
2
I
I
(2)磁介质内的磁场分布
l
H dl I I
I 2 r
B 0 r H
H
0 r I
B0
(3)磁介质外的磁场分布
2 r H dl I 0
l
磁介质中的安培环路定理
电介质中的高斯定理

L
B dl 0 I 0 0 i '
H的单位：安培/米(A/m)
例1、长直单芯电缆的芯是一根半径为R1 的金属导体，它与 外壁之间充满均匀磁介质,其相对磁导率为 r，外筒半径为 R2 ,电流从芯流过再沿外壁流回。求(1)导线内的磁场分布;(2) 磁介质中磁场分布;(3)磁介质外的磁场分布。
解:(1)导线内的磁场分布
Ir H dl I 2 l R1 Ir 0 Ir H B 0 H 2 2 2 R1 2 R1
对各向同性（均匀）磁介质， 分子电流可等效成磁介质表面 的磁化电流I′，I′产生附加 磁场B'。
B Bo B Bo
对各向同性（均匀）磁介质，磁化电流I′只出现在介质表面， 介质内部无磁化电流，且磁化电流I′不可引出，因此，磁化 电流也称为束缚电流。
2. 抗磁质的磁化机理——抗磁性
磁介质对磁场的影响
B0
一、磁介质对磁场的影响
与电介质的情况类似，稳恒磁 场中的磁介质因磁化而产生磁化电 流和附加磁场；磁介质内的总场为 原磁场B0 与附加磁场B’的矢量和。
I
B0
B B0 B ' 实验已经证明， 与B 0 之间的关系为: B
B r B0
由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如变压器铁芯、继 电器、电动机转子、定子都是用软件磁性材料制成。
2) 硬磁性材料：Br大， Hc大，磁滞回线面 积大,，因而磁滞特性明显 ，一旦被磁 化,，剩磁即难于消除。用于制作永磁 体， 以产生稳定的磁场。 如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。
B
可用在磁电式电表、永磁扬声器、 耳机以及雷达中的磁控管等。 2. 压磁材料
B
o
H
六、超导体
1911年，荷兰物理学家H· · K 昂纳斯及其助手首先发现在温度降至液氦 的沸点（4.2K）以下时，水银的电阻为0。 超导体——在低温下电阻为零的物质。 1913年昂纳斯因他在低温物理和超导领域所做的杰出贡献，获诺贝尔物 理学奖。 1.超导体的基本性质 零电阻率 超导体在临界温度以下时，电阻为零，所以它可以通过很大的电流， 而几乎无热损耗。 有人曾用超导体做成一个圆环，当把它冷却到临界温度以下后，突然 去掉磁场，由于电磁感应，在超导体环内产生一个相当强的电流，这 个电流在持续两年半的时间内仍没发现可观的变化。
BS
B 磁化曲线——磁介质内磁感应强度 B随磁场强度H的变化关系曲线。 O
C
S
A
H
一、铁磁介质的磁化机理——磁畴
1.磁畴 磁畴——铁磁质中因电子自旋而引 起的强烈相互作用，在铁磁质内形 成磁性很强的小区域 。磁畴的体积 约为 10-12 m3 。
在无外磁场时，各磁 畴排列杂乱无章，铁磁质 不显磁性；在外磁场中， 各磁畴沿外场转向，介质 内部的磁场迅速增加，在 铁磁质充磁过程中伴随着 发声、发热。
o
H
具有较强的磁致伸缩性能, 用于制作机电换能器和声电换能器。
3.非金属氧化物----铁氧体
由三氧化二铁Fe2O3和其它二价金属氧 化物（如NiO，ZnO等）的粉末混合烧结而成
特点: 具有高磁导率, 高电阻率, 涡流损耗少, 适用于高频技术。作记忆元件, 或作天线和电 感中的磁心。 例如: 矩磁铁氧体, 其磁滞回线近似矩形而得名。
B b a
Br o
H
a ~b :当外磁场减小时，介质中的磁场
并不沿起始磁化曲线返回，而是滞后于 外磁场变化——磁滞现象, 当H = 0时, B = Br ≠0，Br——剩磁。
b ~c : 加上反向外磁场，则B 继续 减小,当H=-Hc时，B=0，Hc称为矫顽 力, 即为了消除剩磁所需加的反向 外磁场Hc 。 c~d：继续增加反向磁场，介质达 到反向磁饱和状态。
加反向磁场，提供矫顽力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。
H
B
c
o
t o H
五、铁磁材料分类
1. 金属磁性材料 由金属合金或化合物制成(大部 分以铁、钴、镍为基础)。 特点：适用于高稳定、低频、大功率, 但 高频应用受限。
B
o
H
1) 软磁材料: Br大, 但Hc小,磁滞回线面积小, 因而易磁化, 易消磁; 适用于制造电磁铁、变压器、交流电机的铁心。如：象软铁、坡莫合 金、硒钢片、铁铝合金、铁镍合金等。
2. 迈斯纳效应— 完全抗磁性 1933年德国物理学家W.迈斯纳发现完全抗磁性。 将超导体放入磁场中，表面产生超导电流，超导电流产生的磁场与外 磁场抵消，使超导体内的磁感应强度为 0。
Bo
超导体在磁场中由于超导电流产生的磁场与外磁场的斥力作用，使 超导体可悬浮在空中。
F
mg
N
3.超导体的应用 由于超导体内电阻为0，超导电流不会产生热量，超导电流也就不会 消失，超导体一直会悬浮在磁场中。 利用这种现象可制成超导 重力仪，用来预测地震， 当地震发生之前，地表面 的重力场会发生变化，超 导球的位臵也会发生变化， 由此来预测地震。 还可制造超导磁悬浮列车， 世界上最快的磁悬浮列车 时速超过500公里/小时。
5. 磁饱和状态 随着外磁场增加，能够提供转向的磁畴越来越少，铁磁质中的磁场增 加的速度变慢，最后外磁场再增加，介质内的磁场也不会增加，铁磁质达 到磁饱和状态。
B
磁饱和状态
b a
c
d
o
H
二、铁磁质的磁化规律——磁滞回线
1. 实验目的: 确定铁磁质内的B随外场H 的变 化关系, 确定其磁导率m 的特点和铁磁质的磁 化规律。 2. 实验结果 o~a : 起始磁化曲线，未经磁化的铁磁质, 起始时, B 随H 而增大, 到a点达到饱 和。
BFra Baidu bibliotek
在无外磁场时，抗磁质中 分子固有磁矩为零:m=0， 物质不显磁性。
有外场时，电子的轨道角动量会绕着磁场方向旋进, 形成一个电的环流,但电子带负电,这就相当于一个 与原磁场方向反向的正的环流,产生的磁矩指向磁场 的相反方向.
三、磁介质中的安培环路定理
有磁介质时，安培环路定理是：
B dl 0 ( I 0
B
Br Hc c d
b
a
d~e~f：改变外磁场为正向磁 场，不断增加外场，介质又 达到正向磁饱和状态。
磁滞回线——闭合曲线abcdefa。 实验结论
o e
f
H
铁磁质具有非线性，其m 值具有非单值性，与磁化的历史有关。 铁磁质会出现磁滞和剩磁现象。
4. 解释
磁化饱和: 当所有磁畴的磁矩都转向外磁场方向时, 磁化即达到饱和。 剩磁: 铁磁质中的杂质和内应力, 在外磁场撤消后阻碍磁畴恢复原来 的状态, 因而产生了剩磁。
顺磁质和抗磁质的磁化可用安培分子电流假说解释，而铁磁 质的磁化很复杂。 1. 顺磁质的磁化机理——顺磁性 无外场Bo时，分子的磁矩 排列杂乱无章，介质内分 子磁矩的矢量和 m=m=0 有外场Bo时，分子磁矩转 到与外磁场方向一致，分 子磁矩的矢量和 m=m≠0
⊙ 等 效 I′
对各向同性（均匀）磁介质， 从导体横截面看，导体内部分 子电流两两反向，相互抵消。 导体边缘分子电流同向。
第十一章
磁场中的磁介质
上章我们学习了真空中稳恒电流激发的磁场及 其规律。当空间有介质(导体、绝缘体)存在时，磁 场将与介质发生相互作用，我们把磁场中的介质称 为磁介质。磁介质在外加磁场作用下自身产生附加 磁场的过程称为磁化。
本章简要介绍磁介质的性质、磁化的机制、以 及磁介质中的安培环路定理。
§11.1
r 称为磁介质的相对磁导率。
顺磁质：μr≥ 1 抗磁质：μr ≤ 1 铁磁质：μr >> 1 如金属铝、锰、铬等。 如金属金、银、铜等。 如金属铁、钴、镍等。
I
B'
弱磁性物质 强磁性物质
二、磁介质的磁化
任何物质皆由原子或分子构成。原子（分子）中的电子 同时参与两种运动：自旋及绕核的轨道运动，对应有轨道磁 矩和自旋磁矩。 分子磁矩——分子所有电子的轨道磁矩与 自旋磁矩的矢量和，称为分子固有磁矩， 简称为分子磁矩 m。分子磁矩的方向与电 子运动的角速度方向相反。 分子电流——分子磁矩产生的磁效应可以用一等效的圆电流 的磁矩来表示。 这就是安培提出的分子电流假设。
H dl
L

I0
磁介质中的安培环路定理：

H dl
L

I0
即：磁场强度沿任意闭合路径的线积分（环流），等于穿过 以该回路为边界的传导电流的代数和。 说明： H 是为消除磁化电流的影响而引入的辅助物理量。 H 的环流仅与传导电流I0 有关,与介质无关(当I 相同时， 尽管介质不同，H 在同一点上却相同)。因此可以先求磁 场强度 H ，再求磁感应强度B。
2.磁畴的形成 按照量子理论, 铁磁质内电子间存在着很强的由电子自旋引起的相互 作用——电子交换作用, 使各电子的自旋磁矩排列整齐，从而形成磁畴。 每个磁畴内的电子自旋磁矩整齐排列，磁性很强——自发磁化。
3.磁畴与外磁场的关系
无外磁场时, 各个磁畴由于热运动其方向排列无序, 因而整体对外 不显磁性。 有外磁场时, 各个磁畴的磁矩在外磁场的磁力矩作用下以整体的形 式趋向外磁场方向排列, 从而对外显示很强的磁性。出现高m 值。 具体过程: 与外磁场方向一致和相同的磁畴范围扩大, 磁畴磁矩方向同 时尽力转向外磁场的方向。 4. 磁畴与温度的关系: 当温度持续升高到某值时, 由于剧烈的热运动, 磁畴瓦解, 铁磁质的铁磁性消失, 过渡到顺磁质。此温度叫做居里温度或 居里点。
无损耗输电。传统输电过程中总要产生一部分焦耳热损耗，一般在 10%~20%，如果采用超导体输电，几乎没有电能损失，而且不需要升压， 可以不用变压器设备，也不必架设高压线，可以在地下管道中。甚至 可以直接传输直流电。 产生强磁场。因超导体无热损耗，可通过很大电流，如用超导芯线为 Nb3Sn。其最大电流密度为 109 A/m2, 在承受相同电流的情况下，超导 芯线可以细得多，超导磁铁不仅效率高，而且可以做得很轻便。例如， 一个能产生 5T 的中型电磁铁的重量可达 20 吨，而超导磁铁的重量 不过几公斤。 美国在 磁谱仪中，将采用超导磁铁产生强磁场， 2003 年再次送入地球轨道，观察暗物质和反物质。
铁的居里温度 tc = 770°C； 30%的坡莫合金居里温度 tc = 70°C；
利用铁磁质具有居里温度的特点，可将其制作温控元件，如电饭锅 自动控温。 原因：由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧，提供了磁畴转 向的能量，使铁磁质失去磁性。
2.敲击法 通过振动可提供磁畴转向的能量，使介质失去 磁性。如敲击永久磁铁会使磁铁磁性减小。 3.加反向磁场

L

I ')
磁介质的总磁场
传导电流
磁化电流总和
由于磁化电流的计算很繁，所以我们从无磁介质时出发。 无磁介质时： L 根据实验规律
B0 dl 0 I0
B r B0

B
L
0 r
dl

I0
定义磁场强度： H
B
0 r

B