磁介质磁化
磁介质的磁化与磁滞现象
磁介质的磁化与磁滞现象磁介质是一类特殊的材料，它在外加磁场的作用下会发生磁化现象。
磁化是指磁介质中原子或分子的磁矩在外加磁场的作用下发生定向排列的过程。
那么，磁介质的磁化是如何发生的呢？要了解磁介质的磁化过程，首先需要知道磁介质是由多个微小的磁畴组成的。
每个磁畴都具有一定的磁矩方向，但在没有外加磁场时，各个磁畴的磁矩方向是杂乱无章的。
当外加磁场作用于磁介质时，它会对磁畴的磁矩施加一个力矩，试图使磁矩与外加磁场方向相同。
由于各个磁畴之间存在互相影响的相互作用力，使得磁化过程并不是瞬时发生的。
在外加磁场作用下，磁介质中的磁矩会逐渐定向，并在达到平衡状态后保持一定的方向。
这个过程称为磁化过程。
磁滞现象是磁介质在磁化和去磁化过程中所显示出的一种特殊现象。
当外加磁场逐渐增大时，磁介质的磁化程度也随之增大。
然而，在达到一定磁场强度时，磁化程度不再随着外加磁场的增加而增大，而是停滞不前或增长速度变缓。
这个临界点称为饱和磁场强度。
同样，在减小外加磁场的过程中，磁介质的磁化程度也不是立即减小的。
相反，其磁矩仍然保持一部分定向，直到达到另一个临界点，也就是剩余磁场强度。
在这之后，磁介质中的磁矩会迅速消失，回到没有外加磁场时的状态。
磁滞现象是由于磁介质分子或原子之间存在着一定的耦合力。
当外加磁场改变其方向时，磁介质分子或原子不会立即跟随改变，而会保持一定的反向或相对不变的磁矩方向，这就导致了磁滞现象的出现。
磁滞现象不仅仅是磁介质的特性，它在很多应用中都起到重要的作用。
例如，磁滞回线的图像可以用于磁性材料的检测和识别。
在磁存储设备中，磁滞现象也被用来存储信息。
通过合理地控制外加磁场的大小和方向，可以实现信息的写入和读出。
除了磁滞现象外，磁介质的磁化还受到一些其他因素的影响。
温度是影响磁介质磁化性能的重要因素之一。
随着温度的升高，磁介质内部的原子或分子热运动增强，磁畴的稳定性减弱，从而降低了磁化程度。
此外，磁介质的组成和结构也会对磁化性能产生影响。
磁介质的磁化与磁化强度的计算
磁介质的磁化与磁化强度的计算磁介质是一类能够被磁化并保持磁化状态的物质。
它的磁化过程和磁化强度的计算对于理解磁性材料的性质和应用具有重要意义。
本文将详细介绍磁介质的磁化过程以及如何计算磁化强度。
1. 磁化过程磁介质的磁化过程可以分为自由磁化和感应磁化两个阶段。
自由磁化是指在磁场的作用下，磁介质中的磁性微区域（磁畴）发生磁矩定向的过程。
在自由磁化过程中，磁介质内部的磁矩会逐渐定向，并在达到饱和磁化强度时停止变化。
饱和磁化强度是指磁介质中所有磁矩都在磁场的作用下达到最大定向程度的状态。
感应磁化是指在外加磁场存在的情况下，磁介质中的磁矩发生进一步的调整，以适应外加磁场的变化。
感应磁化过程中，磁介质的磁矩会随着外加磁场的变化而变化，但总体上仍保持相对的定向。
2. 磁化强度的计算磁化强度是描述磁介质磁化程度的物理量，用字母H表示。
磁化强度的计算方法根据磁场类型的不同而有所不同。
对于恒定磁场，磁化强度可以通过以下公式计算：H = B/μ0 - M其中，B为磁感应强度，μ0为真空中的磁导率，M为磁化强度。
恒定磁场中，磁化强度的方向和磁感应强度的方向相同。
对于交变磁场，磁化强度可以通过以下公式计算：H = Im(B)/μ0 - M其中，Im(B)为磁感应强度的实部，μ0为真空中的磁导率，M为磁化强度。
交变磁场中，磁化强度的方向和磁感应强度的实部方向相同。
需要注意的是，磁化强度和磁感应强度的单位一般为安培/米（A/m）。
3. 磁介质的应用磁介质由于其特殊的磁化特性，在很多领域都有广泛的应用。
以下是几个常见的磁介质应用：（1）磁存储器件：磁介质的磁性能使其成为磁存储器件（如硬盘驱动器、磁带等）中的重要组成部分。
（2）变压器：磁介质广泛应用于变压器中，通过磁化和磁感应的相互作用来实现电能的传输和转换。
（3）磁共振成像：磁介质的磁性质使其成为核磁共振成像（MRI）技术中的重要材料，用于获取人体内部的磁共振信号。
（4）磁随机存取存储器：磁介质的磁性使其成为磁随机存取存储器（MRAM）等新型存储器件的关键部件。
磁介质的磁化规律
外圆柱面内一点到轴的垂直距离是 I I I
r1，以r1为半径作一圆，取此圆为积 分回路，根据安培环路定理有Biblioteka Hdl H
2r1 0
dl
I
H I
2r1
B
0 H
0
I
2 r1
（2）设在圆柱体内一点到轴的垂直距离是r2，则
以r2为半径作一圆，根据安培环路定理有
H
d
l
H
2r2
0
d
l
H
2r2＝I
r 2 2
迈斯纳效应：完全抗磁性
处于迈斯纳态的超导体会表现出完美抗磁性，或超抗磁性，意思是 超导体深处（离表面好几个穿透深度的地方）的总磁场非常接近零。 亦即是它们的磁化率 = −1。抗磁性体的定义为能产生自发磁化的 物料，且磁化方向与外加场直接相反。然而，超导体中抗磁性的基 本来源与一般材料的非常不同。在一般材料中，抗磁性是原子核旁 电子的轨道自旋，与外加磁场间电磁感应的直接结果。在超导体中， 完全抗磁性的原因是表面的超导电流所引起的，电流的流动方向与
的基本物理量。
例1 在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质，
已知螺绕环中的传导电流为I ，单位长度内匝数 n ，环
的横截面半径比环的平均半径小得多，磁介质的相对磁 导率为 。求环内的磁场强度和磁感应强度。
解：在环内任取一点，
过该点作一和环同心、 半径为 的圆r形回路。
r
H dl NI
式中 为N螺绕环上线圈
进动 pm
L e
进动
pm
e
L
pm
pm
B0
进动 B0
可以证明：不论电子原来 的磁矩与磁场方向之 间的夹角是何值，在外磁场 B0中，电子角动量 L进 动这的种转等向 效总 圆是 电和 流的磁磁力矩矩的M方的向方永向远构与成右B0手的螺方旋向关相系反。。
磁介质的磁化磁化电流磁化强度
B
L
pml
M pml B
pm
5
3.磁化电流
由于分子磁矩的取向一致 考虑到它们相对应的 分子电流 如 长直螺线管内部充满均匀的各向同性介质将 被均匀磁化
B pm
均匀磁场
I
视频安培 表面电流
6
螺线管截面
三、磁化强度
1.磁化强度
10
§2 有磁介质时磁场的规律 一、 有介质时的环路定理 二、 环路定理的应用举例 三、 磁场的界面关系 *静磁屏蔽
11
一、有介质时的环路定理
B dl 0 I内 （ 1 ） L 真空 （2） B dS 0 S
考虑到磁化电流（1）式则需加以修正
M 7.9410 A/m
5
j 7.9410 A/m
5
18
j 7.9410 A/m
5
讨论：设想把这些磁化面电流也分成每米103 匝，相当于分到每匝有多少？
7.94105 j / n 794(A) >>2(A) 3 10
充满铁磁质后
B B0 B B >> B0 或 B B
19
三、 磁场的界面关系 *静磁屏蔽 由 S B dS 0 B1
n
1 2
1 2
12
设：I0─ 传导电流 I ─ 磁化电流 ) B dl 0 (I0内 I内
L
0 I 0内 0
磁 介 质
M dl
I
L I0
(
L
B
0
L
M ) dl I 0内
H B M
磁介质的磁化规律
– 温度，高过居里点铁磁性就消失，变为顺磁质。如纯铁的居 里点为1043K，镝的居里点为89K；
– 强烈震动会瓦解磁畴 – 尺寸影响磁畴结构性——介观尺度下有新现象 – 介观尺度：即介于宏观尺度与微观尺度之间，一般为0.1——
100nm
宏观铁磁体的尺寸减小到介观尺度
• 此时磁性材料不再是具有畴壁的多磁畴结构，而 是没有畴壁的单畴结构，单畴的临界尺度大约在 纳米级范围，例如铁的球形颗粒产生单畴的临界 直径为28nm，钴为240nm。
与螺绕环类比
H B M0
0
B和M方向一致为
B0H0M B0i'0M
The End
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4 磁滞损耗
• 铁磁质在交变磁场下反复磁化时，由于磁滞 效应，磁体要发热而散失热量，这种能量损 失称为磁滞损耗。
• 可以证明：B－H图中磁滞回线所包围的“面 积”代表在一个反复磁化的循环过程中单位 体积的铁芯内损耗的能量
• 磁滞回线越胖，曲线下面积越大，损耗越大； • 磁滞回线越瘦，曲线下面积越小，损耗越小 • 证明 ，计算电源要抵抗感应电动势做功
导率为 r 的磁介质.当两圆筒
通有相反方向的电流 I时，
I
试 求（1）磁介质中任意点
r
P 的磁感应强度的大小;
d
（2）圆柱体外面一点Q 的磁感强度.
I
R
r
25
解 rdR
Hdl I 2πdHI
l
BH0rI
2πd
d R
HdlII0
I
l
r
2πdH0, H0
d
BH0
同理可求 dr, B0
I
R
磁介质的磁化
得M到c重os要=关M系t是M磁t=化i 强或度者沿M介质n 表i面' 的切向分量，
介质表面磁化电流密度只决定于磁化强度沿该
表面的切向分量，与法向分量无关，只存在于介
质表面附近磁化强度有切向分量的地方。 7
四、有L B磁d介l 质磁0存场( i在强I0时度i 的矢i 安量Ii培) H环=L路(B0B0定M理M )
它与外壁之间充满均匀磁介质，电流从芯流过再沿
外壁流回。求介质中磁场分布及与导体
相邻的介质表面的束缚电流。
解
LH dl I L
H I 2πr
I
I
B
0rH 0r
H
B
M
,
0
I 2πr
j'
（R1<r<R2 )
M沿圆en切线j方' 向Men
j' (r 1)
磁介质内表面的
I 2πR
方向与轴平行
B1
即
S en
BdS
(B2
B1
B1)
(-enS) B2 (enS) 0
0 或B1n=B2n，表示从一种介质过
渡到另一种介质时，磁感应强度的法向分量不变。
10
在 介 质 分 界 面 处 作 一 矩 形 的 回 路 abcda ， 使 两
长边分别处于两种介质 中，与界面平行，短边很
小，取切向单位矢量
磁化强度矢量表征宏观磁性，定义 为单位体积内分子磁矩的矢量和
M
=
m
式中 m 是体积 内的分子磁矩或分子
感生磁矩的矢量和。
如果磁介质中各处的磁化强度的大小和方向都
一致，就称均匀磁化。在国际单位制中, 磁场强
度和磁化强度的单位都是Am-1 (安培/米)。3Βιβλιοθήκη 二、磁化的磁介质内的磁感应强度
简述磁介质磁化的过程
简述磁介质磁化的过程磁介质磁化的过程是指磁介质中的磁场通过线圈、电流或其他方式被生成、变化和维持的过程。
磁介质磁化是通过将磁介质中的磁场磁化来实现的。
这是一种机械、电磁、物理学中大量用到的过程。
此外，它也是许多电子设备，比如磁带、磁性存储设备及磁性记忆器中使用的重要技术。
磁介质磁化的基本过程是：磁介质和磁体之间存在相互作用，其主要原理是磁场的磁场线在磁体表面上形成微小的微环，从而形成一种微环磁场，从而使磁介质内的磁性物质磁化。
首先，将磁体放置在磁介质中，磁介质会吸收磁体表面上磁场线的能量，因此磁介质会受到磁场的影响，并会受到磁场的作用，从而磁介质中的磁性物质会被磁化。
其次，磁场的作用会使磁介质中的磁性物质产生磁力，磁力会改变磁介质中磁场的方向，从而使磁介质中的磁性物质被磁化。
磁介质磁化后，磁体上所有的磁性物质都会受到磁场的影响，并会受到磁场的磁力的影响，从而使所有的磁性物质都能够被磁化。
磁化过程中，当磁体上的磁场太强时，磁介质内的磁性物质会被磁化得更强，如果磁体上的磁场太弱则磁介质内的磁性物质会被磁化得更弱。
因此，为了获得良好的磁介质磁化效果，需要选择合适的磁体强度。
最后，磁介质磁化后，磁介质中的磁场会改变，也就是磁介质会被磁化。
磁介质磁化后，磁介质的外部特性会发生变化，这些外部特性主要受到磁介质的磁化程度和磁体强度的影响。
总之，磁介质磁化的过程是指磁介质中的磁场通过线圈、电流或其他方式被生成、变化和维持的过程。
磁介质磁化过程需要磁介质和磁体之间存在相互作用，从而使磁介质中的磁性物质磁化，磁介质磁化后会使磁介质外部特性发生变化。
因此，磁介质磁化也是许多电子设备，比如磁带、磁性存储设备及磁性记忆器中使用的重要技术。
磁介质的磁化特性及计算
其中 0(1 m) r0称为介质的磁导率，r 1 m 称为介质
的相对磁导率（无量纲）。
磁介质的分类
r 1
r 1 r 1
顺磁质 抗磁质 铁磁质
B
M)
J
0
定义磁场强度
H
为：H
B
M
0
, 即 B 0(H M )
则得到介质中的安培环路定理为：
C
H(r)
dl
S
J(r)
dS
磁通连续性定理为
B(r)
dS
0
S
Hale Waihona Puke H(r) J(r) B(r) 0
小结：恒定磁场是有源无旋场，磁介质中的基本方程为
（微分形式）
H(r) J(r)
B(r)
0
（积分形式）
C
H(r)
dl
S
J(r)
dS
S
B(r)
dS
0
5. 磁介质的本构关系
定，磁对化于强线度性M各和向磁同场性强介度质，H之M间与的H关之系间由存磁在介简质单的的物线理性性关质系决：
M mH
其中，m 称为介质的磁化率（也称为磁化系数）。
这种情况下
B 0(1 m)H H
磁介质的磁化特性及计算
1. 磁介质的磁化
pr m
r iS
介质中分子或原子内的电子运动形
成分子电流，形成分子磁矩
pr m
r iS
无外加磁场
无外磁场作用时，分子磁矩不规
则排列，宏观上不显磁性。
B
在外磁场作用下，分子磁矩定向 排列，宏观上显示出磁性，这种现象 称为磁介质的磁化。
外加磁场
2.
磁化强度矢量
磁介质的磁化
对于各向同性的顺磁质和抗磁质，存在 M m H，
表示对于各向同性的顺磁质和抗磁质，磁化强度与磁
场强度成正比。式中m 称为磁介质的磁化率。 B 0 (1 m )H ，r=1+m 称为磁介质的相对磁导率。
B 0 r H H
= 0 r 称为磁介质的绝对磁导率。 顺磁质m>0，r>1；抗磁质m<0，r<1；铁磁质m 和r都很大，都是H 的非单值函数，r>>1 。
具有强烈磁性的物质称为铁磁质(ferromagnet)，如 铁、钴、镍和它们的合金，稀土钴合金，钕—铁—硼 以及各种铁氧体等都属于此类。
铁磁晶体原子间存在交换作用，使相邻原子磁矩自 发彼此平行排列，抵御分子热运动的破坏作用。
分子磁矩为零时，电子在外磁场作用下产生一种附 加磁性。磁化强度方向总与外磁场方向相反，为抗磁 性 (diamagnetism) 。 具 有 这 种 磁 性 的 物 质 称 为 抗 磁 质，如汞、铜、铋、氢、氯、银、锌和铅等。
Mcos=Mt是磁化强度沿介质表面的切向分量，
得到重要关系Mt=i 或者 M n¸ i '。
介质表面磁化电流密度只决定于磁化强度沿该
表面的切向分量，与法向分量无关，只存在于介
质表面附近磁化强度有切向分量的地方。
四、有磁介质存在时的安培环路定理
¸ ¸ Bdl
L
¸ H dl
L
0( I0i Ii)
§2-7 磁介质的磁化
一、物质磁性的概述 磁介质(magnetic medium)是能够对磁场产生影响的
物质。由原子分子构成的物质都属于磁介质。
可以用电结构解释磁性。原子中每个电子同时参与 绕核的轨道运动和自旋两种运动，对应轨道磁矩和自 旋磁矩。整个原子的磁矩是它所包含的所有电子的轨 道磁矩和自旋磁矩的矢量和。
介质磁化的概念
介质磁化的概念介质磁化是指当介质受到外界磁场的作用时，内部的磁矩发生定向排列，形成磁化，表现为介质物质的整体磁性。
介质磁化是固体物质中普遍存在的一种现象，它是固体物质微观结构和内部自由度导致的结果。
介质磁化的概念可以由电磁学和量子力学的角度进行解释。
从电磁学角度看，当一个固体置于外界磁场中时，固体中的原子、分子或离子的磁偶极矩将会重新排列，使得整个固体具有了磁性，这种现象被称为介质磁化。
从量子力学角度看，固体中的电子具有自旋和轨道磁矩，当外界磁场作用于电子时，电子的自旋和轨道磁矩发生定向排列，从而导致固体整体磁化的现象。
介质磁化是介质物质中磁场和磁性相互作用的结果。
在外界磁场作用下，固体中的原子、分子或离子的磁矩趋向于与外磁场方向相同，形成了定向排列。
这种整体性的磁化现象可以通过介质磁化强度来描述，称为磁化强度或磁化矢量。
介质磁化的原理可以通过麦克斯韦方程组来解释。
根据麦克斯韦方程组，外界磁场通过磁感应强度B与磁化强度M之间的关系来影响介质磁化。
根据安培定律，磁场强度H在介质中的变化符合麦克斯韦方程组中的演化方程，其中的磁极化项正比于介质中的磁化强度。
因此，通过麦克斯韦方程组，我们可以推导出介质磁化强度与外磁场强度之间的关系，这便是介质的磁化过程。
介质磁化可以是临时的或永久的。
当外界磁场撤离时，临时磁化的介质会失去磁性，磁化强度M会迅速恢复为零。
而永久磁化的介质则在外界磁场撤离后依然保持一定的磁性，磁化强度M不会完全消失。
这种永久磁化的介质称为磁体，可以用来制作磁铁等实用工具和设备。
介质磁化的性质是由介质的物理性质决定的。
不同的物质在外界磁场作用下，其磁化过程和磁化强度表现出不同的特性。
例如，铁、镍、钴等金属具有较大的磁化能力，容易被磁化并保持较大的磁化强度。
而大部分非金属和复杂化合物等，其磁化能力相对较弱，远小于金属。
此外，有些物质还具有磁滞现象，即在外界磁场的增加和减小过程中，其磁化强度变化的速度和大小不同。
6、磁介质及其磁化特性
Pm I S i lS
M M
Pm
V
i lS i lS
ABCD
____ M dl M AB
i AB
____
ABCD
I
A
M
B
C
M dl I i
L L
dI dq /(2 ) rdr , 它在O点产生的磁场为 0 dI 1 dB 0 dr , dB垂直盘面向右 2r 2
O
r+dr
R 1 1 B dB μ0 σω dr μ0 σω R 0 2 2
r
B
设q 0, 且ω方向如图 则B垂直盘面向右
D
二、有磁介质时的安培环路定理
磁场强度
L
0i
B dl o I i
L
L
M dl I i
L
Lቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
I I I
L
i
L
i
传导电流
磁化电流
B dl o I 0 i 0 M dl
B M dl I 0 i L L 0 H称为磁场强度 B 令：H M H 的单位 ：A 0 m
∴
L L L
H dl I 0 i
L
L
有磁介质时的 安培环路定理
I 0 i j0 dS ∴ H j0 微分形式
①、顺磁质:固有分子磁矩不为零,在无外磁 场时,由于分子的热运动,这些固有磁矩的取向是 无规则的,因而在任意宏观小体积元内总磁矩仍 为零,当有外磁场时,固有磁矩将不同程度转向外 磁场方向,形成沿外磁方向取向磁化,使总磁场增 强,这就是顺磁性产生的原因。
磁介质磁化强度
铁——10430C 镍——6300C 钴——13900C 铁磁质旳起因能够用“磁畴”理论来解释。
一、磁畴
•概念：
铁磁质内旳电子之间因自旋 引起旳相互作用非常强烈， 在铁磁质内部形成了某些微 小自发磁化区域，叫做磁畴 。 每一种磁畴中，各个电子旳 自旋磁矩排列得很整齐。
长江大学教学课件
大学物理学电子教案
磁介质
7-9-1 磁介质、磁化强度 7-9-2 磁介质中旳安培环路定理
磁场强度 7-9-3 铁磁质
磁场中旳磁介质
讨论磁场和磁介质旳相互作用：
•磁介质旳三种类型： 顺磁质、抗磁质、铁磁质
•磁介质对磁场旳影响
电流 磁
电流
•磁场强度、磁化强度及其规律 运动电荷
运动电荷
•铁磁质旳特征
R
r
r d R B 0rI
2π d
d R l H dl I I 0
2π dH 0, H 0
B H 0
同理可求 d r , B 0
7-9-3 铁磁质
铁磁质旳特征：
1．在外磁场作用下能产生很强旳磁感应强度； 2．当外磁场停止作用时，仍能保持其磁化状态； 3．B与H之间不是简朴旳线性关系； 4．铁磁质都有一临界温度。
•根据B~H之间旳关系，若已知一种量可求出另一种量。
•在设计电磁铁，变压器以及某些电气设备时，磁化曲线 是很主要旳试验根据。
三、磁滞回线
Br B
BS
B旳变化落后于H旳变化旳现象，叫 做磁滞现象，简称磁滞
Hc
饱和磁感应强度BS： 全部磁畴都与外场方向一致。相应
Hc H
旳磁场强度称为饱和磁场强度，磁
磁介质的磁化规律
M H
,
0r
B H
B 0(H M ) 0M
3 磁滞回线
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).
v L
mr
2v
i e ev e T 2 r 2
mvl
e 2m
v L
电子自旋磁矩
mvS
e m
v S
与角动量方向相反
若所有电子的总角动量为零，抗磁
所有电子的总角动量不为零 ，顺磁
• 考虑电子轨道运动，设电子角速度平行于外 磁场
– 求无外磁场时的角速度 0(电子只受库仑力）
➢对于各向同性线性磁介质
v
v
M mH
vv
v H
v B
v M
v
0
磁化率
v
v
B 0H 0M 0(1 m )H 0rH
➢B和M的关系为
v B
0r
v M
1
v M
相 对 磁 导 率
➢各向同性线性磁介质 m
km
m 0, 1, | m | 很小 M和B同向，顺磁质
• 对各向异性磁介质 m会因方位不同而不同，是
二阶张量
– 如铁磁质 M与H不成正比关系，甚至也不是单值关系 – M与H为非线性单值关系时，虽仍可用上述关系式定
义，但它们都不是恒量，而是H的函数，且m >>1，
磁介质 顺磁质和抗磁质的磁化
上的磁化电流强度IS为
∑
pvIms
= αsl
= Is ⋅S
=
α
s Sl
M
= ∑ pv m = α s Sl
∆V
Sl
=αs
r M
Is I
A
B
Dl C
取一长方形闭合回路ABCD，AB边在磁介质
内部，平行与柱体轴线，长度为l，而BC、AD两
边则垂直r 于柱r 面。B r M ⋅dl = M
r M
=
χ
m
r H
式中 χm 只与磁介质的性质有关，称为磁介质
的磁化率，是一个纯数。如果磁介质是均匀的，
它是一个常量；如果磁介质是不均匀的，它是空
间位置的函数。
χm > 0 顺磁质
χm < 0 抗磁质
r Br M
==µχ0mHrHr+
µ0
r M
r B
=
µ0
(1
+
χ
m
r )H
令µr = 1+ χm
相对磁
⋅
d
r l
=
M
⋅
AB
=
Ml
∫ ∫ ∫ Q M = αs
A
∴
r M
⋅
d
r l
=
αsl
=
Is
磁化强度对闭合回路的线积分等于通过回路 所包围的面积内的总磁化电流。
磁介质磁化和电介质极化类比
电介质
与场相互 作用机制
转向极化
位移极化
∑pre ≠ 0
描述
∑ 极化强度： Pr =
pre
∆V
磁介质的磁化与磁化强度
磁介质的磁化与磁化强度在日常生活中，我们常常会接触到一些与磁性有关的物品，比如磁铁、磁卡等等。
这些物品之所以具有磁性，是因为它们含有一种特殊的物质，即磁介质。
那么，磁介质的磁化与磁化强度是如何产生的呢？首先，我们来了解一下什么是磁介质。
磁介质是指能够被磁场影响而发生磁化的物质，它可以是固体、液体或气体。
在磁介质中，存在着微观的磁性基本元件，如铁磁颗粒或分子磁矩。
当外加磁场作用于磁介质时，这些基本元件会发生重新排列，从而产生宏观上的磁化效应。
磁介质的磁化过程可以分为自发磁化和感应磁化两种方式。
自发磁化是指在没有外加磁场作用时，磁介质自身就具有磁化强度。
这一现象主要存在于铁磁体中，比如铁、镍和钴等物质。
在自发磁化过程中，铁磁体中的微观磁矩会自发地同向排列，并形成磁畴结构。
这种自发磁化的状态使得铁磁体对外加磁场有较强的响应能力，也使得它具有较高的磁导率和磁化强度。
而感应磁化则是指在外加磁场的作用下，磁介质发生磁化的过程。
在感应磁化的过程中，外加磁场会引起磁介质中微观磁矩的重新排列，从而使整个磁介质产生磁化效应。
感应磁化主要存在于顺磁体和抗磁体中。
顺磁体是指在外加磁场作用下，磁介质中的微观磁矩会沿外磁场方向排列，从而增强外磁场的磁感应强度。
相反，抗磁体是指在外加磁场作用下，磁介质中的微观磁矩会沿外磁场方向反向排列，从而减弱外磁场的磁感应强度。
磁化强度是描述磁介质磁化程度的物理量，它反映了磁介质对外磁场的响应能力。
磁化强度可以通过磁化矢量来表示，其大小与物质的磁化程度成正比。
磁化矢量的方向则与磁介质中的微观磁矩排列方向一致。
磁化强度与磁场强度之间存在着一种重要的关系，即磁化强度与磁场强度的比值等于磁介质的磁导率。
磁导率可以分为磁化导率和非磁化导率两种。
磁化导率是指磁介质发生磁化时的磁导率，而非磁化导率则是指磁介质未发生磁化时的磁导率。
一般情况下，磁化导率要远大于非磁化导率。
这是因为磁介质在磁化过程中，其微观磁矩的排列会引起磁感应强度的增大，从而增强了磁导率。
04磁介质的磁化和介质中的安培环路定理
解： 由螺线管的磁场分布 可知，管内的场各处均匀
R
r
a Bb
一致，管外的场为零；
H
1、介质内部
作 abcda 矩形回路。
d Ic
回路内的传导电流代数和为： I c n ab I
在环路上应用介质中的环路定理：
H dl H dl H dl H dl H dl
有半径为 R2的无限长同轴圆柱面，该面也通有电流 I，
圆柱面外为真空，在R1<r<R2区域内，充满相对介质常 数为 r2的 磁介质，且r2 >r1。求B和 H的分布?
解：根据轴对称性，以轴上一点为圆心在
垂直于轴的平面内取圆为安培回路：
r R1
H1
2rH1
I
2R12
I
R12
磁介质的磁化 磁介质中的高斯定 理和安培环路定理
1
一、磁介质的磁化现象
凡是能与磁场发生相互作用的物质叫磁介质。
磁场中放入磁介质
磁介质发生磁化
出现磁化电流
产生附加磁场
磁介质内部的总场强 B B0 B
在各向同性均匀介质中：
r 称为相对磁导率。
B内
r B0
磁介质的分类：
介质中的磁感 应强度是真空
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。
高温超导现已达到 -153°C。
11
L
对各B向同性的磁介质
dl
L 0r
I0内
B r B0
B
定义:磁场强度
H
0r
08磁介质的磁化和介质中的安培环路定理
磁力线为闭合曲线， 磁力线为闭合曲线，穿过任何一个闭合曲面的 磁通量为零。 磁通量为零。
v v B⋅ dS = 0 ∫
s
三、磁介质中的安培环路定理 1、磁介质中的安培环路定理
r r 在真空中的安培环路定理中： 在真空中的安培环路定理中： B0 ⋅ dl = µ 0 ∑ I ∫
3
r r 在介质中： 在介质中： ∫ B ⋅ dl = µ 0 ∑ ( I + I ′)
磁介质的磁化 磁介质中的高斯定 理和安培环路定理
1
一、磁介质的磁化现象 凡是能与磁场发生相互作用的物质叫磁介质。 凡是能与磁场发生相互作用的物质叫磁介质。 磁场中放入磁介质 磁介质发生磁化 产生附加磁场 r r r 磁介质内部的总场强 B = B0 + B′ 出现磁化电流
r r r B 在各向同性均匀介质中： 在各向同性均匀介质中： B = µ r B0 即 r = µ r B0
H = nI
H = nI 真空中 µ = 1 ∴ B = µ 0 H = µ 0 nI
8
r r r r H ⋅ dl = ∫da H ⋅ dl = 0
a
B
∴ H ab = ∑ I c = n abI ,
∴ B = µ 0 µ r H = µ 0 µ r nI
2、管内真空中 、 作环路 abcda ; 在环路上应用介 质中的安培环路定理，同理有： 质中的安培环路定理，同理有：
4
r r H ⋅ dl = ∑I ∫
L L
r r H ⋅ dl = ∑I ∫
L L
----磁介质中的环路定理 磁介质中的环路定理
物理意义：磁场强度沿闭合路径的线积分， 物理意义：磁场强度沿闭合路径的线积分，等于环路 所包围的传导电流的代数和。 所包围的传导电流的代数和。 2、明确几点： 明确几点：
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
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多或少地转向磁场方向 —— 顺磁质的磁化。
顺磁质： Pm 0
怎么解释抗磁质：
B B0，B与B0 反方向 !!!
5
*电子的进动：在外磁场作用下，每个电子除了保持环绕原 子核的运动和电子本身的自旋以外，还要附加电子磁矩以 外磁场方向为轴线的转动。
进动
pm
B
L
e
pL B0
实际上动物都属于抗磁 质，只要用足够强的磁 场，就有可能使人悬浮 起来。
8
4. 磁化强度
M
反映磁介质磁化程度(大小与方向)的物理量。
磁化强度：单位体积内所有分子固有磁矩的矢量和
上附加磁矩的矢量和 ，称pm为磁化强度。
p加m
均匀磁化
M
pm
pm
磁化强度的单位： A/ m
I B0
I
10
M
Im I
AB Dl C
A
设介质表面沿轴线方向单位长度上的磁化电流为jm （磁化面
电流密度），则长为l 的一段介质上的磁化电流强度Im为
Im jml
Pm Im S jmSl
M
pm
V
jmSl Sl
jm
取一长方形闭合回路ABCD，AB边在磁介质内部，平行
V
注意：对顺磁质， p可m 以忽略； 对抗磁质 ，pm对于0 真空，
。
M
0
外磁场为零，磁化强度为零。
外磁场不为零:
MM、 、BB00同 反向 向
顺磁质 抗磁质
9
5. 磁化电流
对于各向同性的均匀介质，介质内部各分子电流相互抵 消，而在介质表面，各分子电流相互叠加，在磁化圆柱的表 面出现一层电流，好象一个载流螺线管，称为磁化面电流。
在磁场中的性质。
相对磁导率:
r
B B0
顺磁质：r 1, B B0
B与B0 同方向， 如氧、铝、钨、铂、铬等。
B B0 B
I
I
磁介质
抗磁质： r 1, B B0
B与B0 反方向，
如氮、水、铜、银、金、铋等。
I
I
铁磁质： r 1, B B0 B与B0 同方向，
与柱体轴线，长度为l，而BC、AD两边则垂直于柱面。
M
d
l
ABM
d
l
M
AB
Ml
M jm M d l jml Im
对比 Pn
S P d S q
磁化强度对闭合回路的线积分等于通过回路所包围的面积
内的总磁化电流。
11
Pm
0
抗磁材料在外磁场的作用下，磁体内任意体积元中大量分
子或原子的附加磁矩的矢量和 有一pm定的量值，结果在磁
体内激发一个和外磁场方向相反的附加磁场，这就是抗磁性
的起源。
4. 顺磁质的磁化
对顺磁质， P可m 以忽略
在顺磁体内任意取一体积元V，其中各分子固有磁矩
的矢量和 pm 将有一定的量值，因而在宏观上呈现出一个
磁化:磁介质在磁场中呈现磁性(在磁场的作用下产生附加 磁场)的现象称为磁化。
电学与磁学类比：
电介质极化：
E
E0
E
磁介质磁化： B B0 B
总磁感强度 外加磁感强度
附加磁感强度
磁介质的三种类型：顺磁质、抗磁质、铁磁质。
2
实验发现：有、无磁介质的螺旋管 内磁感应强度的比值，可表征它们
Pm
0
在抗磁质中，原子或分子中
类比：电介质的微观图象 有极分子、无极分子。
电偶极子模型： Pe ql
所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩 在外电场作用下，分别有取向
矢量和为零。
极化、位移极化。
4
加外磁场时: M Pm B
B B0 B
当外磁场存在时，各分子固有磁矩受磁场力矩的作用，或
意一点磁化强度和磁场强度成正比。
M mH
对比 P e0E
式中m只与磁介质的性质有关，称为磁介质的磁化率，
是一个纯数。如果磁介质是均匀的，它是一个常量；如
如铁、钴、镍等，
超导体是理想的抗磁体。
B0 B
3
2.分子电流模型和分子磁矩
原子中电子参与两种运动：自
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:
Pm 0
抗磁质：
定义磁场强度
H
B
M
0
对比 S D d S q0
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。
12
H
B
M
0
B 0H 0M
实验证明：对于各向同性的介质，在磁介质中任
L
dL
LdL
Md LPML B ddLt、M 方向一致!
pL
e
L
pm
B
进动 B0
可以证明：不论电子原来的磁矩与磁场方向之间的夹角
是何值，这种进动等效圆电流附加磁矩Pm的方向永远与B0 的方向相反。
6
3. 抗磁质的磁化
抗磁质：
Pm
0
§2 有磁介质时的安培环路定理
无磁介质时
L B0 dl
0 I0 （L内）
Im L M dl
或
L
(
B
0
M)
dl
I
L H dl I
有磁介质时
L B d l 0( I Im )
L B dl 0( I L M dl )
与外磁场同向的附加磁场，这就是顺磁性的起源。
7
2010年首个诺贝尔奖+搞笑诺贝尔奖双料得主诞生 ——荷兰科学家Andre Geim。 十年前他因磁悬浮青蛙获得搞笑诺贝尔奖。 十年后他因石墨烯（graphene）的结构获诺贝尔奖。
青蛙属于抗磁质。当青蛙被放到磁场中，青蛙的每个原子都像一个 小磁针，外界磁场对这些小磁针作用的结果产生了向上的力，如果 磁场的强度适当，这力与青蛙受的重力达到平衡，它们就能悬在空 中。
第15章 磁介质的磁化
§15.1 磁介质的磁化 磁化强度矢量 §15.2 磁场强度 有磁介质时的安培环路定理 §15.3 铁磁质 §15.4 磁路定理
作业：练习册 选择题：1 — 5 填空题：1 — 6 计算题：1 — 4
1
§1 磁介质的磁化 磁化强度矢量
1. 磁介质
磁介质:实体物质在磁场作用下呈现磁性,该物体称磁介质。