磁场中的磁介质

超导表面电流引起的迈纳斯效应 超导体把磁感应线完全排斥出磁介质
抗磁性的起源: 当存在外加磁场时, 原子中不同
运动状态的电子所受洛伦力方向不同, 导致轨道
磁矩大小不同.
r
fm e vr
r
fe
m1
vr
er
r fm
m2 fe
r B0
如图 所以
结果
m1 m2 0
M 0
B
B0
B
B B0
B 0M 0
1. 磁介质的磁化 (1) 磁化现象: 磁介质在磁场中呈现磁性的现象. (2) 磁化的微观机制 分子环流模型: 磁介质由大量磁性分子所组成, 每一磁性分子构成一环形电流—分子磁偶极子.
未加载磁场时, 各个分子磁矩取向杂 乱无章, 因此磁介质宏观上不显磁性.
加载磁场后, 分子环流趋向外磁 B0 场方向.
rr
M与H同向
铁磁质: 在外磁场作用下, 介质内束缚电流的磁
场与外磁场同向, 结果磁化效果非常显著. 注: 有些铁磁质本身就具有磁性.
典型的铁磁质: Fe(铁)、Co(钴)、Ni(镍) 等元素及其合金.
铁 氧 体 − − 由 氧 化 铁 (Fe2O3) 与 其 它 金 属 氧 化 物 (NiO、CuO、MnO、BaO)混合成的材料. 铁氧体是典型的顺磁质, 因而受到广泛应用.
安培环路定理
rr
l HdlI0
r H
rr
BH
r B
注意: 磁介质中的安培环路定理给出了有介质存 在时, 传导电流和磁场强度矢量之间的普遍规律.
(2) 高斯定理
磁场中的高斯定理对导线中传导的稳恒电
流以及磁介质中的束缚电流都是适用的.
rr
ÑS B dS 0
Br:表示有介质存在时的磁感应强度矢量, 它由传
(2) B的变化总是滞后于H的变化—磁滞现象;
(3) 外磁场撤去后, B并不等于0—剩磁现象Br; (4) 消除剩磁Br的反向磁场强度(矫顽力Hc)反映 了铁磁质的剩磁能力, 对应的这段曲线称为退磁 曲线;
(5) 可以证明: 磁滞回线包围的面积等于反复磁 化过程中单位体积铁磁质损耗的能量.
3. 磁性材料 (1) 软磁材料
B
磁饱和: 随外磁场增强, 介质磁化程度增加, 最终所有 磁畴都与外场方向相同.
§9.3 铁磁质的磁化特性
1. 磁化曲线 磁化曲线: 在外磁场作用下, 铁磁质中磁感应强 度 B 与磁场强度 H 的关系曲线—B-H曲线.
r rr
B0 0H，H 反映磁化场的大小
r rr
B H，B 反映感应场的大小
其中, I0 为传导电流, I 为束缚电流.
在具体应用时, 束缚电流很难直接求出. 如何避开束缚电流求磁感应强度？
利用磁化强度矢量与束缚电流的关系
rr
Ñl M dl I in
有
rr
Ñ B dl l
0
Ii 0
Ii0
i
i
蜒 1
0
rr B dl
l
rr
M dl
l
Ii0
i
若令 则
铁磁性的起源: 铁磁质不同于一般的顺磁质, 其 主要区别在于它们的磁畴结构不同.
磁畴: 铁磁质内自发磁化的 小区域, 其线度与晶粒大小 有关, 通常约10-2 ~10-4 mm, 包含约1015个原子. 磁畴之 间存在畴壁.
磁畴的起源: 由于铁磁质中原子之间存在量子性 的交换力, 无外加磁场时磁畴内的原子磁矩会因 自发磁化而方向趋于一致.
在外加磁场作用下, 分子磁矩定向排列的程 度越高, 其磁化强度矢量越大. 磁化强度矢量反映 了介质磁化的程度.
磁化强度矢量 Mr 与束缚电流 I有关 rr
Ñl M dl I in
在磁介质内部, 磁化强度矢量沿任一闭合回 路 l 的曲线积分, 数值上等于穿过该回路包围面积 的束缚电流代数和.
磁化强度矢量与束缚电流面密度的关系
物质中的原子有其电子轨道运动, 所以物质 具有抗磁性. 通常, 洛伦兹力使轨道磁矩变化非 常微弱, 其抗磁性很小. 在许多物质中抗磁性又 被顺磁性和铁磁性所掩盖.
(2) 顺磁质 若
由 可得
rr
B B0 r 1 磁介质称为顺磁质
B B0
r 1 m m 0
M mH
rr
M与H同向
顺磁质: 在外磁场作用下, 磁介质束缚电流磁场 与外加磁场方向相同, 结果介质中总磁感应强度 增大.
(1) 抗磁质
若 此时
rr
B B0 r 1 B B0
由
r 1 m
可得 m 0
磁介质称为抗磁质
M mH
rr M 与 H 反向
抗磁质: 在外磁场作用下, 束缚电流产生的磁场 与外加磁场反向, 因此介质中的磁感应强度减小.
B B0
抗磁质把磁感应线排斥出磁介质
m 0 r 1
B0
m 1 r 0
磁畴的观察: 在电解抛光的铁磁质表面涂上含有 铁粉的胶状悬浮液, 其铁粉有选择地聚集在磁畴 壁处, 利用显微镜可观察其分布. 居里点: 温度高于某一临界值后, 铁磁质的原子 交换作用消失, 铁磁质变为顺磁质(Fe: 770℃). 铁磁质的磁化:
无外磁场: 磁畴排列方向无序, 磁介质不显磁性.
加载磁化场: 磁畴排列方向趋于一致, 与外磁场同向的 磁畴体积增大, 反向磁畴体积减小—畴壁运动.
➢介质的磁化 ➢介质的磁化特性—抗磁质、顺磁质和铁磁质
§9.1 磁介质的磁化
当介质处于磁场中时, 磁场会对介质中的电 荷产生作用, 使其电结构发生变化, 从而对外显 示磁性—磁化现象; 同时介质的磁化反过来又会 影响磁场的分布.
➢ 磁介质的磁化与磁化强度矢量 ➢ 磁介质内的磁感应强度 ➢ 有磁介质时的安培环路定律和高斯定律
铁氧体非金属硬磁材料: 其Br虽不及金属硬磁材料, 但矫顽力Hc较高, 易 于做成短棒、薄片等形状.
(3) 矩磁材料 具有矩形磁滞回线的铁磁质
BT
Br
特性: 利用其+Br、-Br两种剩 Hc 磁状态可存储计算机数据, 计
Hc
H A/m
算机中的环形磁芯便是用矩
Байду номын сангаас Br
磁材料制成的.
典型的矩磁材料: 锰镁矩磁铁氧体, 锂锰矩磁铁氧体; 坡莫合金矩磁材料. 特性: 具有磁致伸缩效应, 可用于制作磁压转换 器件、超声波换能器和机械滤波器等.
(2) 硬磁材料
BT
Br
Hc
Hc
H A/m
Br
矫顽力Hc>104 A/m
特性: 磁滞效应显著, Br与Hc较大. 撤去外磁场后 仍能保持磁性, 可用于制造永久磁铁.
典型的硬磁材料: 高碳钢(含碳量1~1.5%), 钨钢, 铬钢, 其磁性较差;
稀土永磁硬磁材料: 磁性极强, 是目前着力开发的永磁材料, 铝镍钴合金(Br=9500G, Hc=8800Oe); 钕铁硼合金.
矫顽力Hc<102 A/m
BT
Br
Hc
H A/m
特性: 磁滞效应不明显, 撤去外场后磁性很快消 失, 可用作电磁铁的铁芯.
典型的软磁材料: 铁硅合金、铁镍合金、铁铝合金、铁钴合金等,
其电阻率较低(10 7m ), 容易产生较大的涡流.
软磁铁氧体: 锰锌铁氧体、镍锌铁氧体, 其电阻率较高(1: 104m), 已广泛用于电子技术.
第9章 磁场中的磁介质
上一章研究了真空中稳恒电流或运动电 荷所产生磁场的性质和规律, 其结论只适用于 空间无磁介质的真空或空气情形.
如果存在磁介质, 磁场的分布规律以及 处于磁场中的介质会发生什么样的变化？
本章介绍存在磁介质时稳恒磁场的性质 与规律, 以及磁场变化的微观机制, 并讨论磁 场中磁介质的变化—磁化规律.
r j
r M
ern
r Mt
j
M
sin
Mt
j
en
Mr
Mt
在磁介质表面,
束缚电流面密度
r j
等于磁化
强度矢量在表面切线方向的分量
r M
t
.
3. 磁介质内的磁感应强度
由于介质磁化, 在外加磁场基础上迭加上束
缚电流产生的附加磁场.
rr r
r B
:
B B0 B
介质中的总磁感应强度矢量
r
BBr0::
外加磁场的磁感应强度矢量 磁介质表面束缚电流产生的磁感应强度矢量
Br 的大小取决于磁化强度矢量
r M
.
Br 与
r B0
可以是同向的―顺磁质,
也可以是反向的
―抗磁质.
4. 有磁介质存在时的安培环路定理和高斯定理 (1) 安培环路定理 有磁介质存在时, 安培环路定理为
rr
Ñl B dl 0 I 0 ( I0 I)
磁化曲线反映铁磁质的磁化特性. 由于曲线的对 称性, 故其起磁化曲线最为典型.
BT
1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
0
r
rM
BM
6000
BH
5000
4000
r H
3000 2000
1000
200 400 600 800 1000 1200 H A/m
铸铁的起磁化曲线
r
rr
Ñrl (
B
r
0
M)
r
dl
H B 0 M
Ii0
i
称为磁场强度
rr
Ñl H dl I0
存在磁介质时的安培环路定理: 磁场强度矢量的
环量等于闭合回路所包围传导电流的代数和.
对于均匀磁化
rrr
B r0 H r0M
B0 B
r
r
均匀磁介质的磁化规律 M mH
m 为磁化率, 它反映了介质的磁化特性.
磁化程度也取决于电子的热运动.
r
电子自旋 外磁场B0 电子自旋
磁矩无序 热运动T 磁矩有序
典型的顺磁介质: Al(铝)、W(钨)、O2(液态氧)、CuCl2(氯化铜)等.
(3) 铁磁质
若
r B
r B0
r
103 ?
1且≠常数的磁介质称为铁磁质.
rr
B ? B0
由 可得
r 1 m m 0
M mH
铁磁质的起磁化特性: (1) B随H增大而增加;
(2) 磁导率不为常数, 最大磁导率为M;
(3) 存在磁饱和现象, 饱和磁感应强度为BM.
2. 磁滞回线 实验表明: 当H减小时, B-H曲线并不按起始磁化 曲线返回−−磁滞回线.
BT
BM
Br
Hc
Hc
o
Br BM
H A/m
铁磁质的磁滞回线
铁磁质磁化的磁滞特性: (1) 起磁化曲线与反向磁化曲线不重合;
多数磁介质的 m很小, 这与物质的微观结构有关. Fe、Co、Ni等金属的 m 很大, 且与Hr 成复杂的函数
关系.
由 可得
B
0
(
H
M
)
B 0(H mH ) 0(1 m)H
若令 0 (1 m ) 0r 称为介质的磁导率 r (1 m ) 称为介质的相对磁导率
则有
rr
B H
其中 可测量获得
➢ 磁介质的分类—抗磁质、顺磁质和铁磁质 ➢ 铁磁质的磁化特性—磁滞回线
1. 磁介质的分类
介质中的磁感应强度
r B
与外加磁场Br 0的关系如何?
由
B H
可得
B0 0H
B 0rH
rr
B B0 r
上式表明: 介质中的磁感应强度与外磁场之比等 于介质的相对磁导率. 根据相对磁导率大小不同, 将其分为如下三类:
② 束缚电流 I 的出现使介质对外呈现磁性, 其磁
性的强弱与介质的磁化程度有关.
③ 束缚电流产生的磁场会改变原来磁场的空间
分布.
2. 磁化强度矢量
为定量描述介质的磁化状态和磁化程度, 需
引入磁化强度矢量:
M lim
m分子
V 0 V
磁化强度矢量: 指单位体积内所有分子磁偶极矩
的矢量和, 且仅与束缚电流有关.
mr自旋 9.31024 A m2
M 0 B 0M 0
B B0
在外磁场作用下, 电子 自旋磁矩沿外磁场方向 排列—介质磁化
rr r r B B0 B B0
既然顺磁性起源于电子的自旋, 为何并非所有的 物质都具有顺磁性呢? 电子对的量子效应: 大部分物质中的电子常形成 电子对, 其磁矩相互抵消. 仅当电子数为奇数或 因其它原因使自旋磁矩不能完全抵消时, 物质才 呈现顺磁性.
导电流与束缚电流共同产生.
Mr :表示介质的磁化强度矢量, 仅与束缚电流有关.
r H
:
磁场强度,
属一辅助物理量而没有直接的物理
意义, 仅为了计算方便而引入的.
§9.2 介质的磁化特性— 抗磁质、顺磁质和铁磁质
外加磁场引起介质磁化, 从而使周围磁场发 生变化. 不同介质的磁化特性不同, 因而磁场的变 化不同.
B B0
m 0, r 1 顺磁质把磁感应线聚集到其内部
一般情况下, 介质的顺磁性非常微弱:
r 1104
顺磁性的起源: 在外加磁场作用下, 原子中自旋 运动的电子受洛伦兹力作用, 其磁矩方向与外加 磁场方向趋于一致, 结果介质中的总磁场增强.
r m自旋
B0
r M自旋
电子自旋磁矩(本征磁矩)
r × ×× ×× B0 × × × × ×
× ×× ×× S × × × ×I×
× ×× ××
r
B0
N
r B0
I
介质磁化后, 在其表面出现的环形电流(束 缚电流)会影响原来磁场的分布.
(3) 磁化的宏观效果
① 介质表面的束缚电流I 与传导电流不同, 它不
是由载流子的宏观移动形成的, 而是分子磁矩定 向排列的结果.