1、第三篇第三篇電磁學(xué)第第1212章章 介質(zhì)中的磁性介質(zhì)中的磁性第第12章章 介質(zhì)中的磁性介質(zhì)中的磁性Magnetism in Matter第第1節(jié)節(jié) 順磁性與抗磁性順磁性與抗磁性第第2節(jié)節(jié) 磁化強(qiáng)度與介質(zhì)磁化強(qiáng)度與介質(zhì) 的磁化規(guī)律的磁化規(guī)律第第1節(jié)節(jié) 順磁性與抗磁性順磁性與抗磁性Paramagnetism and Diamagnetism0rBB 一、磁介質(zhì)的磁效應(yīng)一、磁介質(zhì)的磁效應(yīng)定義定義:1.磁介質(zhì)的分類磁介質(zhì)的分類0BBB 相對(duì)磁導(dǎo)率相對(duì)磁導(dǎo)率0EEE B 電介質(zhì)的電介質(zhì)的極化極化E 0E 0B B 0B 0BBB 磁介質(zhì)的磁介質(zhì)的磁化：磁化：0E E 0BB 0BB 相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電

2、常數(shù)0rEE 1順磁質(zhì)順磁質(zhì)1 r 如：氧、鋁、鎢、鉑、鉻等如：氧、鋁、鎢、鉑、鉻等如：氮、水、銅、銀、金、鉍等如：氮、水、銅、銀、金、鉍等如：鐵、鈷、鎳等如：鐵、鈷、鎳等 r 不同的磁介質(zhì)在磁場(chǎng)中所表現(xiàn)出的特性不同：不同的磁介質(zhì)在磁場(chǎng)中所表現(xiàn)出的特性不同：抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)1 r 鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)1 r 注：注：順、抗磁質(zhì)是弱磁性材料順、抗磁質(zhì)是弱磁性材料 鐵磁質(zhì)是強(qiáng)磁性材料鐵磁質(zhì)是強(qiáng)磁性材料20rBB 2.物質(zhì)的磁性起源物質(zhì)的磁性起源（1）分子磁矩分子磁矩分子中電子的運(yùn)動(dòng)分子中電子的運(yùn)動(dòng)繞核運(yùn)動(dòng)繞核運(yùn)動(dòng)電流環(huán)電流環(huán)軌道磁矩軌道磁矩自旋運(yùn)動(dòng)自旋運(yùn)動(dòng)自旋磁矩自旋磁矩 自自nIS 軌軌 兩種運(yùn)動(dòng)磁效應(yīng)的總

3、和兩種運(yùn)動(dòng)磁效應(yīng)的總和等效等效 分子分子圓電流圓電流 自自軌軌分分子子 *分子的分子的 “固有磁矩固有磁矩”- +)(mp3 類似電介質(zhì)的討論，從物質(zhì)微觀電結(jié)構(gòu)來(lái)類似電介質(zhì)的討論，從物質(zhì)微觀電結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)明物質(zhì)磁性的起源。說(shuō)明物質(zhì)磁性的起源。 分子電流所對(duì)應(yīng)的磁矩在外磁場(chǎng)中的行為分子電流所對(duì)應(yīng)的磁矩在外磁場(chǎng)中的行為決定介質(zhì)的特性。決定介質(zhì)的特性。*分子的分子的 “附加磁矩附加磁矩” zLW W陀螺陀螺進(jìn)動(dòng)進(jìn)動(dòng)0B L 0B L 電子的進(jìn)動(dòng)電子的進(jìn)動(dòng) 0B 4mMpB ii 分分子子附加磁矩附加磁矩（2） 順磁、抗磁特性的微觀解釋順磁、抗磁特性的微觀解釋1 順磁性順磁性00B 0 i 0B 0B 分

4、分子子B I 0B 磁化面電流磁化面電流*B0 強(qiáng)，強(qiáng)，溫度越低（溫度越低（熱運(yùn)動(dòng)緩慢熱運(yùn)動(dòng)緩慢）排排列列越越整整齊齊分分子子 , 磁化面電流越大磁化面電流越大, 磁化越厲害。磁化越厲害。0B 0 分分子子NS 分分子子分分子子注：注：*在有外場(chǎng)時(shí)，在有外場(chǎng)時(shí)，是順磁質(zhì)產(chǎn)生磁效應(yīng)的主要原因是順磁質(zhì)產(chǎn)生磁效應(yīng)的主要原因分子固有磁矩分子固有磁矩 5I0B2 抗磁性抗磁性0 分分子子電子附加一個(gè)磁矩電子附加一個(gè)磁矩i 分分子子 0B B 00B 0 i 當(dāng)沒(méi)有外磁場(chǎng)時(shí)當(dāng)沒(méi)有外磁場(chǎng)時(shí)附加磁矩附加磁矩 是抗磁質(zhì)產(chǎn)生磁效應(yīng)唯一的原因是抗磁質(zhì)產(chǎn)生磁效應(yīng)唯一的原因 當(dāng)有外磁場(chǎng)時(shí)當(dāng)有外磁場(chǎng)時(shí)0BI0B 分分子子

5、 與與 方向永遠(yuǎn)相反方向永遠(yuǎn)相反0BB 與與 方向也相反方向也相反, 所以抗磁體內(nèi)所以抗磁體內(nèi)0BB 注注表面分子磁化電流不是自由電荷定向運(yùn)動(dòng)形成表面分子磁化電流不是自由電荷定向運(yùn)動(dòng)形成！6不顯磁性不顯磁性電子磁矩完全抵消電子磁矩完全抵消,固有磁矩為零。固有磁矩為零。3 超導(dǎo)體的完全抗磁性超導(dǎo)體的完全抗磁性超導(dǎo)體：超導(dǎo)體：在臨界溫度以下在臨界溫度以下 電阻變?yōu)榱?。電阻變?yōu)榱?。將超?dǎo)體放入外磁場(chǎng)中將超導(dǎo)體放入外磁場(chǎng)中體內(nèi)體內(nèi) 邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)0 B0B 應(yīng)用：應(yīng)用：制成磁懸浮列車、制成磁懸浮列車、無(wú)摩擦軸承等。無(wú)摩擦軸承等。B NN70 B0B *順磁性介質(zhì)處在外磁場(chǎng)時(shí)順磁性介質(zhì)處在外磁場(chǎng)時(shí)

6、 其體內(nèi)磁場(chǎng)：其體內(nèi)磁場(chǎng)：0BBB 0B B 0BB *抗磁性介質(zhì)處在外磁場(chǎng)時(shí)抗磁性介質(zhì)處在外磁場(chǎng)時(shí) 其體內(nèi)磁場(chǎng)：其體內(nèi)磁場(chǎng)：0BBB 0B B 0BB 問(wèn)：?jiǎn)枺喝魧⒁淮沤橘|(zhì)放入磁場(chǎng)中，你如何若將一磁介質(zhì)放入磁場(chǎng)中，你如何 判斷該介質(zhì)是順磁還是抗磁介質(zhì)？判斷該介質(zhì)是順磁還是抗磁介質(zhì)？NS小結(jié)：小結(jié)：8第第2節(jié)節(jié) 磁化強(qiáng)度與介質(zhì)的磁化規(guī)律磁化強(qiáng)度與介質(zhì)的磁化規(guī)律一、磁化強(qiáng)度矢量一、磁化強(qiáng)度矢量MMagnetization and Magnetizing Regularity of Materials0limiVMV 1.磁化強(qiáng)度矢量定義磁化強(qiáng)度矢量定義單位體積內(nèi)分子單位體積內(nèi)分子 磁矩的矢量和磁

7、矩的矢量和9為了表征物質(zhì)的宏觀磁性或介質(zhì)的磁化程度，為了表征物質(zhì)的宏觀磁性或介質(zhì)的磁化程度，引入物理量引入物理量磁化強(qiáng)度矢量。磁化強(qiáng)度矢量。單位：安培單位：安培/米米 (A/m)顯然顯然: 它與介質(zhì)特性、溫度與統(tǒng)計(jì)規(guī)律等有關(guān)它與介質(zhì)特性、溫度與統(tǒng)計(jì)規(guī)律等有關(guān).順磁質(zhì)順磁質(zhì) 與與 同向，所以同向，所以 與與 同方向。同方向。M 0B 0B B 抗磁質(zhì)抗磁質(zhì) 與與 反向，所以反向，所以 與與 反方向。反方向。M 0B 0B B 2.磁化強(qiáng)度矢量磁化強(qiáng)度矢量 與磁化面電流與磁化面電流 I 的關(guān)系的關(guān)系 設(shè)長(zhǎng)為設(shè)長(zhǎng)為l, 橫截面為橫截面為S的柱形介質(zhì)在外磁場(chǎng)中沿的柱形介質(zhì)在外磁場(chǎng)中沿軸向被均勻磁化軸向

8、被均勻磁化, 表面束縛面電流為表面束縛面電流為I 。介質(zhì)的體積為介質(zhì)的體積為SlV V內(nèi)的分子磁矩之和為內(nèi)的分子磁矩之和為SI ii lI MMiMV I Sl S Il i面電流密度面電流密度ne niMe M磁化強(qiáng)度的環(huán)流磁化強(qiáng)度的環(huán)流i li iIlM l 更一般的證明為更一般的證明為L(zhǎng)dLMl 比較電介質(zhì)比較電介質(zhì)P n 束縛電荷面密度束縛電荷面密度等于電極化強(qiáng)度等于電極化強(qiáng)度的法向分量。的法向分量。10M 二、磁介質(zhì)中宏觀磁場(chǎng)的規(guī)律二、磁介質(zhì)中宏觀磁場(chǎng)的規(guī)律1.有介質(zhì)時(shí)的安培環(huán)路定理有介質(zhì)時(shí)的安培環(huán)路定理dd000()iiLLiiBlBBlII 在有介質(zhì)的空間，傳導(dǎo)電流與磁化電流在有

9、介質(zhì)的空間，傳導(dǎo)電流與磁化電流共同產(chǎn)生磁場(chǎng)：共同產(chǎn)生磁場(chǎng)：d0()iLiBMlI 即即傳導(dǎo)電流傳導(dǎo)電流磁化電流磁化電流d00iLiIMl 0BHM 定義定義磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度11diLiMlI 則有則有diLiHlI 有介質(zhì)時(shí)的有介質(zhì)時(shí)的 安培環(huán)路定理安培環(huán)路定理 單位單位: 安培安培/米（米（A/m） 沿任一閉合路徑磁場(chǎng)強(qiáng)度的環(huán)流等于該沿任一閉合路徑磁場(chǎng)強(qiáng)度的環(huán)流等于該閉合路徑所包圍的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和。閉合路徑所包圍的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和。2. 三矢量之間的關(guān)系三矢量之間的關(guān)系BMH、實(shí)驗(yàn)指出：實(shí)驗(yàn)指出：各向同性的線性磁介質(zhì)有各向同性的線性磁介質(zhì)有HMm m 介質(zhì)磁化率介質(zhì)磁化率0()BHM 那么

10、那么0(1)mH 0 rH mr 1其中其中HB 即即 m 與與 r 均為純數(shù)均為純數(shù), 描述磁介質(zhì)特性的物理量。描述磁介質(zhì)特性的物理量。0r 0 m 1 r 順磁介質(zhì)順磁介質(zhì)0 m 1 r 抗磁介質(zhì)抗磁介質(zhì)0 m 1 r 真空真空1 m 0 r 超導(dǎo)體超導(dǎo)體120BHM 相對(duì)磁導(dǎo)率相對(duì)磁導(dǎo)率介質(zhì)磁導(dǎo)率介質(zhì)磁導(dǎo)率比較磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)與電介質(zhì)中電場(chǎng)的有關(guān)規(guī)律比較磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)與電介質(zhì)中電場(chǎng)的有關(guān)規(guī)律0BHM diLLHlI d0()iSSEPSq 0DEP diSSDSq d0()iiLLBlII d0()iLLBMlI d01()iiSSESqq 0(1)eDE0rDEE (1)re 0ePE

11、mMH 0(1)mBH (1)rm 0rBHH 13cbadH 例例1. 長(zhǎng)直螺線管內(nèi)充滿均勻磁介質(zhì)長(zhǎng)直螺線管內(nèi)充滿均勻磁介質(zhì) r, 單位長(zhǎng)度上單位長(zhǎng)度上 上的匝數(shù)為上的匝數(shù)為n, 通有電流通有電流I 。 求求: 管內(nèi)的管內(nèi)的B, 磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度M及表面束縛電流密度及表面束縛電流密度i 。解：解：IabnHab HnI 0rBH mMH HMm 順磁質(zhì)順磁質(zhì)，1 r 抗磁質(zhì)抗磁質(zhì), 1 r nI nIr) 1( M B I根據(jù)安培環(huán)路定理，取圖示的回路，根據(jù)安培環(huán)路定理，取圖示的回路，. .14diLLHlI (1)rinI 則有則有又又niMe iI /iI 對(duì)稱場(chǎng)有磁介質(zhì)時(shí)對(duì)稱場(chǎng)有磁介質(zhì)

12、時(shí),只需將只需將 “B” 中中 的的 0 即可。即可。解題一般步驟解題一般步驟由由I傳傳HBMHB HMm 15注：畢畢薩定律有薩定律有真空真空d0024rI leBr d24rI leBr 介質(zhì)空間介質(zhì)空間例：例：無(wú)限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線的磁場(chǎng)無(wú)限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線的磁場(chǎng)02IBr 無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線周圍充滿介質(zhì)時(shí)無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線周圍充滿介質(zhì)時(shí)2IBr i niM e diLiHlI 解解: 設(shè)螺繞環(huán)設(shè)螺繞環(huán)通通有有電流電流 I0, 單位單位 長(zhǎng)度上的匝數(shù)為長(zhǎng)度上的匝數(shù)為n.diLLHlI 02 rHNI 0HnI 000BnI 又空心螺繞環(huán)的磁感應(yīng)強(qiáng)度又空心螺繞環(huán)的磁感應(yīng)強(qiáng)度00BH 0BHM 0000BHMBM

13、 例例2.已知空心螺繞環(huán)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為已知空心螺繞環(huán)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 , 充滿磁介充滿磁介 質(zhì)后質(zhì)后,介質(zhì)的磁化強(qiáng)度為介質(zhì)的磁化強(qiáng)度為 ,求螺繞環(huán)內(nèi)的磁感求螺繞環(huán)內(nèi)的磁感 應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)強(qiáng)度 = ?M B 0B . . . .or 如圖如圖取取平均半徑平均半徑r的同的同心圓為積分環(huán)路心圓為積分環(huán)路L, 則則L而而161.磁化曲線磁化曲線裝置裝置：環(huán)形螺繞環(huán)，用鐵磁質(zhì)環(huán)形螺繞環(huán)，用鐵磁質(zhì) 充滿環(huán)內(nèi)空間充滿環(huán)內(nèi)空間,并被磁化。并被磁化。2NIHR 用高斯計(jì)測(cè)量螺繞環(huán)磁隙用高斯計(jì)測(cè)量螺繞環(huán)磁隙處處的的BHr 00rBBBH 由由（1）鐵磁質(zhì)的）鐵磁質(zhì)的 r不是個(gè)常數(shù)不是個(gè)常數(shù), 它是它是H 的函數(shù)。的函數(shù)。

14、三、三、鐵磁質(zhì)的磁效應(yīng)鐵磁質(zhì)的磁效應(yīng)原理：原理：根據(jù)安培定理根據(jù)安培定理, 由傳導(dǎo)由傳導(dǎo) 電流得環(huán)內(nèi)的磁場(chǎng)電流得環(huán)內(nèi)的磁場(chǎng)IHr 得出得出曲線曲線17結(jié)論結(jié)論. . . .鐵鐵磁磁質(zhì)質(zhì)R高斯計(jì)高斯計(jì)B的變化落后于的變化落后于H, 從而具有從而具有剩磁剩磁磁滯效應(yīng)磁滯效應(yīng)每個(gè)每個(gè)H 對(duì)應(yīng)不同的對(duì)應(yīng)不同的B與磁化的歷史有關(guān)。與磁化的歷史有關(guān)。1 起始磁化曲線起始磁化曲線3 剩磁剩磁Br2 飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BS4 矯頑力矯頑力HC（2）磁滯回線）磁滯回線（3）在交變電流的勵(lì)磁下反復(fù)磁化使其溫度升高）在交變電流的勵(lì)磁下反復(fù)磁化使其溫度升高 磁滯損耗磁滯損耗BrBCH HsB磁滯損耗磁滯損耗

15、與與磁滯回線磁滯回線所包圍的面積成正比。所包圍的面積成正比。sB 18鐵磁體在交變場(chǎng)的作用下形狀會(huì)隨之變化鐵磁體在交變場(chǎng)的作用下形狀會(huì)隨之變化 磁致伸縮磁致伸縮（4）當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，每種鐵磁介質(zhì)的當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，每種鐵磁介質(zhì)的 高磁導(dǎo)率、磁滯、磁致伸縮等特性全部消失，高磁導(dǎo)率、磁滯、磁致伸縮等特性全部消失， 而變?yōu)轫槾判浴６優(yōu)轫槾判?。如：鐵為如：鐵為 1040K，鈷為，鈷為 1390K， 鎳為鎳為 630K不同鐵磁質(zhì)具有不同的轉(zhuǎn)變溫度不同鐵磁質(zhì)具有不同的轉(zhuǎn)變溫度(相變溫度相變溫度Tc) 這個(gè)轉(zhuǎn)變溫度叫這個(gè)轉(zhuǎn)變溫度叫臨界溫度臨界溫度或稱或稱居里點(diǎn)居里點(diǎn)2.常見(jiàn)的幾種常見(jiàn)的幾種鐵

16、磁質(zhì)鐵磁質(zhì)（1）軟磁材料）軟磁材料 r大大，CH CH特點(diǎn)特點(diǎn)：矯頑力矯頑力(HC)小；??；易磁化、易退磁易磁化、易退磁BH 如如: :純鐵、純鐵、 硅鋼硅鋼磁滯回線的面積窄而長(zhǎng)磁滯回線的面積窄而長(zhǎng)損耗?。〒p耗?。℉B面積?。┟娣e小） 適用于變壓器、繼電器、電機(jī)、以及各種適用于變壓器、繼電器、電機(jī)、以及各種高頻電磁元件的磁芯、磁棒。高頻電磁元件的磁芯、磁棒。19（2） 硬磁材料硬磁材料鎢鋼、碳鋼、鎢鋼、碳鋼、矯頑力矯頑力(HC)大大剩磁剩磁Br大大磁滯回線的面積大磁滯回線的面積大適合做電子儀表、耳機(jī)、揚(yáng)聲器中的永久磁鐵適合做電子儀表、耳機(jī)、揚(yáng)聲器中的永久磁鐵20BHCH CH特點(diǎn)：特點(diǎn)：如：如

17、：（3） 矩磁材料矩磁材料剩磁剩磁接近飽和值接近飽和值 Br BS嬌頑力嬌頑力HC不大不大磁滯回線是矩形磁滯回線是矩形錳鎂鐵氧體、鋰錳鐵氧體錳鎂鐵氧體、鋰錳鐵氧體CH CHBH特點(diǎn)：特點(diǎn)：如：如：兩剩磁狀態(tài)可控翻轉(zhuǎn)兩剩磁狀態(tài)可控翻轉(zhuǎn),用于計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存元件用于計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存元件.交換力交換力: :電子之間的交換作用使其在自旋平行電子之間的交換作用使其在自旋平行 排列時(shí)能量較低排列時(shí)能量較低, 這是一種這是一種量子效應(yīng)量子效應(yīng)。磁疇磁疇: :原子間電子交換原子間電子交換 耦合作用很強(qiáng)耦合作用很強(qiáng), 使其自旋磁矩平使其自旋磁矩平 行排列形成行排列形成磁疇磁疇。鐵磁性主要來(lái)源于電子的自旋磁矩鐵磁性主要來(lái)源于電子的自旋磁矩!3. 鐵磁質(zhì)磁化的微觀機(jī)制鐵磁質(zhì)磁化的微觀機(jī)制自發(fā)的磁化區(qū)域自發(fā)的磁化區(qū)域21磁疇磁疇H =0 0自自 HH 0自自 H )( 自自 自自 自自 22磁疇的變化可用金相顯微鏡觀測(cè)磁疇的變化可用金相顯微鏡觀測(cè)H自發(fā)磁化方向與自發(fā)磁化方向與外磁場(chǎng)方向相近外磁場(chǎng)方向相近的磁疇擴(kuò)大體積的磁疇擴(kuò)大體積, 磁疇壁發(fā)生移動(dòng)，磁疇壁發(fā)生移動(dòng)，鐵磁質(zhì)的磁矩急鐵磁質(zhì)的磁矩急劇增加劇增加磁疇的自磁疇的自發(fā)磁化方發(fā)磁化方向轉(zhuǎn)向外向轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)方向，磁場(chǎng)方向，磁矩繼續(xù)磁矩繼續(xù)增加增加全部磁全部磁疇均轉(zhuǎn)疇均轉(zhuǎn)向外磁向外磁場(chǎng)方向，場(chǎng)方向，達(dá)到磁達(dá)到磁飽和飽和.各磁疇