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磁场中的磁介质(1)
本课时主要内容:
一、磁介质的分类
二、顺、抗磁质的磁化机理
三、有磁介质时磁场的基本规律
四、铁磁质的特征
2
本章教学基本要求
1、了解磁介质的磁化现象及其微观解释;
2、了解磁介质中的高斯定理及安培环路定理;
3、了解铁磁质的特性:剩磁、磁滞、磁畴、居里点。
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物质具有磁性的物理过程——磁化
能够被磁化的物质——磁介质
基本概念
本章讨论磁介质和磁场的相互影响
4
一、磁介质(Magnetic Materials)的分类:
但实验表明,不同的磁介质在磁场中产生的附加磁场是各不相同的,可按其附加磁场分为三大类:
与电场中的电介质相类似,处在磁场中的磁介质也要磁化
如铝、钨、锰
如铜、银、惰性气体
如铁、钴、镍及其合金
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二、顺磁质和抗磁质的磁化
问:一个磁介质分子有磁场吗?
1、原子中电子的磁矩
电子的轨道磁矩
磁介质分子的磁性主要是由分子中各原子的电子的轨道运动和自旋运动引起的。
电子的自旋磁矩
原子的磁矩
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一个分子的磁矩是各原子中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) 。可以看作由一个等效的圆电流----分子电流产生的。
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问:磁介质被磁化之前会有磁场吗?
2、磁介质分子中的电子在外磁场中运动状态变化
——〉每个磁介质分子均会产生与外磁场方向相反的附加磁矩 ,这是一切磁介质分子都有抗磁性的原因。
当磁介质分子处在磁场中时,分子中各电子因旋进产生的附加磁矩总是与外磁场相反,
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3、顺磁质(如:Al、Mn)的磁化:
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4、抗磁质(如:Cu、Ag)的磁化:
5、磁化强度的定义:
单位体积内分子总磁矩的矢量和。
单位:安培/米 (A/m)
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思考1:把两种磁介质小棒分别放在两个磁极N、S间,它们被磁化后在磁极间处于如图所示的不同位置,问哪种是顺磁质?
思考2:铝(顺磁质)、铜(抗磁质)与磁铁棒间有相互作用力吗?方向如何?
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三、有磁介质时磁场的基本规律:
1.束缚电流(磁化电流、分子面电流)的形成
问:顺、抗磁质束缚电流的方向判断?
只限于讨论各向同性的均匀磁介质
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2.束缚电流与磁化强度的关系
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2.束缚电流与磁化强度的关系
磁化强度沿任一闭合回路的环流,等于穿过此回路的束缚电流的代数和
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磁介质中的磁场由传导电流和束缚电流共同激发:
磁介质中高斯定理形式不变
三、有磁介质时磁场的基本规律:
3、磁介质中的磁场高斯定理
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三、有磁介质时磁场的基本规律:
沿任一闭合路径磁场强度的环流等于该闭合路径所包围的自由(传导)电流的代数和。
——磁介质中的安培环路定理
4、磁介质中的安培环路定理
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求解有关磁场的问题一般都先求磁场强度,再求磁感应强度及磁化强度等
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电介质中的高斯定理
磁介质中的安培环路定理
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实验规律
量纲
电磁场的
本构方程
描述真空中电磁场和
介质中电磁场的关系式
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例一: 一电缆由半径为 R1 的长直导线和套在外面单位内、外半径分别为R2 和 R3 的同轴导体圆筒组成,其间充满相对磁导率为 的各向同性顺磁质。电流 I 由中心导体流入,由外面圆筒流出。求:(1)磁场分布,(2)紧贴中心导线的磁介质表面的磁化电流。
解:(1)由对称性分析, 线和 线都是在垂直于轴线的平面内,并以轴线上某点为圆心的同心圆。 取距轴线距离 r 为半径的圆为安培环路 L ,顺时针绕行,则有:
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22
讨论:磁介质部分的磁场
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(2)由安培环路定理得
所以
注意:束缚电流的方向?!
束缚电流线密度大小与r的关系?
磁介质内表面: 磁介质外表面:
磁介质内表面:
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例二:细螺绕环导线内电流1A,共2480匝,环的平均周长0.5m。环内充满某种顺磁质,测得环内B=6.28×10-3T。设环内磁场均匀,求:环内磁场强度、相对磁导率、磁化率、束缚面电流密度和总束缚面电流强度。
解:
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四、铁磁质(Ferromagnetism)的特征:
1、铁磁质的微观结构--磁畴
铁磁性主要来源于电子的自旋磁矩。
* 交换力:电子之间的交换作用使其在自旋平行排列时能量较低,这是一种量子效应。
* 磁畴(magnetic domain):原子间电子交换耦合作用
很强,促使其自旋磁矩平行排列形成磁畴--自发的
磁化区域。磁畴大小约为1012-1015个原子/10-12米3 。
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2、铁磁质磁化过程中磁畴结构的变化
在外磁场较弱时,自发磁化方向与外磁场方向相同或相近的那些磁畴逐渐增大(畴壁位移),在外磁场较强时,磁畴自发磁化方向作为一个整体,不同程度地转向外磁场方向。
当全部磁畴都沿外磁场方向时,铁磁质的磁
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