《電磁學》第6章 第6.3 介質的磁化規(guī)律(2學時)

華僑大學信息科學與工程學院電子科學與技術系Email：zllin@林志立《電磁學》第六章磁介質（6學時）QQ群：200310752內容概要第六章磁介質（6學時）§6.1分子電流觀點（1學時）*§6.2等效的磁荷觀點（自學）§6.3介質的磁化規(guī)律（2學時）§6.4邊界條件和磁路定理（2學時）§6.5磁場的能量和能量密度（1學時）§6.3介質的磁化規(guī)律6.3.1磁化率和磁導率實驗表明：各向同性非鐵磁質中每點

與成線性關系，

其中為磁介質的磁化率，反映介質內每點處的磁特性。（1）磁化規(guī)律§6.3介質的磁化規(guī)律6.3.1磁化率和磁導率（2）將代入可得：

一些教材寫為一些教材寫為在一般情況下均成立；而僅在線性磁介質

中成立。說明(2)§6.3介質的磁化規(guī)律6.3.1磁化率和磁導率（2）應用：將和結合，可求解對稱、特殊分布的磁介質結構中的磁場問題。[例1]充滿各向同性均勻磁介質的螺繞環(huán)中的磁場填充磁介質后，磁場被放大了μ倍。μ§6.3介質的磁化規(guī)律6.3.1磁化率和磁導率[例2]軸對稱系統(tǒng)無限長金屬載流線，半徑為r0，電流強度為I0，外部包裹有各向同性均勻磁介質，磁導率為，半徑為R，求B的空間分布?！?.3介質的磁化規(guī)律6.3.1磁化率和磁導率[例3]介質中閉合回路L所套連的磁化電流為：證明：L任取，且可無限縮小，故I0

=0處I=0L磁介質若無傳導電流處，也無磁化電流。試證明在各向同性均勻磁介質內部，§6.3介質的磁化規(guī)律6.3.2順磁質和抗磁質（1）磁介質分類順磁質抗磁質§6.3介質的磁化規(guī)律鐵磁質抗磁質順磁質6.3.2順磁質和抗磁質§6.3介質的磁化規(guī)律抗磁質(m分子＝0）磁化微觀機制順磁質（

m分子≠0）磁化微觀機制（2）弱磁質磁化的微觀機制（a）分子無固有磁矩，組成抗磁質的物質分子磁矩：（b）電子軌道磁矩對外磁場的響應（簡單說明）在順磁性物質中，分子具有固有磁矩。無外磁場時，由于熱運動，各分子磁矩的取向無規(guī)，在每個宏觀體積元內合成的磁矩為0，不產生磁場。在外磁場中每個分子磁矩受到一個力矩，各分子磁矩在一定程度上沿外場排列起來，產生磁化磁場。溫度高，磁性下降。6.3.2順磁質和抗磁質§6.3介質的磁化規(guī)律外加磁場B0→fL（與f庫倫同向）→f向心增加→軌道線速度V增加(f向心=mv2/r）(r=c)→軌道磁矩m增加→→→產生抗磁外加磁場，多了洛倫茲力，r不變庫倫力附加磁矩與外磁場反向6.3.2順磁質和抗磁質§6.3介質的磁化規(guī)律外加磁場→fL（與f庫倫反向）→f向心減小→軌道線速度V降低(f向心=mv2/r）(r=c)→軌道磁矩m減小→→

產生抗磁→→△ω總與B的方向一致，從而感生的附加磁矩△m總與B的方向相反。附加磁矩與外磁場反向6.3.2順磁質和抗磁質§6.3介質的磁化規(guī)律6.3.3鐵磁質的磁化規(guī)律（1）鐵磁質定義：鐵磁質是指以鐵為代表的一類磁性很強（χm很大）的物質。

通常為過渡金屬（鐵，鈷、鎳）、稀土元素(如釓、鏑、鈥）；或鐵與其他金屬或非金屬的合金：如銣鐵硼、氧化鐵、鐵氧體。這些磁性材料不一定具有永久磁性。

（2）鐵磁質磁化規(guī)律和性質：鐵氧體材料§6.3介質的磁化規(guī)律6.3.3鐵磁質的磁化規(guī)律IBH鐵磁質霍耳器件探頭螺繞環(huán)0-+高斯計測B電流計測IHI()80-+飽和剩磁矯頑力鐵磁質磁化研究的示意圖高斯計（霍爾效應）or沖擊電流計（電磁感應）改變電流測出：M~H,B~H曲線§6.3介質的磁化規(guī)律6.3.3鐵磁質的磁化規(guī)律起始點：H=0(I0=0)，B=0,M=0磁化曲線特征：①

起始磁化曲線（第一次加磁場）（d）結果

為什么兩曲線性狀類似？abcsabcs飽和磁化強度飽和磁感應強度起始磁化曲線M-H起始磁化曲線B-H§6.3介質的磁化規(guī)律6.3.3鐵磁質的磁化規(guī)律②abcs起始(相對）磁導率：起始磁化率：最大磁化率：最大(相對）磁導率：§6.3介質的磁化規(guī)律6.3.3鐵磁質的磁化規(guī)律③磁滯回線問題：外加電流降低，H變小，M如何變化？起始磁化反向退磁正向充磁正向退磁§6.3介質的磁化規(guī)律6.3.3鐵磁質的磁化規(guī)律③磁滯回線起始磁化反向退磁正向充磁正向退磁磁滯回線§6.3介質的磁化規(guī)律6.3.3鐵磁質的磁化規(guī)律

“磁滯”的含義指：M,B的大小變化滯后于H（或I0）④有關解釋及性質磁滯回線“回線”M=0,B是否也同時為零？非線性、非單值關系鐵磁質的M~H，B~H關系性質：不但非線性，而且非單值。M,B的數值除了與H（I0）數值有關外，還決定于介質的磁化歷史?！?.3介質的磁化規(guī)律6.3.3鐵磁質的磁化規(guī)律問題：充磁后如何恢復到M=0,B=0的狀態(tài)？即如何消磁？錄音磁帶的交流消磁方法：先把磁帶放在交流磁場中，然后漸漸移出．§6.3介質的磁化規(guī)律6.3.4磁滯損耗鐵芯在交變磁場中有能量損耗——鐵損。鐵損包括兩個方面：鐵磁介質的磁滯損耗分析：§6.3介質的磁化規(guī)律6.3.4磁滯損耗電源做功計算：§6.3介質的磁化規(guī)律6.3.4磁滯損耗電源做功計算：正功負功凈功做功分析：§6.3介質的磁化規(guī)律6.3.4磁滯損耗一個周期后，鐵心螺線管的自感磁能不變，但電源做正功。

A=ΔWm(=0)+

ΔW？

圖中磁滯回線所包圍“面積”代表在一個磁化循環(huán)中單位體積的鐵芯內損耗的能量。磁疇摩擦--熱能討論:

線性磁介質沒有磁滯，回線面積為零，沒有對應磁化損耗?！?.3介質的磁化規(guī)律6.3.5鐵磁質的分類三類常見的鐵磁材料及其磁滯回線形狀HBOHBOHBO軟磁材料硬磁材料（永磁體）矩磁材料矯頑力小,易充、退磁.如純鐵硅鋼等.用于電機變壓器繼電器等的鐵芯.矯頑力大,剩磁也大.如錳鎂鐵氧體等用于電磁儀表揚聲器等的永久磁鐵.剩磁值接近飽和值.如碳鋼鋇鐵氧體等.兩剩磁態(tài)可控翻轉,用于計算機儲存元件.磁化損耗小§6.3介質的磁化規(guī)律6.3.6鐵磁質的微觀結構鐵磁性產生的條件：①原子本征磁矩不為零，原子內部要有末填滿的電子殼層。對于過渡族金屬，原子的3d的狀態(tài)與s態(tài)能量相差不大，因此它們的電子云也將重疊，引起s、d狀態(tài)電子的再分配。這種交換便產生一種交換能Eex(與交換積分有關)，這種相鄰原子的電子交換效應，其本質仍是靜電力迫使相鄰原子內d層末抵消的自旋磁矩同向排列起來。②要有一定的晶體結構，并且原子核之間的距離Rab與參加交換作用的電子距核的距離(電子殼層半徑)的比值r之比要大于3，使交換積分A為正。量子力學計算表明，當磁性物質內部相鄰原子的電子交換積分為正時(A＞0)，相鄰原子磁矩將同向平行排列，從而實現自發(fā)磁化。這就是鐵磁性產生的原因。量子理論解釋：鐵磁性的產生機理§6.3介質的磁化規(guī)律6.3.6鐵磁質的微觀結構磁疇(MagneticDomain)所謂磁疇，是指鐵磁體材料在自發(fā)磁化的過程中為降低靜磁能而產生分化的方向各異的小型磁化區(qū)域，每個區(qū)域內部包含大量原子，這些原子的磁矩都象一個個小磁鐵那樣整齊排列，但相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩排列的方向不同，如圖所示。

各個磁疇之間的交界面稱為磁疇壁。宏觀物體一般總是具有很多磁疇，這樣，磁疇的磁矩方向各不相同，結果相互抵消，矢量和為零，整個物體的磁矩為零，它也就不能吸引其它磁性材料。也就是說磁性材料在正常情況下并不對外顯示磁性。只有當磁性材料被磁化以后，它才能對外顯示出磁性。

磁疇理論使得可用量子理論從微觀上說明鐵磁質的磁化機理?！?.3介質的磁化規(guī)律6.3.6鐵磁質的微觀結構純鐵硅鐵鈷§6.3介質的磁化規(guī)律6.3.6鐵磁質的微觀結構鐵磁性的產生機理在沒有外磁場的條件下，相鄰原子中的電子自旋磁矩，可以自發(fā)地平行排列，形成一個個小的自發(fā)磁化微區(qū)-----磁疇。(疇：已耕作的田地，被溝壟劃分成塊)

各種材料磁疇的線度相差較大：微米--毫米。一個磁疇中約有1012--1015個原子。(由電子自旋磁矩引起)

用磁疇理論可以解釋：鐵磁質的磁化過程、磁滯現象、磁滯損耗以及居里點

無外磁場：各磁疇磁化方向雜亂無章----對外不顯磁性§6.3介質的磁化規(guī)律6.3.6鐵磁質的微觀結構加大外磁場時：磁場較弱：自發(fā)磁化方向與外磁場方向相同或相近的磁疇的體積逐漸增大，反之則逐漸縮小(疇壁運動)磁場較強：縮小著的磁疇消失，其它磁疇的磁化方向轉向外場方向。外場越強，轉向越充分。所有磁疇都沿外磁場方向排列時則達到飽和磁化狀態(tài)。H0HHHH§6.3介質的磁化規(guī)律6.3.6鐵磁質的微觀