第六章磁介质（magnetic medium）基本要求1、理解三种磁介质磁化的微观机制和束缚电流的产生，了解磁化强度的意义。2、 理解磁场强度的定义及磁场强度的环路定理的意义并能利用它们求解有磁介质存在时具有一定对称性的磁场的问题。3、了解铁磁介质的特性。4、掌握磁场的边界条件，会计算简单的磁路问题。5、理解磁场能量的概念和磁场能量密度公式。重点难点 1、磁化强度矢量M和磁导率是本章的重要物理量，掌握M与磁化电流的关系；深刻理解磁场强度H的意义，掌握有磁介质时的安培环路定理，并会用该定理计算某些特殊情况下磁介质中的磁场分布。明确B，H，M三者的联系和区别。 2、掌握磁场的边界条件。3、明确磁场作为物质存在的一种形态，具有能量。 教学内容教学内容 1 分子电流观点一、磁介质的磁化 磁化强度矢量M及其与磁化电流的关系1、有关磁介质磁化理论的两种观点：1）磁荷观点2）分子电流观点：即安培的分子环流假说例：软铁棒：分子是一个复杂的带电系统。 一个分子有一个等效电流i,即称分子环流。a)无外磁场时一般由于分子的热运动,各分子环流的取向完全是混乱的。b)有外磁场时在外磁场的力矩作用下，分子环流的取向会发生转向, 在一定程度上沿着场的方向排列，这就是软磁棒的“磁化” 。 外磁场越强,转向排列越整齐。c)结果：当介质均匀时由于分环流的回绕方向一致，在内S SN NB BS SN Ni iP Pm m部任何两个分子环流中相邻的那一对电流元回绕方向总是彼此相反，相互抵消。即在宏观上，这横截面内所有分子环流的总体与沿截面边缘的一个大环形电流等效，就象是一个由磁化电流组成的“螺线管” ，它在棒内的方向与外磁化场一致，则增加了原磁场。2、磁化强度矢量：磁化的强弱还可以用磁化强度来描述。定义磁化强度：单位体积内分子磁矩的矢量和。m分子M （V宏观小、微观大）V单位：安每米（A/m ）3. 磁化电流与磁化强度的关系在磁介质内取一宏观体积元，分子看成完全一样的电流环，即环具有同样的面积 a 和取向，则介质中的磁化强度为M m分子V nIa任取一微小矢量元d dl l,它与B B的夹角为，则与d dl l套住的分子电流的中心都是位于以d dl l为轴、以 a 为底面积的小柱体内。若单位体积内的分子数为n ，则与d dl l套连的总分子电流为dI na dlcos i n m分子dlcos M dlcos M d lP Pm mdl dli iP PP Pm mMMB B所以 d dI I MM d dl l r r2 2dIdIM dl I内反映了磁介质中磁化电流的分布与磁化强度之间联系的普遍公式。在磁介质表面 S Si idl dlMMdl dlMMB B若d dl l选在磁介质的表面上（见上图）,可以看出表面会有磁化面电流。定义:垂直磁化面电流方向的单位长度上的磁化面电流,称为磁化面电流密度。i 它与磁化强度的关系为dIM表dlcosdldlM表cosMidIdl在如图磁介质的侧面上，MM表表与磁介质的表面平行,=0, 有iM表通常用iM表n表示二者的矢量关系。在上图磁介质的左右端面上,MM表表垂直表面,所以端面上无磁化面电流。二、磁介质内的磁感应强度B 束缚电流I I B B ; ;磁场中有磁介质存在的时候如何求B B? ?设 传导电流I I0 0B B0 0; ;考虑B：考虑一根沿轴均匀磁化的磁介质圆棒，磁化的宏观效果相当于在介质棒侧面出现环形磁化电流，单位长度上的电流为iM，则它在圆棒中心B B B B0 0 B B 产生的磁场B为： iB(cos cos ) M2lld1 ( ) d式中 d 为圆棒的直径，l 为棒的长度。讨论：对于无穷长的棒，l ，l/d B M，B B B B 0M 对于很薄的磁介质片，l/d 0B 0，B B0B B0 介于上述两种极端情形，B的数值亦介于其中。随着棒的缩短，B减小。三、磁场强度矢量H H与有磁介质时的安培环路定理和“高斯定理”磁场中有磁介质存在的时候如何求B B? ?设 传导电流I I0 0B B0 0; ;束缚电流I I B B ; ;B B B B0 0 B B 基本规律应是对总B B:高斯定律安培环路定理B B d d S S 0 0 ） B B d dl l 0 0 ( (I I0 0内内 I I内内 MM B B？困难：求B B I I内内办法：引入辅助量 磁场强度H H。 ） B B d dl l 0 0 ( (I I0 0内内 I I内内L Ls sL L B B d dl l I I0 0内内 MM d dl lL L 0 0 L L B B MM d dl l I I0 0内内 L L 0 0定义:磁场强度B BH H MM 0 0H H d dl l I I 0 0内内H H的环路定理有 L L磁场中沿任一闭合路径的磁场强度的环流,等于该闭合路径所套连的传导电流的代数和。B说明：在真空中，M0，则H 或B HH的单位：安培/米奥斯特 1 奥斯特=10安培/米42 等效的磁荷观点（自学）3 介质的磁化规律一、磁化率和磁导率定义磁化率：MJH H B H由于：B (H M) H I所以： 1所以：M HB (1 ) H H二、磁介质的分类：和 B，如果能在同一传导电流的磁场中，先后测出在真空和充满某种磁介质时的磁感强度则它们的比值就是该磁介质的相对磁导率 ，即:按（1）（2）值的不同，磁介质分为三类：顺磁质，如氧、铝、钨、铂、铬等。：抗磁质，如氮、水、铜、银、金、铋等。表示完全抗磁性，如超导体是理想的抗磁体。（3）三、：铁磁质，如铁、钴、镍等。顺磁质和抗磁质：顺磁质： 0抗磁质： 01、微观机制：电子磁矩m分子是各个的电子轨道磁矩、电子自旋磁矩、原子核磁矩的总和。设电子以半径 r、角速度作圆周运动，则它每经过时间T 度和磁矩为erI e emISn 2绕行一周。相应电流强T222、顺磁性物质：顺磁质的分子具有固有磁矩。一般由于分子的热运动,m完全是混乱的,但是在外磁场中m会发生转向, 使分子磁矩转到外磁场方向上去。这就是顺磁质的“磁化” 。 外磁场越强,转向排列越整齐。热运动对磁矩的排列起干扰作用，所以温度越高，顺磁效应越弱，即随温度的升高而减小。3、抗磁性物质：由于在抗磁性物质中，每个分子的各个电子原有的磁矩m方向不同，相互抵消，抗磁质的分子固有磁矩m 0。但是在外磁场中会产生分子感应磁矩。它是与B B反向的，因此,在抗磁质内部的磁场是被削弱的。推导： （略）虽然顺磁质分子也会产生感应磁矩,但由于它远小于固有磁矩,所以顺磁质中主要是固有磁矩起作用。四、铁磁质的磁化规律1、铁磁质：以铁为代表的一类磁性很强的物质。2、铁磁质的磁化规律：(1)研究磁化规律的实验装置目的:得出BH的关系。当励磁电流为 I 时，由环路定理 H H d dl l NINIL L得H H NINI2 2 r rI IH HB B一定的I相应一定的H;将开关倒向，B -B, 即 -，次级回路中会产生一定的感应电动势。利用冲击电流计间接测出，从而可得出相应的B: B =由 B、H 即可求得磁化强度 MMBH二. 起始磁化曲线对未被磁化的材料,电流从零开始，IHB得到的称起始磁化曲线。BH是非线性关系; B有饱和现象,但仍有一定的斜率。由 B Br r 还可以得出 r rH曲线。0 0H H三.磁滞回线（Hysteresis Loop） Br剩磁 Hc矫顽力BH既不是线性关系,也不是单值关系,与铁磁质的磁化历史有关。/SB BH H r rH HB BB Br rH H- -H Hc cH Hc c-B-Br r四.铁磁质的分类：根据铁磁质的矫顽力 Hc的大小，将铁磁材料分成软磁、硬磁和矩磁材料。(1) 软磁材料: 磁纯铁，硅钢坡莫合金(Fe，Ni)，铁氧体等。易磁化、易退磁。饱和磁感应强度大，矫顽力(Hc)小，磁滞回线呈细长型，在交变磁场中剩磁易于被清除，适用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。(2) 硬磁材料:钨钢，碳钢，铝镍钴合金等。磁滞回线宽肥，磁化后可长久保持很强磁性，适于制成磁电式电表中的永磁铁、耳机中的永久磁铁、永磁扬声器。五、磁滞损耗磁滞损耗：B-H 图中磁滞回线所包围的“面积”代表在一个反复磁化循环过程中单位体积的铁芯内损耗的能量。B Br rB B