磁场中的磁介质
磁场与磁介质之间的相互作用机制分析
磁场与磁介质之间的相互作用机制分析磁场是我们日常生活中常见的物理现象之一。
它是由电流产生的，可以通过电磁感应产生电流。
而磁介质则是指能够被磁场所影响的物质。
磁场与磁介质之间的相互作用机制一直是研究的热点之一。
本文将从磁场的产生、磁介质的性质以及二者之间的相互作用机制等方面进行分析。
首先，我们来看磁场的产生。
磁场是由电流产生的，当电流通过导线时，会形成一个环绕导线的磁场。
这是由于电流中的电子在运动过程中会产生磁性。
磁场的强弱取决于电流的大小和导线的形状。
同时，磁场是一个矢量量，具有方向性。
我们可以利用右手定则来确定磁场的方向，即将右手的拇指指向电流的方向，其他四指所指的方向就是磁场的方向。
接下来，我们来探讨磁介质的性质。
磁介质是指能够被磁场所影响的物质，包括铁、镍、钴等。
与磁介质相互作用的磁场称为磁化场。
磁介质具有磁化的特性，即在外加磁场的作用下，磁介质内部的磁矩会发生重新排列，从而使整个磁介质具有磁性。
这种磁化过程可以分为顺磁性和铁磁性两种。
顺磁性是指磁介质在外加磁场的作用下，磁矩与磁场方向一致。
这种情况下，磁介质受到的磁力较弱，不具有吸附性。
而铁磁性是指磁介质在外加磁场的作用下，磁矩与磁场方向相反。
这种情况下，磁介质受到的磁力较强，具有吸附性。
此外，磁介质的磁化程度还与温度有关，通常在一定温度范围内，磁化程度会随温度的升高而减小。
在磁场与磁介质之间的相互作用机制方面，首先我们来看磁场对磁介质的作用。
磁场可以改变磁介质内部的磁矩排列，使磁介质具有磁性。
当磁介质处于磁场中时，磁介质内部的磁矩会沿着磁场的方向重新排列，从而使整个磁介质具有磁性。
这种磁化过程是可逆的，即当外加磁场消失时，磁介质的磁矩会重新恢复到原来的排列状态。
而磁介质对磁场的作用主要体现在两个方面。
首先，磁介质可以增强磁场的强度。
当磁介质处于磁场中时，磁介质内部的磁矩会与外加磁场相互作用，从而增强磁场的强度。
这种增强效应被称为磁化效应。
磁场中的磁介质
e ev 电子电流 I 2r / v 2r ev evr 2 m IS r 2r 2
m en
I S
e L 2m e
角动量 L me vr
二、原子的磁矩
2.电子的量子轨道磁矩
h L m, m 0,1,2, 1.05 10 34 J S 2 e 24 一个可能的值 m 9.27 10 J / T 2m e
分子电流为
dI n a 2 dr cos i
n m dr cos
M dr cos M dr
dI M dr
三、磁介质的磁化
若 dr 选在磁介质表面，则 d I 为面束缚电流。
面束缚电流密度
dI M cos M r j dr
电流为i，半径为 a，分子磁 矩为 m ,任取一微小矢量 dr 2 a 元 dr ，它与外磁场 B 的夹角 m i 为，则与 dr 套住的分子电 流的中心都是位于以为 dr 轴、 以 a2 为底面积的斜柱体内。 i
m
B
三、磁介质的磁化
若单位体积内的分子数为n ，则与 dr 套连的总
2.磁化强度
单位体积内分子磁矩的矢量和称作磁介质的 磁化强度。 mi M V
单位 安每米（A/m）
3.实验规律
实验发现，在外磁场不是很强时，对所有磁 介质
r 1 M BB
0 r
三、磁介质的磁化
3.束缚电流与磁化强度之间的关系
以顺磁质为例 , 等效分子
电子的自旋磁矩（内禀磁矩） 电子自旋角动量 内禀磁矩
s 2
玻尔磁子
e e mB s 9.27 10 24 J / T me 2me
磁场中的磁介质
分子磁矩 的矢量和 体积元
意义 磁介 质中单位体积内 分子的合磁矩. 分子的合磁矩
−1
单位（ 米 单位（安/米）
青岛科技大学
A⋅m
大学物理讲义
I
B C
I'
r
C
r
L D m = I 'π r 2 分子磁矩 v v v v ∫l B ⋅ dl = ∫BC B ⋅ dl = µ0 Ii n（单位体积分子磁矩数） 单位体积分子磁矩数） 2 I s = n π r LI ' = nmL = µ 0 ( NI + I s )
ω
q v' ∆m
v
v B0
v' m
v B0
v v v
F
v' m
时 磁场
q v F v' v ∆m v v
v v ω , B0
抗磁质
v v ω , B0
ω
'
时
B = B0 − B
顺磁质内磁场 抗磁质内磁场
B = B0 + B
B = B0 − B
'
'
二
磁化强度(magnetization) 磁化强度
v v ∑m M= ∆V
R
B = µH = 0
同理可求
r
青岛科技大学
d < r, B = 0
大学物理讲义
三
磁畴(magnetic domain) 磁畴 无 外 磁 场 磁 (magnetization curve)
v B
磁
v v v H = B / µ0 − M
N M P
µ µ max
O
B
µ−H
第7章磁场中的磁介质.ppt
§7.1 磁介质对磁场的影响
§7.2 原子的磁矩
§7.3 磁介质的磁化
§7.4 H的环路定理
§7.5 铁磁质 §7.6 简单的磁路
1
一、磁介质 二、 磁介质磁化的微观机理
三、磁化电流与磁化强度
四、H的环路定理 五、铁磁质 六、简单的磁路
2
一、磁介质
1.磁介质的定义 在磁场中会受磁场影响而发生 变化,反过来又对磁场产生影响 的物质就叫磁介质. 2.磁介质对磁场的影响 均匀介质充满磁 场的情况下
得：
H dr I 0内
L
•H 的单位： A/m （ SI ）；
•真空： M 0 ，H B
0
18
2. B, M , H 的关系
各向同性磁介质 r 1 将 M B 代入 0 r 各向同性电介质 P 0 r 1E D 0E P
3. 磁化规律
各向同性磁介质 (顺磁质或抗磁质)
各向同性电介质
r 1 1 1 M B (1 ) B 0 r 0 r
P 0 r 1E
0 r
介质的 磁导率
0 r
介质的介 电常数
15
四、H的环路定理 1. H的环路定理
L
NI H nI 2πr 细螺绕环
R1 R2 r
O R1 r R2
22
NI H nI 2πr
B H nI
M ( r 1) H ( r 1)nI
j M 表
代入数据
M 7.94 10 A/m
5
7.94 10 5 A/m j
23
j 7.94 10 A/m
磁场中的磁介质
磁场中的磁介质静止电荷之间存在相互作用，它是通过电场完成的。
静止电荷在它周围将激发电场，该电场对另外的静止电荷产生作用力，叫电场力。
运动电荷之间存在运动产生的相互作用，它是通过磁场完成的。
运动电荷在它周围将激发磁场，该磁场对另外的静止电荷不产生作用力，而对另外的运动电荷将产生作用力，叫磁场力。
磁场用磁感应强度和磁场强度描写，它们也都是空间位置的函数。
电荷在导体中作恒定流动(恒定电流)时在它周围所激发的磁场不随时间而变化，是一个恒定场，叫恒定磁场。
一．三类磁介质磁介质中的磁感应强度：磁介质中的磁感应强度是外加磁感应强度0B与磁介质的附加磁感应强度B ' 之和B B B '+= 01.顺磁质：使0B B >的磁介质叫顺磁质，顺磁质激发的附加磁感应强度B '与加磁感应强度0B 的方向基本一致：锰、铬、铂、氮等。
2.抗磁质：使0B B <的磁介质叫抗磁质，抗磁质激发的附加磁感应强度B ' 与加磁感应强度0B 的方向基本相反：水银、铜、铋、氯、氢、银、金、锌、铅等。
3.铁磁质：使0B B >>的磁介质叫铁磁质，铁磁质激发的附加磁感应强度B '与加磁感应强度0B 的方向基本一致且大于0B ：铁、镍、钴二.弱磁性物质的磁化1. 顺磁质的磁化顺磁质的分子电流的分子磁矩0≠m p； 由于抗磁质分子电流的分子磁矩0≠m p ，它在有外磁场0B 中时，不但产生附加进动磁矩1m p ∆，也产生附加取向磁矩2m p ∆，并且一般附加取向磁矩2m p∆比附加进动磁矩1m p ∆大，因此体积V ∆中的分子磁矩∑m p 之和与外磁场0B反向，磁化表现为抗磁特性： ∑∑∑∆+∆=∑21m m m p p p 与外磁场0B 同向等2. 抗磁质的磁化抗磁质的分子电流的分子磁矩0=m p 。
由于抗磁质分子电流的分子磁矩0=m p ，它在有外磁场0B 中时，只产生附加进动磁矩1m p ∆，不产生附加取向磁矩2m p ∆，因此体积V ∆中的分子磁矩∑m p 之和与外磁场0B 反向，磁化表现为抗磁特性：∑∑∆=∑1m m p p 与外磁场0B 反向 三.磁介质中的安培环路定理，磁场强度3. 磁介质中的安培环路定理4. 磁化电流对安培环路定理的影响：()()S d J J I I l d B Sl ⋅'+='+=⋅⎰⎰∑⎰00μμM J ⨯∇=' ()⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⋅⨯∇+⋅=⋅⨯∇+=⋅S S S l Sd M S d J S d M J l d B 000μμμ ⎰⎰⎰⋅=⋅⨯∇lS l d M S d M ⎰⎰⎰⎰⋅+⋅=⋅lS l l d M S d J l d B 00μμ ⎰⎰⎰⎰⋅=⋅-⋅S l l S d J l d M l d B 00μμ()⎰⎰⎰⋅=⋅-S l Sd J l d M B 00μμ∑⎰⎰⎰=⋅=⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-I S d J l d M B S l 0μ磁场强度：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=M B H 0μ单位：A/m磁介质中的安培环路定理∑⎰⎰⎰=⋅=⋅I S d J l d H Sl四.铁磁质铁磁质的特点铁磁质应用最广泛B '特别强，使得00B B B B >>'+=，32010~10==B B r μ； M 与B 不一定平行，μ，m χ不是常数，是H 的函数-非线性；M 滞后0B (H )的变化，当外场回零（0=H ）时0≠M存在一个居里点温度，当温度高于居里点，为顺磁质，温度低居里点才是铁磁质。
磁场中的磁介质ppt
第五版
一、 H矢量的安培环路定理
几点说明
15
磁场中的介质
H dl I0
L
（1）只与传导电流有关，与束缚电流无关
（2） H 与 D 一样是辅助量，描述电磁场
ED
B H
B 0 H
9
（3）在真空中： M 0 r 1
第五版
15
磁场中的介质
当外磁场由 H m 逐渐减小时，这种 B 的变化落后于H的变 化的现象，叫做磁滞 现象 ，简称磁滞. 由于磁滞， H 0 时，磁感强度 B 0 Br 叫做剩余磁感强 ， 度(剩磁).
Bm
H m Br
B
Q
P
Hm
H
O
P
'
Hc
Bm
磁滞回线 矫顽力
Hc
17
第七章 恒定磁场
r
第七章 恒定磁场
13
物理学
第五版
15
磁场中的介质
解 rd R
B H
dR
0 r I
H dl I
l
2π dH I
2π d H dl I I 0
l
r
I
2π dH 0 , H 0
d
I
B H 0
同理可求 d r , B 0
物理学
第五版
15
磁场中的介质
3 铁磁性材料 不同铁磁性物质的磁滞回线形状相差很大.
B B B
O
H
O
H
O
H
软磁材料
硬磁材料
第七章 恒定磁场
矩磁铁氧体材料
9-磁介质 大学物理
当线圈中通入电流后，在磁化场的力矩作用下， 当线圈中通入电流后，在磁化场的力矩作用下，各分子环 流的磁矩在一定程度上沿着场的方向排列起来，此时， 流的磁矩在一定程度上沿着场的方向排列起来，此时，软 铁棒被磁化了。 铁棒被磁化了。
对于各向同性的均匀介质，介质内部各分子电流相互抵消， 对于各向同性的均匀介质，介质内部各分子电流相互抵消， 而在介质表面，各分子电流相互叠加， 而在介质表面，各分子电流相互叠加，在磁化圆柱的表面出 磁化面电流（ 现一层电流，好象一个载流螺线管，称为磁化面电流 现一层电流，好象一个载流螺线管，称为磁化面电流（或安 培表面电流） 培表面电流）。
(2)电子自旋磁矩 (2)电子自旋磁矩 实验证明： 实验证明：电子有自旋磁矩
ps = 0.927×10-23 A⋅m2 0.927×
(3)分子磁矩 (3)分子磁矩 分子磁矩是分子中所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩 与所有核磁矩的矢量和。 与所有核磁矩的矢量和。 三.顺磁质与抗磁质的磁化 顺磁质与抗磁质的磁化 1、顺磁质及其磁化（如铝、 1、顺磁质及其磁化（如铝、铂、氧) 分 子 磁 矩 分子的固有磁矩不为零 pm ≠ 0 无外磁场作用时， 无外磁场作用时，由 于分子的热运动， 于分子的热运动，分 子磁矩取向各不相同, 子磁矩取向各不相同 整个介质不显磁性。 整个介质不显磁性。
B0
I0 Is
Is——磁化电流 磁化电流 js——沿轴线单位长度上的磁 沿轴线单位长度上的磁 化电流（磁化面电流密度） 化电流（磁化面电流密度）
3、磁化强度和磁化电流密度之间的关系： 磁化强度和磁化电流密度之间的关系：
以长直螺线管中的圆柱形磁介质来说明它们的关系。 以长直螺线管中的圆柱形磁介质来说明它们的关系。
磁场中的磁介质
磁场中磁介质
磁介质的分类
顺磁性介质
抗磁性介质
铁磁性介质
反铁磁性介质
在磁场中容易被磁化的 物质，如铝、铂等。
在磁场中不容易被磁化 的物质，如铜、金等。
在磁场中极易被磁化的 物质，如铁、钴、镍等。
在磁场中具有反铁磁性 的物质，如锰、铬等。
02
磁场对磁介质的影响
磁场对磁介质的作用
磁化现象
磁场对磁介质产生作用，使其内 部磁矩定向排列，形成磁化现象。
剩余磁化强度
当磁场去除后，磁介质仍会保留一部分磁化强度， 称为剩余磁化强度。
磁介质的磁导率
相对磁导率
描述磁介质在磁场中的导磁能力与真空导磁能 力的比值。
最大磁导率
在一定磁场强度下，磁介质的磁导率达到最大 值。
温度系数
表示磁导率随温度变化的系数，某些材料的温度系数较大，对温度变化较为敏 感。
03
磁介质的性质与特点
磁滞现象
磁介质在磁化过程中会出现滞后现 象，即当磁场反向时，磁介质的磁 化强度不会立即消失，而是逐渐减 小。
磁损耗
在交变磁场中，磁介质会因为磁滞 现象和涡流效应产生能量损耗。
磁介质的磁化过程
起始磁化
磁介质在磁场中开始被磁化的过程，起始磁化曲 线通常是非线性的。
磁饱和
随着磁场强度的增加，磁介质的磁化强度逐渐达 到饱和状态，此时磁导率不再变化。
3
磁滞损耗
由于磁滞现象产生的能量损耗，通常表现为热量。
磁介质的损耗特性
介电损耗
01
由于电场作用在磁介质上产生的能量损耗，通常表现为热量。
涡流损耗
02
由于磁场变化产生的涡旋电流在磁介质中产生的能量损耗，通
常表现为热量。
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I
m IS
6
物理学
19 有介质时磁场
第五版
3 顺磁质和抗磁质的磁化
顺 磁 质 : 分子具有固有磁矩
表
面出Biblioteka B0 B现磁 化 电 无外磁场
Is 有外磁场
流
顺磁质内磁场 B B0 B'
I
B0越强，温度越 低（热运动缓慢） 分子磁矩排列越 整齐, 磁化面电流 越大, 磁化越厉害。
7
物理学
19 有介质时磁场
19 有介质时磁场
问题的提出
–为什么物质对磁场有响应?
–为什么不同类型的物质具有不同的磁性？
–与物质内部的电磁结构有着密切的联系
安培的分子电流
–磁介质的“分子”相当于一个环形电流， 具有磁矩——分子磁矩，在外磁场的作 用下可以自由地改变方向
3
物理学
第五版
1 分子的磁矩
电子的轨道磁矩
I q e ev
电子磁矩的取值，等于玻尔磁子
mB
e 2me
9.271024J/T
的整数倍。
5
物理学
第五版
19 有介质时磁场
原子核的磁矩等于核磁子的整数倍
核磁子
e 2m p
玻尔磁子
e 2m e
原子核的磁矩可以忽略。
分子的固有磁矩
所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和
经典电磁学：用圆电流
S
等效固有磁矩 －“分子电流模型”
I
r
d
（2）圆柱体外面一点Q 的磁感强度.
I
R
r
18
物理学
第五版
19 有介质时磁场
解 rdR
l H dr I
B H 0r I
2π d
d R l H dr I I 0
2πdH I
I
r
2πdH 0, H 0
d
B H 0
同理可求 d r， B 0
I
R
r
19
第五版
无外磁场时抗磁质分子磁矩为零 m 0
抗
B0
m '
B0
出现
反向
磁 质 的 磁 化
q
m '
F
m '
v
，B0 同向时
q m ' v F
，B0 反向时
表面 束缚 电流
抗磁质内磁场 B B0 B'
8
物理学
19 有介质时磁场
第五版
理论上可以证明：B与 成任意角度时，附
加磁矩总与磁场方向相反。
在抗磁性物质中，每个分子在整体上无固 有磁矩，这是因为其中各个电子原有的磁矩方 向不同，相互抵消了。在加了外磁场后，每个 电子的感生磁矩却都与外磁场方向相反，从而 整个分子内将产生与外磁场方向相反的的感生 磁矩。这便是抗磁效应的来源。
9
物理学
第五版
19 有介质时磁场
顺磁质磁化：分子具有固有磁矩， 固有磁矩趋向外磁场方向
抗磁质磁化：分子固有磁矩为零。电 子磁矩在外磁场力矩作用下进动产生和外 磁场反向的感生磁矩。
顺磁介质也有抗磁性，但感生磁矩 << 固有磁矩，所以，顺磁介质的抗磁 性被顺磁性掩盖。
10
物理学
第五版
超导体的完全抗磁性
19 有介质时磁场
超导体：在临界温度以下
B0
电阻变为零。
B0
将 体超 内导B 体 0放入外磁场中
T 2r/v 2r
19 有介质时磁 场
O
r
v
e
r
m IS r2
ev evr
2r 2
e 2me
mer
v
e 2me
L
电子自旋磁矩
m
e 2me
S
S:自旋角动量
4
物理学
第五版
磁矩的量子化
19 有介质时磁场
角动量是量子化的，其值只能是普朗克
常数 1.051034 J s 的整数或半奇数倍。
磁矩(轨道、自旋磁矩)和角动量成正 比，因此， 磁矩也是量子化的。
第五版
19 有介质时磁场
• 相同之处：同样可以产生磁场，遵从电流 产生磁场规律
• 不同之处：电子都被限制在分子范围内运 动，与因电荷的宏观迁移引起的传导电流 不同；分子电流运行无阻力，即无热效应
14
物理学
第五版
二
19 有介质时磁场
磁介质中的安培环路定理
B
l
dr
0
Iin 0 (
I I')
1
物理学
第五版
B B0 B'＝rB0
顺磁质（例如铝）
19 有介质时磁场
r —相对磁导率
r 11.65105 1
抗磁质（例如铜）
工程上取 r 1
弱磁质
r 11.0105 1
铁磁质（铁、钴、镍及其合金，铁氧体） r 1
纯铁 硅钢 坡莫合金
r
5103
7102
1105
2
物理学
第五版
物质的磁性起源
B
N
应用：
N
B0
制成磁悬浮列
车、无摩擦轴
承等。
7
物理学
第五版
磁化电流
19 有介质时磁场
• 介质对磁场作用的响应——产生磁化电流
• 磁化电流不能传导，束缚在介质内部，也叫 束缚电流。
• 它也能产生磁场，可以产生附加场B’
• 附加场反过来要影响原来空间的磁场分布。
• 各向同性的磁介质只有介质表面处，分子电 流未被抵销，形成磁化电流
第五版
19 有介质时磁场
有磁介质时计算磁场的分布：
Hdr Iin H（对称性分析)
L
H
B
0r
B
17
物理学
第五版
19 有介质时磁场
例1 有两个半径分别为 R 和 r 的“无限
长”同轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁
导率为 r 的磁介质.当两圆筒
通有相反方向的电流 I 时，
试 求（1）磁介质中任意点 P 的磁感应强度的大小；
I （传导）
I （磁化） 传导电流 分布电流
S
各向同性磁介质
L
一般情况
B 0r H H
磁介质中的安培环路定理
l
H
dr
I
15
物理学
第五版
➢ 各向同性磁介质
19 有介质时磁场
B 0r H H
相对磁导率 r
磁 导 率 0r
1 顺磁质 r 1 抗磁质
1 铁磁质 （非常数）
16
物理学
12
物理学
第五版
磁化电流与传导电流比较
19 有介质时磁场
• 传导电流--载流子的定向流动，是电荷迁 移的结果，产生焦耳热，
• 磁化电流--磁介质受到磁场作用后被磁化 的后果，是大量分子电流叠加形成的在宏 观范围内流动的电流，是大量分子电流统 计平均的宏观效果
均匀磁场中均匀介质无体束缚电流。
13
物理学
物理学
19 有介质时磁场
第五版
一 磁介质 磁化强度
电介质的极化
1 磁介质对磁场的影响
E E0
介质中总 真空中的 磁感强度 磁感强度
介质磁 化后的
E E0 E
B B0 B'
附加磁 感强度
E E0
r
E0 E
顺磁质：附加磁场与外磁场同向
抗磁质：附加磁场与外磁场反向
铁磁质：在外磁场中能产生很强的与外场同方向 的附加磁场。