磁介质磁化
磁介质的磁化与磁滞现象
磁介质的磁化与磁滞现象磁介质是一类特殊的材料，它在外加磁场的作用下会发生磁化现象。
磁化是指磁介质中原子或分子的磁矩在外加磁场的作用下发生定向排列的过程。
那么，磁介质的磁化是如何发生的呢？要了解磁介质的磁化过程，首先需要知道磁介质是由多个微小的磁畴组成的。
每个磁畴都具有一定的磁矩方向，但在没有外加磁场时，各个磁畴的磁矩方向是杂乱无章的。
当外加磁场作用于磁介质时，它会对磁畴的磁矩施加一个力矩，试图使磁矩与外加磁场方向相同。
由于各个磁畴之间存在互相影响的相互作用力，使得磁化过程并不是瞬时发生的。
在外加磁场作用下，磁介质中的磁矩会逐渐定向，并在达到平衡状态后保持一定的方向。
这个过程称为磁化过程。
磁滞现象是磁介质在磁化和去磁化过程中所显示出的一种特殊现象。
当外加磁场逐渐增大时，磁介质的磁化程度也随之增大。
然而，在达到一定磁场强度时，磁化程度不再随着外加磁场的增加而增大，而是停滞不前或增长速度变缓。
这个临界点称为饱和磁场强度。
同样，在减小外加磁场的过程中，磁介质的磁化程度也不是立即减小的。
相反，其磁矩仍然保持一部分定向，直到达到另一个临界点，也就是剩余磁场强度。
在这之后，磁介质中的磁矩会迅速消失，回到没有外加磁场时的状态。
磁滞现象是由于磁介质分子或原子之间存在着一定的耦合力。
当外加磁场改变其方向时，磁介质分子或原子不会立即跟随改变，而会保持一定的反向或相对不变的磁矩方向，这就导致了磁滞现象的出现。
磁滞现象不仅仅是磁介质的特性，它在很多应用中都起到重要的作用。
例如，磁滞回线的图像可以用于磁性材料的检测和识别。
在磁存储设备中，磁滞现象也被用来存储信息。
通过合理地控制外加磁场的大小和方向，可以实现信息的写入和读出。
除了磁滞现象外，磁介质的磁化还受到一些其他因素的影响。
温度是影响磁介质磁化性能的重要因素之一。
随着温度的升高，磁介质内部的原子或分子热运动增强，磁畴的稳定性减弱，从而降低了磁化程度。
此外，磁介质的组成和结构也会对磁化性能产生影响。
磁介质的磁化与磁化强度的计算
磁介质的磁化与磁化强度的计算磁介质是一类能够被磁化并保持磁化状态的物质。
它的磁化过程和磁化强度的计算对于理解磁性材料的性质和应用具有重要意义。
本文将详细介绍磁介质的磁化过程以及如何计算磁化强度。
1. 磁化过程磁介质的磁化过程可以分为自由磁化和感应磁化两个阶段。
自由磁化是指在磁场的作用下，磁介质中的磁性微区域（磁畴）发生磁矩定向的过程。
在自由磁化过程中，磁介质内部的磁矩会逐渐定向，并在达到饱和磁化强度时停止变化。
饱和磁化强度是指磁介质中所有磁矩都在磁场的作用下达到最大定向程度的状态。
感应磁化是指在外加磁场存在的情况下，磁介质中的磁矩发生进一步的调整，以适应外加磁场的变化。
感应磁化过程中，磁介质的磁矩会随着外加磁场的变化而变化，但总体上仍保持相对的定向。
2. 磁化强度的计算磁化强度是描述磁介质磁化程度的物理量，用字母H表示。
磁化强度的计算方法根据磁场类型的不同而有所不同。
对于恒定磁场，磁化强度可以通过以下公式计算：H = B/μ0 - M其中，B为磁感应强度，μ0为真空中的磁导率，M为磁化强度。
恒定磁场中，磁化强度的方向和磁感应强度的方向相同。
对于交变磁场，磁化强度可以通过以下公式计算：H = Im(B)/μ0 - M其中，Im(B)为磁感应强度的实部，μ0为真空中的磁导率，M为磁化强度。
交变磁场中，磁化强度的方向和磁感应强度的实部方向相同。
需要注意的是，磁化强度和磁感应强度的单位一般为安培/米（A/m）。
3. 磁介质的应用磁介质由于其特殊的磁化特性，在很多领域都有广泛的应用。
以下是几个常见的磁介质应用：（1）磁存储器件：磁介质的磁性能使其成为磁存储器件（如硬盘驱动器、磁带等）中的重要组成部分。
（2）变压器：磁介质广泛应用于变压器中，通过磁化和磁感应的相互作用来实现电能的传输和转换。
（3）磁共振成像：磁介质的磁性质使其成为核磁共振成像（MRI）技术中的重要材料，用于获取人体内部的磁共振信号。
（4）磁随机存取存储器：磁介质的磁性使其成为磁随机存取存储器（MRAM）等新型存储器件的关键部件。
磁介质的磁化规律
外圆柱面内一点到轴的垂直距离是 I I I
r1，以r1为半径作一圆，取此圆为积 分回路，根据安培环路定理有Biblioteka Hdl H
2r1 0
dl
I
H I
2r1
B
0 H
0
I
2 r1
（2）设在圆柱体内一点到轴的垂直距离是r2，则
以r2为半径作一圆，根据安培环路定理有
H
d
l
H
2r2
0
d
l
H
2r2＝I
r 2 2
迈斯纳效应：完全抗磁性
处于迈斯纳态的超导体会表现出完美抗磁性，或超抗磁性，意思是 超导体深处（离表面好几个穿透深度的地方）的总磁场非常接近零。 亦即是它们的磁化率 = −1。抗磁性体的定义为能产生自发磁化的 物料，且磁化方向与外加场直接相反。然而，超导体中抗磁性的基 本来源与一般材料的非常不同。在一般材料中，抗磁性是原子核旁 电子的轨道自旋，与外加磁场间电磁感应的直接结果。在超导体中， 完全抗磁性的原因是表面的超导电流所引起的，电流的流动方向与
的基本物理量。
例1 在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质，
已知螺绕环中的传导电流为I ，单位长度内匝数 n ，环
的横截面半径比环的平均半径小得多，磁介质的相对磁 导率为 。求环内的磁场强度和磁感应强度。
解：在环内任取一点，
过该点作一和环同心、 半径为 的圆r形回路。
r
H dl NI
式中 为N螺绕环上线圈
进动 pm
L e
进动
pm
e
L
pm
pm
B0
进动 B0
可以证明：不论电子原来 的磁矩与磁场方向之 间的夹角是何值，在外磁场 B0中，电子角动量 L进 动这的种转等向 效总 圆是 电和 流的磁磁力矩矩的M方的向方永向远构与成右B0手的螺方旋向关相系反。。
磁介质的磁化磁化电流磁化强度
B
L
pml
M pml B
pm
5
3.磁化电流
由于分子磁矩的取向一致 考虑到它们相对应的 分子电流 如 长直螺线管内部充满均匀的各向同性介质将 被均匀磁化
B pm
均匀磁场
I
视频安培 表面电流
6
螺线管截面
三、磁化强度
1.磁化强度
10
§2 有磁介质时磁场的规律 一、 有介质时的环路定理 二、 环路定理的应用举例 三、 磁场的界面关系 *静磁屏蔽
11
一、有介质时的环路定理
B dl 0 I内 （ 1 ） L 真空 （2） B dS 0 S
考虑到磁化电流（1）式则需加以修正
M 7.9410 A/m
5
j 7.9410 A/m
5
18
j 7.9410 A/m
5
讨论：设想把这些磁化面电流也分成每米103 匝，相当于分到每匝有多少？
7.94105 j / n 794(A) >>2(A) 3 10
充满铁磁质后
B B0 B B >> B0 或 B B
19
三、 磁场的界面关系 *静磁屏蔽 由 S B dS 0 B1
n
1 2
1 2
12
设：I0─ 传导电流 I ─ 磁化电流 ) B dl 0 (I0内 I内
L
0 I 0内 0
磁 介 质
M dl
I
L I0
(
L
B
0
L
M ) dl I 0内
H B M
磁介质的磁化规律
– 温度，高过居里点铁磁性就消失，变为顺磁质。如纯铁的居 里点为1043K，镝的居里点为89K；
– 强烈震动会瓦解磁畴 – 尺寸影响磁畴结构性——介观尺度下有新现象 – 介观尺度：即介于宏观尺度与微观尺度之间，一般为0.1——
100nm
宏观铁磁体的尺寸减小到介观尺度
• 此时磁性材料不再是具有畴壁的多磁畴结构，而 是没有畴壁的单畴结构，单畴的临界尺度大约在 纳米级范围，例如铁的球形颗粒产生单畴的临界 直径为28nm，钴为240nm。
与螺绕环类比
H B M0
0
B和M方向一致为
B0H0M B0i'0M
The End
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4 磁滞损耗
• 铁磁质在交变磁场下反复磁化时，由于磁滞 效应，磁体要发热而散失热量，这种能量损 失称为磁滞损耗。
• 可以证明：B－H图中磁滞回线所包围的“面 积”代表在一个反复磁化的循环过程中单位 体积的铁芯内损耗的能量
• 磁滞回线越胖，曲线下面积越大，损耗越大； • 磁滞回线越瘦，曲线下面积越小，损耗越小 • 证明 ，计算电源要抵抗感应电动势做功
导率为 r 的磁介质.当两圆筒
通有相反方向的电流 I时，
I
试 求（1）磁介质中任意点
r
P 的磁感应强度的大小;
d
（2）圆柱体外面一点Q 的磁感强度.
I
R
r
25
解 rdR
Hdl I 2πdHI
l
BH0rI
2πd
d R
HdlII0
I
l
r
2πdH0, H0
d
BH0
同理可求 dr, B0
I
R
磁介质的磁化
得M到c重os要=关M系t是M磁t=化i 强或度者沿M介质n 表i面' 的切向分量，
介质表面磁化电流密度只决定于磁化强度沿该
表面的切向分量，与法向分量无关，只存在于介
质表面附近磁化强度有切向分量的地方。 7
四、有L B磁d介l 质磁0存场( i在强I0时度i 的矢i 安量Ii培) H环=L路(B0B0定M理M )
它与外壁之间充满均匀磁介质，电流从芯流过再沿
外壁流回。求介质中磁场分布及与导体
相邻的介质表面的束缚电流。
解
LH dl I L
H I 2πr
I
I
B
0rH 0r
H
B
M
,
0
I 2πr
j'
（R1<r<R2 )
M沿圆en切线j方' 向Men
j' (r 1)
磁介质内表面的
I 2πR
方向与轴平行
B1
即
S en
BdS
(B2
B1
B1)
(-enS) B2 (enS) 0
0 或B1n=B2n，表示从一种介质过
渡到另一种介质时，磁感应强度的法向分量不变。
10
在 介 质 分 界 面 处 作 一 矩 形 的 回 路 abcda ， 使 两
长边分别处于两种介质 中，与界面平行，短边很
小，取切向单位矢量
磁化强度矢量表征宏观磁性，定义 为单位体积内分子磁矩的矢量和
M
=
m
式中 m 是体积 内的分子磁矩或分子
感生磁矩的矢量和。
如果磁介质中各处的磁化强度的大小和方向都
一致，就称均匀磁化。在国际单位制中, 磁场强
度和磁化强度的单位都是Am-1 (安培/米)。3Βιβλιοθήκη 二、磁化的磁介质内的磁感应强度
简述磁介质磁化的过程
简述磁介质磁化的过程磁介质磁化的过程是指磁介质中的磁场通过线圈、电流或其他方式被生成、变化和维持的过程。
磁介质磁化是通过将磁介质中的磁场磁化来实现的。
这是一种机械、电磁、物理学中大量用到的过程。
此外，它也是许多电子设备，比如磁带、磁性存储设备及磁性记忆器中使用的重要技术。
磁介质磁化的基本过程是：磁介质和磁体之间存在相互作用，其主要原理是磁场的磁场线在磁体表面上形成微小的微环，从而形成一种微环磁场，从而使磁介质内的磁性物质磁化。
首先，将磁体放置在磁介质中，磁介质会吸收磁体表面上磁场线的能量，因此磁介质会受到磁场的影响，并会受到磁场的作用，从而磁介质中的磁性物质会被磁化。
其次，磁场的作用会使磁介质中的磁性物质产生磁力，磁力会改变磁介质中磁场的方向，从而使磁介质中的磁性物质被磁化。
磁介质磁化后，磁体上所有的磁性物质都会受到磁场的影响，并会受到磁场的磁力的影响，从而使所有的磁性物质都能够被磁化。
磁化过程中，当磁体上的磁场太强时，磁介质内的磁性物质会被磁化得更强，如果磁体上的磁场太弱则磁介质内的磁性物质会被磁化得更弱。
因此，为了获得良好的磁介质磁化效果，需要选择合适的磁体强度。
最后，磁介质磁化后，磁介质中的磁场会改变，也就是磁介质会被磁化。
磁介质磁化后，磁介质的外部特性会发生变化，这些外部特性主要受到磁介质的磁化程度和磁体强度的影响。
总之，磁介质磁化的过程是指磁介质中的磁场通过线圈、电流或其他方式被生成、变化和维持的过程。
磁介质磁化过程需要磁介质和磁体之间存在相互作用，从而使磁介质中的磁性物质磁化，磁介质磁化后会使磁介质外部特性发生变化。
因此，磁介质磁化也是许多电子设备，比如磁带、磁性存储设备及磁性记忆器中使用的重要技术。
磁介质的磁化特性及计算
其中 0(1 m) r0称为介质的磁导率，r 1 m 称为介质
的相对磁导率（无量纲）。
磁介质的分类
r 1
r 1 r 1
顺磁质 抗磁质 铁磁质
B
M)
J
0
定义磁场强度
H
为：H
B
M
0
, 即 B 0(H M )
则得到介质中的安培环路定理为：
C
H(r)
dl
S
J(r)
dS
磁通连续性定理为
B(r)
dS
0
S
Hale Waihona Puke H(r) J(r) B(r) 0
小结：恒定磁场是有源无旋场，磁介质中的基本方程为
（微分形式）
H(r) J(r)
B(r)
0
（积分形式）
C
H(r)
dl
S
J(r)
dS
S
B(r)
dS
0
5. 磁介质的本构关系
定，磁对化于强线度性M各和向磁同场性强介度质，H之M间与的H关之系间由存磁在介简质单的的物线理性性关质系决：
M mH
其中，m 称为介质的磁化率（也称为磁化系数）。
这种情况下
B 0(1 m)H H
磁介质的磁化特性及计算
1. 磁介质的磁化
pr m
r iS
介质中分子或原子内的电子运动形
成分子电流，形成分子磁矩
pr m
r iS
无外加磁场
无外磁场作用时，分子磁矩不规
则排列，宏观上不显磁性。
B
在外磁场作用下，分子磁矩定向 排列，宏观上显示出磁性，这种现象 称为磁介质的磁化。
外加磁场
2.
磁化强度矢量
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多或少地转向磁场方向 —— 顺磁质的磁化。
顺磁质： Pm 0
怎么解释抗磁质：
B B0，B与B0 反方向 !!!
5
*电子的进动：在外磁场作用下，每个电子除了保持环绕原 子核的运动和电子本身的自旋以外，还要附加电子磁矩以 外磁场方向为轴线的转动。
进动
pm
B
L
e
pL B0
实际上动物都属于抗磁 质，只要用足够强的磁 场，就有可能使人悬浮 起来。
8
4. 磁化强度
M
反映磁介质磁化程度(大小与方向)的物理量。
磁化强度：单位体积内所有分子固有磁矩的矢量和
上附加磁矩的矢量和 ，称pm为磁化强度。
p加m
均匀磁化
M
pm
pm
磁化强度的单位： A/ m
I B0
I
10
M
Im I
AB Dl C
A
设介质表面沿轴线方向单位长度上的磁化电流为jm （磁化面
电流密度），则长为l 的一段介质上的磁化电流强度Im为
Im jml
Pm Im S jmSl
M
pm
V
jmSl Sl
jm
取一长方形闭合回路ABCD，AB边在磁介质内部，平行
V
注意：对顺磁质， p可m 以忽略； 对抗磁质 ，pm对于0 真空，
。
M
0
外磁场为零，磁化强度为零。
外磁场不为零:
MM、 、BB00同 反向 向
顺磁质 抗磁质
9
5. 磁化电流
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，在磁化圆柱的表 面出现一层电流，好象一个载流螺线管，称为磁化面电流。
在磁场中的性质。
相对磁导率:
r
B B0
顺磁质：r 1, B B0
B与B0 同方向， 如氧、铝、钨、铂、铬等。
B B0 B
I
I
磁介质
抗磁质： r 1, B B0
B与B0 反方向，
如氮、水、铜、银、金、铋等。
I
I
铁磁质： r 1, B B0 B与B0 同方向，
与柱体轴线，长度为l，而BC、AD两边则垂直于柱面。
M
d
l
ABM
d
l
M
AB
Ml
M jm M d l jml Im
对比 Pn
S P d S q
磁化强度对闭合回路的线积分等于通过回路所包围的面积
内的总磁化电流。
11
Pm
0
抗磁材料在外磁场的作用下，磁体内任意体积元中大量分
子或原子的附加磁矩的矢量和 有一pm定的量值，结果在磁
体内激发一个和外磁场方向相反的附加磁场，这就是抗磁性
的起源。
4. 顺磁质的磁化
对顺磁质， P可m 以忽略
在顺磁体内任意取一体积元V，其中各分子固有磁矩
的矢量和 pm 将有一定的量值，因而在宏观上呈现出一个
磁化:磁介质在磁场中呈现磁性(在磁场的作用下产生附加 磁场)的现象称为磁化。
电学与磁学类比：
电介质极化：
E
E0
E
磁介质磁化： B B0 B
总磁感强度 外加磁感强度
附加磁感强度
磁介质的三种类型：顺磁质、抗磁质、铁磁质。
2
实验发现：有、无磁介质的螺旋管 内磁感应强度的比值，可表征它们
Pm
0
在抗磁质中，原子或分子中
类比：电介质的微观图象 有极分子、无极分子。
电偶极子模型： Pe ql
所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩 在外电场作用下，分别有取向
矢量和为零。
极化、位移极化。
4
加外磁场时: M Pm B
B B0 B
当外磁场存在时，各分子固有磁矩受磁场力矩的作用，或
意一点磁化强度和磁场强度成正比。
M mH
对比 P e0E
式中m只与磁介质的性质有关，称为磁介质的磁化率，
是一个纯数。如果磁介质是均匀的，它是一个常量；如
如铁、钴、镍等，
超导体是理想的抗磁体。
B0 B
3
2.分子电流模型和分子磁矩
原子中电子参与两种运动：自
pm
B
旋及绕核的轨道运动，对应有轨道
磁矩和自旋磁矩。
I
用等效的分子电流的磁效应来
表示各个电子对外界磁效应的总合，
称为分子固有磁矩。
顺磁质： Pm 未加外磁场时:
Pm 0
抗磁质：
定义磁场强度
H
B
M
0
对比 S D d S q0
磁介质中的安培环路定理：磁场强度沿任意闭合路 径的线积分等于穿过该路径的所有传导电流的代数和， 而与磁化电流无关。
12
H
B
M
0
B 0H 0M
实验证明：对于各向同性的介质，在磁介质中任
L
dL
LdL
Md LPML B ddLt、M 方向一致!
pL
e
L
pm
B
进动 B0
可以证明：不论电子原来的磁矩与磁场方向之间的夹角
是何值，这种进动等效圆电流附加磁矩Pm的方向永远与B0 的方向相反。
6
3. 抗磁质的磁化
抗磁质：
Pm
0
§2 有磁介质时的安培环路定理
无磁介质时
L B0 dl
0 I0 （L内）
Im L M dl
或
L
(
B
0
M)
dl
I
L H dl I
有磁介质时
L B d l 0( I Im )
L B dl 0( I L M dl )
与外磁场同向的附加磁场，这就是顺磁性的起源。
7
2010年首个诺贝尔奖+搞笑诺贝尔奖双料得主诞生 ——荷兰科学家Andre Geim。 十年前他因磁悬浮青蛙获得搞笑诺贝尔奖。 十年后他因石墨烯（graphene）的结构获诺贝尔奖。
青蛙属于抗磁质。当青蛙被放到磁场中，青蛙的每个原子都像一个 小磁针，外界磁场对这些小磁针作用的结果产生了向上的力，如果 磁场的强度适当，这力与青蛙受的重力达到平衡，它们就能悬在空 中。
第15章 磁介质的磁化
§15.1 磁介质的磁化 磁化强度矢量 §15.2 磁场强度 有磁介质时的安培环路定理 §15.3 铁磁质 §15.4 磁路定理
作业：练习册 选择题：1 — 5 填空题：1 — 6 计算题：1 — 4
1
§1 磁介质的磁化 磁化强度矢量
1. 磁介质
磁介质:实体物质在磁场作用下呈现磁性,该物体称磁介质。