第15章 物质的磁性

二、 磁介质的分类
根据 µr 的大小可将磁介质分为三大类 ： （1）抗磁质： µr 是略小于1的常数的磁介质 如汞，铜（293K）等，对磁场影响很小 （2）顺磁质：µr 是略大于1的常数的磁介质 如氧（293K），铝，铂等，对磁场影响很小 （3）铁磁质：µr 比1大得多，且随B0的大小发生 变化的磁介质 如纯铁，硅钢。对磁场的影响很大，在电工技术 方面有广泛应用。
铁磁质的特性 1. 磁导率μ不是一个常量，它的值不仅决定于原线 圈中的电流，还决定于铁磁质样品磁化的历史。 B 和H 不是线性关系。
2. 有很大的磁导率。 放入线圈中时可以使磁场增强102 ~ 104倍。 3. 有剩磁、磁饱和及磁滞现象。
4.温度超过居里点时，铁磁质转变为顺磁质。
5、铁磁质的分类及其应用
S

V
e dV
§15.5 铁磁质
1、磁化曲线
装置：环形螺绕环; 铁磁质Fe,Co,Ni及 稀钍族元素的化合物，能被强烈地磁化 原理: 励磁电流 I; 用安培定理得H
H NI 2 R
I
I
R
实验测量B,如用感应电动势测量 B , r 或用小线圈在缝口处测量；
r B 得出 ~ H曲线 由 r o H
L
L
B I dr 0,int µµ 0 r
闭合路径L包围 的自由电流
L
定义： H
B dr I 0,int µµ 0 r
磁场强度 上式改写为：
B B µµ µ 0 r
磁介质的磁导率
µµ 0 r
L
H dr I 0,int ——H的环路定理
N N
S
§15.1 磁介质对磁场的影响
一、 磁介质的概念
磁介质——在考虑物质受磁场影响或它对磁场的 影响时，物质统称为磁介质。 磁化——磁介质在磁场作用下所发生的变化
实验：长直螺线管， 沿导线通入电流I。
R I
管内为真空或空气时，测出磁感应强度为B0 管内充满某种磁介质时，测出磁感应强度为B 磁介质的相对磁导率， 则有： B B 随磁介质的种类或状态 r 0 的不同而不同。
I
R
解： r R
LH dl H 2r I
r
2 2

Ir
I
H
I
B
R
H Ir 2R
2
0
r
2R
2
rR
H I
H 2r I
B
I
0 I
2r
R
0
2r

H
r
H
I 2R
B
I
2R
0 I
2R
O
R O r 在分界面上H 连续, B 不连续
L ( B
电介质中的 高斯定理
0 B H M
M ) dl I
L
0
0 S ( 0 E P ) dS q S D 0E P
S
0
L H dl I
L
D dS
钨钢，碳钢，铝镍钴合金 矫顽力(Hc)大（>102A/m)，剩磁Br大 磁滞回线的面积大，损耗大。
B
§15.3 物质的磁化
分子磁矩 轨道磁矩 ——电子绕核的轨道运动 自旋磁矩 ——电子本身自旋
分子的固有磁矩不为零 m0 分 无外磁场作用时，由 子 于分子的热运动，分 磁 子磁矩取向各不相同, 矩 整个介质不显磁性。
等效于圆电流——分子电流
1、顺磁质及其磁化
m 0
有外磁场时，分子磁矩要 受到一个力矩的作用，使分子 磁矩转向外磁场的方向。
在稳恒磁场中，磁场强度矢量沿任一闭合路径 的线积分（即环流）等于包围在环路内各传导电流 电流的代数和，而与磁化电流无关。 注意：对于磁场并未被磁介质充满的一般情况，H 矢量的环路定理仍然成立
例1、一环形螺线管，管内充满磁导率为μ，相对磁导 率为μr的顺磁质。环的横截面半径远小于环的半径。 单位长度上的导线匝数为n。
(1)软磁材料
Hc Hc
软磁材料作变压器的。 纯铁，硅钢坡莫合金(Fe，Ni)，铁氧体等。
r大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。饱和磁 感应强度大，矫顽力(Hc)小，磁滞回线的面积窄而 长，损耗小（HdB面积小）。
还用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件 的磁芯、磁棒。
H
B
(2)硬磁材料——作永久磁铁
多晶磁畴结构 示意图
显示磁畴结构的铁粉图形
三种铁磁性物质的磁畴
纯铁
硅铁
钴
Si-Fe单晶 (001)面的 磁畴结构 箭头表示 磁化方向
用磁畴理论可以解释铁磁质的磁化过程、磁滞 现象、磁滞损耗以及居里点。 4、临界温度(铁磁质的居里点)
每种磁介质当温度升高到一定程度时，由高磁 导率、磁滞、磁致伸缩等一系列特殊状态全部消失， 而变为顺磁性。 不同铁磁质具有不同的转变温度 如：铁为 1040K，钴为 1390K， 镍为 630K
R
r
磁介质中的 安培环路定理
1 ' ( q qi ) S E dS L B dl 0 I 0 I s 0 S L L 1 1 L B dl 0 I 0 L M dl E dS q P dS S S L
三、感生磁矩
在外磁场作用下，电子与原子核运动会发生变 化，在固有磁矩 的基础上产生一附加磁矩 m ， 且不管原有磁矩方向如何， m 的方向都和外加磁 场的方向相反。
这些附加磁矩的矢量和就是一个分子在外加磁 场产生的感生磁矩。
感生磁矩比因有磁矩小5个数量级以下，在顺磁 质中它的效果可忽略不计。
4、分子磁距（固有磁矩） 一个分子中所有电子轨道磁矩和自旋磁距以及核的 自旋磁矩的矢量和。
二、磁介质对磁场产生影响的微观解释
（1）抗磁质： µr 是略小于1 分子磁矩（固有磁矩）为零。 在外磁场中产生和外磁场相反的感生磁矩。
（2）顺磁质：µr 是略大于1 分子磁矩（固有磁矩）不为零。 在外磁场中，固有磁距受磁场力矩作用，使分子 磁矩的方向转向与外磁场方向一致。外磁场越强， 分子磁矩排列越整齐。 （3）铁磁质：µr 远大于1 顺磁质的一种特殊情况，晶体内电子的自旋之间 存在着一种特殊的相互作用，使之具有极强磁性
C
还用于磁电式电表中的永磁铁。 耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。
H
(3)矩磁材料——作存储元件
锰镁铁氧体，锂锰铁氧体 Br=BS ，Hc不大，磁滞回线是矩形。 用于记忆元件，当+脉冲产生H>HC使磁芯呈+B态， 则–脉冲产生H< – HC使磁芯呈– B态，可做为二 进制的两个态。
H
H
C
H
C
B
H
C
H
电子轨道运动的磁矩为：
电子轨道运动的角动量为：
电子轨道磁矩： m
evr m 2 L m e vr
e L L l ( l 1) 2m e l 0, 1, 2...; 2、电子的内禀自旋磁矩 e 9.27 10 24 J / T 电子自旋磁矩为： m 2m e 3、原子核磁矩 原子核磁矩非常小，只有电子磁矩的千分之一。
2、抗磁质及其磁化
分子的固有磁矩为零
在外磁场中，抗磁质分子会产生附加磁矩(感生磁矩)
I
B0
束缚电流
Is
I0
电子的附加磁矩总是削弱外磁场的作用。
B B0
抗磁性是一切磁介质共同具有的特性。
3、磁介质的磁化
由于顺磁质分子的固有磁矩在磁场中定向排列 或的抗磁质分子在磁场中产生了感生磁矩，因 而在磁介质的表面上出现了束缚电流的现象叫 磁介质的磁化。 顺磁质的束缚电流的方向与外磁场方向有右手 螺旋关系，它产生的附加磁场加强了磁介质中 的磁场。 抗磁质的束缚电流的方向与外磁场方向有左手 螺旋关系，它产生的附加磁场减弱了磁介质中 的磁场。
B~H
r ~ H
H
铁磁质的 r不一定是个常数， 它是 H 的函数
2、磁滞效应 与磁滞回线
饱和磁感应强度
剩 磁
B
BS
Br
磁滞回线
. .
b
a
初始磁 化曲线
矫顽力
HS
.
HC
c
.
OLeabharlann .f.HS
磁滞回线
不同材料 磁滞回线
HC
H
e . Br
d
BS
磁滞回线--不可逆过程 B的变化落后于H，从而具有剩磁， 即磁滞效应。每个H对应不同的B H c 与磁化的历史有关。
pm
M M pm B0
B0
分子磁矩产生的磁场方向和外磁场方向一致， 顺磁质磁化结果，使介质内部磁场增强。
B
B0
B B0
I
B0
束缚电流
Is
I0
顺磁质：固有磁矩沿磁场方向取向，每个分子小 圆电流的面法向都与外磁场方向相同。
宏观效果：磁介质内部电流抵消。外面部分沿相同 方向流通。总效果相当于在介质圆柱体表面上有一 层电流流过，称为束缚电流，也叫磁化电流。 束缚电流是分子内电荷运动一段段接合成成，不同 于金属中自由电子定向运动形成的传导电流(自由 电流)。
§15.2 原子的磁矩
猜测：一定在介质中产生了某种电流，从而产生 了一附加磁场 B ' ，使B=B0+B´=µrB0
与磁介质的微观结构有关 A环绕原子核的电子高速旋转； B电子自身要自旋。 N S 相当于一 磁偶极子
i
磁矩：m SIe n
一、分子磁矩