磁介质的磁化特性及计算
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14.1磁介质的磁化和磁导率
密度
M is
抗磁质
B0
B0
Is
M dl I s
L
分子圆电流和磁矩 I
Pm
B0
无外磁场
有外磁场
14.1 磁介质的磁化和磁导率
B B0
无外磁场作用时,由 于分子的热运动,分子 磁矩取向各不相同,整 个介质不显磁性. B0 在外磁场作用下分 B 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.
分 子 磁 矩
2 抗磁质及其磁化 在外磁场中,抗磁质分子会产生附加磁矩 电子绕核的轨道运 pm 动电子本身自旋 外磁场场作用下 总与外磁场 pm 产生附加磁矩 方向反向 电子的附加磁矩总是削弱外磁场的作用. B B0 抗磁性是一切抗磁介质共同具有的特性.
14.1 磁介质的磁化和磁导率
14.1 磁介质的磁化和磁导率
14.1 磁介质的磁化和磁导率
一 磁场中的磁介质 磁介质—能与磁场产生相互作用的物质.
磁化—磁介质在磁场作用下所发生的变化. 不同磁介质磁化后对原外磁场存在不同的影响
B Bo B'
真空中的 磁感强度
磁介质中的 总磁感强度
介质磁化后的 附加磁感强度
二 磁导率和磁介质分类 磁导率—描述不同磁介质的导磁性能 0 r 0 真空磁导率 B r 介质的相对磁导率 介质的绝对磁导率 根据 r 的大小可将磁介质分为三大类
(1) 顺磁质 r 1 B B0 (2) 抗磁质 r 1 B B0 (3) 铁磁质
r 1 B B0
B0
14.1 磁介质的磁化和磁导率
14.1 磁介质的磁化和磁导率
三 磁介质磁化的微观机制 (掌握要点) 1 顺磁质的磁化 轨道磁矩 —电子绕核的轨道运动 分子磁矩 自旋磁矩 —电子本身自旋四 Βιβλιοθήκη 化强度矢量 M Pm V
M is
抗磁质
B0
B0
Is
M dl I s
L
分子圆电流和磁矩 I
Pm
B0
无外磁场
有外磁场
14.1 磁介质的磁化和磁导率
B B0
无外磁场作用时,由 于分子的热运动,分子 磁矩取向各不相同,整 个介质不显磁性. B0 在外磁场作用下分 B 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.
分 子 磁 矩
2 抗磁质及其磁化 在外磁场中,抗磁质分子会产生附加磁矩 电子绕核的轨道运 pm 动电子本身自旋 外磁场场作用下 总与外磁场 pm 产生附加磁矩 方向反向 电子的附加磁矩总是削弱外磁场的作用. B B0 抗磁性是一切抗磁介质共同具有的特性.
14.1 磁介质的磁化和磁导率
14.1 磁介质的磁化和磁导率
14.1 磁介质的磁化和磁导率
一 磁场中的磁介质 磁介质—能与磁场产生相互作用的物质.
磁化—磁介质在磁场作用下所发生的变化. 不同磁介质磁化后对原外磁场存在不同的影响
B Bo B'
真空中的 磁感强度
磁介质中的 总磁感强度
介质磁化后的 附加磁感强度
二 磁导率和磁介质分类 磁导率—描述不同磁介质的导磁性能 0 r 0 真空磁导率 B r 介质的相对磁导率 介质的绝对磁导率 根据 r 的大小可将磁介质分为三大类
(1) 顺磁质 r 1 B B0 (2) 抗磁质 r 1 B B0 (3) 铁磁质
r 1 B B0
B0
14.1 磁介质的磁化和磁导率
14.1 磁介质的磁化和磁导率
三 磁介质磁化的微观机制 (掌握要点) 1 顺磁质的磁化 轨道磁矩 —电子绕核的轨道运动 分子磁矩 自旋磁矩 —电子本身自旋四 Βιβλιοθήκη 化强度矢量 M Pm V
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。
磁介质的磁化规律和机理-PPT精品文档
磁介质的磁化规律和机理
张炜
磁介质的分类
磁介质大体分为3类:
顺磁质 抗磁质 铁磁质
r m 1
磁 质 :m 0 r 1 r 1 顺 磁 质 :m 0 r 1 r 1 抗 2 3 铁 磁 质 : 0 1 (10 ~10 ) m r
c
R
C
Hc
O
R'
C'
Hபைடு நூலகம்
S'
局部的小磁滞回线
局部的小磁滞回线到处可以产生
B
H
去磁过程
B
H
d N SB dt 电 源 抵 抗 感 应 电 动 势 作 功 ： d d A I 0 d t I 0 d t I0d dt H dA N S d B S lH d B V H d B N /l 单 位 体 积 铁 芯 ， 电 源 作 功 为 ： dA da H dB V a
B0
抗磁质的磁化机制
每个分子无固有磁矩;(相互抵消) 在外场作用下,感生磁矩都与外场方向相反. 顺磁质: 抗磁效应比顺磁效应小被掩盖. 0 B B
0 0
+
V
-
+
V
-
m
f
m
0
f
超导体的迈斯纳效应
超导体的基本特性： 在低于特定温度Tc(转变温度),电阻为零; 完全抗磁(迈斯纳效应). 抗磁效应机制: 表面的超导电流产生的附加磁场将体内磁场完全 抵消.
i B
M B
I0
0
H
H nI 0
起始磁化曲线
饱和磁化强度Ms
B M H 0
张炜
磁介质的分类
磁介质大体分为3类:
顺磁质 抗磁质 铁磁质
r m 1
磁 质 :m 0 r 1 r 1 顺 磁 质 :m 0 r 1 r 1 抗 2 3 铁 磁 质 : 0 1 (10 ~10 ) m r
c
R
C
Hc
O
R'
C'
Hபைடு நூலகம்
S'
局部的小磁滞回线
局部的小磁滞回线到处可以产生
B
H
去磁过程
B
H
d N SB dt 电 源 抵 抗 感 应 电 动 势 作 功 ： d d A I 0 d t I 0 d t I0d dt H dA N S d B S lH d B V H d B N /l 单 位 体 积 铁 芯 ， 电 源 作 功 为 ： dA da H dB V a
B0
抗磁质的磁化机制
每个分子无固有磁矩;(相互抵消) 在外场作用下,感生磁矩都与外场方向相反. 顺磁质: 抗磁效应比顺磁效应小被掩盖. 0 B B
0 0
+
V
-
+
V
-
m
f
m
0
f
超导体的迈斯纳效应
超导体的基本特性： 在低于特定温度Tc(转变温度),电阻为零; 完全抗磁(迈斯纳效应). 抗磁效应机制: 表面的超导电流产生的附加磁场将体内磁场完全 抵消.
i B
M B
I0
0
H
H nI 0
起始磁化曲线
饱和磁化强度Ms
B M H 0
第15章 磁介质的磁化
积分关系
L
M dl
I
L内
m
M
b a d c
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。
L
作闭合回路 abcda 求积分 M dl M dl M dl M dl M dl
顺磁质和铁磁质的磁导率明显地依赖于温度，而抗 磁质的磁导率则几乎与温度无关，为什么？ 答：顺磁质的磁性主要来源于分子的固有磁矩沿外磁场 方向的取向排列。当温度升高时，由于热运动的缘故， 这些固有磁矩更易趋向混乱，而不易沿外磁场方向排列， 使得顺磁质的磁性因磁导率明显地依赖于温度。 铁磁质的磁性主要来源于磁畴的磁矩方向沿外磁场方 向的取向排列。当温度升高时，各磁畴的磁矩方向易 趋向混乱而使铁磁质的磁性减小，因而铁磁质的磁导 率会明显地依赖于温度。当铁磁质的温度超过居里点 时，其磁性还会完全消失。
取一长为 l 面积为S的磁介质。则： n p I S m m S l j
m
M
M
M
jmlS jm V
pm jm
L V 一般言之：介质表面磁化面电流密度 j n m jm M M n n 式中：M 为磁化强度 n 为介质表面外法线的 单位矢量。 n jm （微分关系） n
顺磁质 磁化 抗磁质 铁磁质
居里点
磁导率大
r 102 104
类比总结
静电场
E dS
S L
稳恒磁场
1.基本性质
qi
i
E dl 0
2.电荷受力
0
有源 无旋
B dS 0
【大学物理】第五讲 磁介质的磁化
§2.5 磁介质的磁化
一、磁介质磁化机理
在磁场作用下，其内部发生变化，并反 过来影响原磁场分布的物质。 -----磁介质
1、物质磁性的概述
B B0 B'
磁介质中的 总磁感强度
真空中的 磁感强度
介质磁化后的 附加磁感强度
1
顺磁质 B B 0（铝、氧、锰等） 弱磁质
抗磁质 铁磁质
B
B
B0（铜、铋、氢等） B0（铁、钴、镍等）
总磁矩
m分子 Is S s Sl
M
m分子 V
s Sl
Sl
s
三、有磁介质存在时的安培环路定理
n
无磁介质时
B dl
l
0
Ii
i 1
有磁介质时
M
Is I
A
B
DlC
M l
dl
MAB sl
Bdl l
0
I 0 sl
B
l
0
M dl
I
Bdl l
0
I 0
M dl
向都相同，则表明该磁介质被均匀磁化。
5
2、 磁化电流
磁化电流
B
磁介质内部各处的分子电流总是方向相反， 相互抵消，只有在边缘上形成近似环形电流，这个 电流称为磁化电流。
3、磁化强度和磁化电流的关系
磁化面电流
设介质表面沿轴线方向单位长度上的磁化电
流为 s（磁化电流面密度），则长为l 的一段介 质上的磁化电流强度IS为 Is sl
强磁质
2. 顺磁质和抗磁质的磁化
物质是有分子或原子组成，包含的每 个电子都同时参与两种运动。
轨道运动 自旋运动
分子固有磁矩
轨道磁矩 自旋磁矩 分子圆电流和磁矩
一、磁介质磁化机理
在磁场作用下，其内部发生变化，并反 过来影响原磁场分布的物质。 -----磁介质
1、物质磁性的概述
B B0 B'
磁介质中的 总磁感强度
真空中的 磁感强度
介质磁化后的 附加磁感强度
1
顺磁质 B B 0（铝、氧、锰等） 弱磁质
抗磁质 铁磁质
B
B
B0（铜、铋、氢等） B0（铁、钴、镍等）
总磁矩
m分子 Is S s Sl
M
m分子 V
s Sl
Sl
s
三、有磁介质存在时的安培环路定理
n
无磁介质时
B dl
l
0
Ii
i 1
有磁介质时
M
Is I
A
B
DlC
M l
dl
MAB sl
Bdl l
0
I 0 sl
B
l
0
M dl
I
Bdl l
0
I 0
M dl
向都相同，则表明该磁介质被均匀磁化。
5
2、 磁化电流
磁化电流
B
磁介质内部各处的分子电流总是方向相反， 相互抵消，只有在边缘上形成近似环形电流，这个 电流称为磁化电流。
3、磁化强度和磁化电流的关系
磁化面电流
设介质表面沿轴线方向单位长度上的磁化电
流为 s（磁化电流面密度），则长为l 的一段介 质上的磁化电流强度IS为 Is sl
强磁质
2. 顺磁质和抗磁质的磁化
物质是有分子或原子组成，包含的每 个电子都同时参与两种运动。
轨道运动 自旋运动
分子固有磁矩
轨道磁矩 自旋磁矩 分子圆电流和磁矩
大学物理第15章磁介质的磁化
jm
大小：单位长度磁介质表面流过的磁化面电流
方向：该处磁化面电流的方向。
取一n 长 为 jm M
l
lL面积为S的 磁质。则：Spm ImS
M
jmlS jmV
M
pm V
jm
一般言之：介质表面磁化面电流密度
n
jm
M
n
jm M n 式n 中为：介M质为表磁面化外强法度线的
n
n
jm
53 电子的拉莫进动.swf
注意：
A）抗磁质固有磁矩为零，并不意味着电子不自旋， 电子不绕原子核运动。分子中所有电子的轨道磁矩和 自旋磁矩矢量和为零。
B）不管哪种介质，在无外场时，对外不显磁性.
C) 电与子pm进相动差产两生个的数附量加级磁。矩因此p顺m 磁总质是中减的弱磁外场磁是场加.强p了m 。
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 !!!
54 顺磁质的磁化1ok.swf
*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
LB
L
e
L B0
a
b
c
d
b
H d l lH nlI0
a
H nI0
I0
b B
B
I0
la
B 0r H 0rnI0
c
d
例: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
I 定义磁场强度
M H
dl )
B
0
M
L H d l I
磁介质中的安培环路定理：磁场强度沿任意闭合
磁介质的磁化、磁场强度
ldx
2π x
x
Φ db I ldx d 2π x
第3章 恒定电流的磁场
b
I
d
l
o x dx x
Φ db I ldx d 2π x Il ln(b d ) 2π d
M Φ l ln(b d )
I 2π d
I
l
若导线如左图放置, 根据对
称性可知 Φ 0
第3章 恒定电流的磁场
3.3 恒定磁场的边界条件
边界条件
S B dS 0
1
B1n=B2n( n (B1-B2 )=0)
2
l H dl I
H1t -H2t=JS ( n (H1-H2 )=JS )
n
B1
1
B2
2
法向连续，切向不连续
两种磁介质的边界
A1=A2
第3章 恒定电流的磁场
第3章 恒定电流的磁场
【例3-8】 有一长方形闭合回路与双线传输线同在一平面 内， 如图3-15所示， 回路两长边与传输线平行， 求传 输线与回路之间的互感。
I1
I1
I2
1
c
2
d
a
b
第3章 恒定电流的磁场
恒定磁场的边值问题
1、唯一性定理
B H A J= A
4.16 如图，一无限长载流直导线I1与一半径为R的圆
电流I2处于同一平面内，直导线与圆电流相距为d，且
R«d，求作用在圆电流上的磁场力。
解：
d
y dFy dF
dF I 2dl B
B 0
I1
2 d R cos
方向垂直纸面向外
6、磁介质及其磁化特性
Pm I S i lS
M M
Pm
V
i lS i lS
ABCD
____ M dl M AB
i AB
____
ABCD
I
A
M
B
C
M dl I i
L L
dI dq /(2 ) rdr , 它在O点产生的磁场为 0 dI 1 dB 0 dr , dB垂直盘面向右 2r 2
O
r+dr
R 1 1 B dB μ0 σω dr μ0 σω R 0 2 2
r
B
设q 0, 且ω方向如图 则B垂直盘面向右
D
二、有磁介质时的安培环路定理
磁场强度
L
0i
B dl o I i
L
L
M dl I i
L
Lቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
I I I
L
i
L
i
传导电流
磁化电流
B dl o I 0 i 0 M dl
B M dl I 0 i L L 0 H称为磁场强度 B 令：H M H 的单位 ：A 0 m
∴
L L L
H dl I 0 i
L
L
有磁介质时的 安培环路定理
I 0 i j0 dS ∴ H j0 微分形式
①、顺磁质:固有分子磁矩不为零,在无外磁 场时,由于分子的热运动,这些固有磁矩的取向是 无规则的,因而在任意宏观小体积元内总磁矩仍 为零,当有外磁场时,固有磁矩将不同程度转向外 磁场方向,形成沿外磁方向取向磁化,使总磁场增 强,这就是顺磁性产生的原因。
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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
r M
样也激发磁感应强度，两种相互作用达到平衡，介质中的磁感应
强度B 应是所有电流源激励的结果：
r rr
B 0(J JM)
B dl C
0
S (J JM ) dS
rr J、JM
分别是传导电流密度和磁化电流密度。
r
r
将磁化电流体密度表达式 JM M 代入
r B
r
0 ( J
r JM)
，
有
(
磁化强度
r M
是描述磁介质磁化
程度的物理量，定义为单位体积中
的分子磁矩的矢量和，即
r
M lim ΔV 0
r
pm ΔV
npr m
单位为A/m。
r M
npr m
B
3. 磁化电流 磁介质被磁化后，在其内部与
B
r dl
pr m
表面上可能出现宏观的电流分布，
S
称为磁化电流。
（1）
磁化电流体密度
r JM
C
dl
考察穿过任意围线C 所围曲面S 的电流。只有分子电流与围
线相交链的分子才对电流有贡献。与线元dl 相交链的分子，中心
位于如图所示的斜圆柱内，所交链的电流
dIM
r niS
r dl
npr m
r dl
r M
r dl
穿过曲面S 的磁化电流为
IM
C dIM
M dl
C
M dS
S
由 IM S Jr，M 即dSr得到磁化电流体密度
r
r
JM M
r （2） 磁化电流面密度 JSM
在紧贴磁介质表面取一长度元dl，
与此交链的磁化电流为
dIM
r M
r dl
r M
ertdl
M t dl
则
JSM M t
r
即
r J SM
r M
r en
M 的切向分量
r
M
JrSM
en
dl
4. 磁场强度 介质中安培环路定理
外加磁场使介质发生磁化，磁化导致磁化电流。磁化电流同