第15章磁介质的磁化参考答案
第15章 磁介质的磁化 参考答案
一、选择题
1(C)，2(B)，3(B)，4(C)，5(D)
二、填空题
(1). －8.88×10-6 ，抗 . (2). 铁磁质，顺磁质，抗磁质. (3). 2.50×10-4 A/m
(4). 各磁畴的磁化方向的指向各不相同，杂乱无章.
全部磁畴的磁化方向的指向都转向外磁场方向. (5). 矫顽力大，剩磁也大；例如永久磁铁． (6). 矫顽力小，容易退磁．
三 计算题
1. 半径为R 、通有电流I 的一圆柱形长直导线，外面是一同轴的介质长圆管，管的内外半径分别为R 1和R 2，相对磁导率为μr ．求：
(1) 圆管上长为l 的纵截面内的磁通量值； (2) 介质圆管外距轴r 处的磁感强度大小．
解： (1) r
I
H π=
2 r I B r π=20μμ
r l r
I R R r d 2210?π=μμΦ120ln 2R R Il r ?π=μμ
(2) r
I
B π=20μ ，与有无介质筒无关
2. 一根无限长的圆柱形导线，外面紧包一层相对磁导率为μr 的圆管形磁介质．导线半径为R 1，磁介质的外半径为R 2，导线内均匀通过电流I ．求∶
(1) 磁感强度大小的分布(指导线内、介质内及介质以外空间)． (2) 磁介质内、外表面的磁化面电流密度的大小．
解∶(1) 由电流分布的对称，磁场分布必对称．把安培环路定理用于和导线同心的各个圆周环路．在导线中 (0 2 1 12r R I r H π?π=π? ∴ 2112R Ir H π= ， 2 1 01012R Ir H B π==μμ 在磁介质内部 (R 1 I r H =?π22，r I H π= 22，r I B r π202μμ=． 在磁介质外面 (r >R 2) r I H π23=， r I B π=203μ． (2) 磁化强度 ()r I r I r I H B M r r π-=π- π= -= 21220μμμ 介质内表面处的磁化电流密度 ()1 1211R I M i r S π-==μ 介质外表面处 ()2 212R I i r S π-= μ 3. 一个磁导率为μ1的无限长均匀磁介质圆柱体，半径为 R 1．其中均匀地通过电流I ．在它外面还有一半径为R 2的 无限长同轴圆柱面，其上通有与前者方向相反的电流I ， 两者之间充满磁导率为μ2的均匀磁介质．求磁感强度的大小B 对到轴的距离r 的分布． 解：由安培环路定律 ∑?=?i I l H ? ?d ，有 2 1 221122R Ir r r R I H π=ππ?π= 0＜r ＜R 1 H 2 = I / (2πr ) R 1＜r ＜R 2 H 3 = 0 r ＞R 2 ∵ B = μH ∴ 有B 的分布： () 21112/R Ir B π=μ 0＜r ＜R 1 B 2 = μ2I / (2πr ) R 1＜r ＜R 2 B 3 = 0 r ＞R 2 4. 一铁环的中心线周长为0.3 m ，横截面积为1.0×10-4 m 2，在环上密绕300匝表面绝缘的 导线，当导线通有电流3.2×10-2 A 时，通过环的横截面的磁通量为2.0×10-6 Wb ．求： (1) 铁环内部的磁感强度； (2) 铁环内部的磁场强度； (3) 铁的磁化率； (4) 铁环的磁化强度． 解：(1) 2102-?== S B Φ T (2) n = 1000 m -1， H = nI 0＝32 A/m (3) 相对磁导率 4970== H B r μμ ∴ 磁化率 χm = μr -1 = 496 (4) 磁化强度 M = χm H ＝1.59×104 A/m 四 研讨题 1. 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？ R 2 μ2 I O O μ2 μ1 R 2 R 1 俯视图 参考解答： 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。 至于抗磁质，它的磁性来源于抗磁质分子在外磁场中所产生的与外磁场方向相反的感生磁矩，不存在磁矩的方向排列问题，因而抗磁质的磁性和分子的热运动情况无关，这就是抗磁质的磁导率几乎与温度无关的原因。 2. 在实际问题中用安培环路定理∑?=?0d I l H L ? ?计算由铁磁质组成的闭合环路，在得出H 后，如何进一步求出对应的B 值呢？ 参考解答: 由于铁磁质的μ r 不是一个常数，因此不能用B =μr μ0H 来进行计算，而是应当查阅手册中该铁磁材料的B －H 曲线图，找出对应于计算值H 的磁感强度B 值． 3. 磁冷却。将顺磁样品（如硝酸镁）在低温下磁化，其固有磁矩沿磁场排列时要放出能量以热量的形式向周围环境排出。然后在绝热的情况下撤去外磁场，这样样品温度就要降低，实验中可降低到10-6K 。试解释为什么样品绝热退磁时会降温。 参考解答： 磁冷却的原理和过程可以分几步说明如下： (1) 把顺磁样品放入低温环境中（如温度1K 的He 气，He 气又和周围的液He 维持1K 下的热平衡）。 (2) 加外磁场（磁感强度约1T ），使顺磁样品等温磁化，顺磁质的固有磁矩在外磁场的作用下会排列起来。在此过程中，外界对磁场做功，顺磁质的内能增加；同时样品放出热量，被周围的He 气吸收，整个系统仍维持1K 的温度不变。 (3) 迅速抽出样品周围的He 气，使样品处于绝热隔离状态。 (4) 去掉外磁场，顺磁质的磁场又趋于混乱。此过程中，样品对外做功，内能减少，样品温度下降。一般情况下，样品的温度可以将到10-6K 。 4. 高压容器在工业和民用领域都有着非常广泛的应用，如锅炉、储气罐、家用煤气坛等。由于高压容器长期的使用、运行,局部区域受到腐蚀、磨损或机械损害,从而会形成潜在的威胁. 因此世界各国对于高压容器的运行都制定了严格的在役无损检测标准,以确保高压容器的安全运行。请根据所学的知识,探索一种利用铁磁材料实现无损探伤的方法。 参考解答: 目前无损检测一般采用的方法有磁粉探伤、超声波探伤和X 射线探伤等方法。磁粉探伤依据的是介质表面磁场分布的不连续性,可采用磁粉显示;超声波和X 射线探伤利用了波动在介质分界面反射的现象. 这些方法有的仪器结构复杂、操作繁琐,有的数据处理麻烦、价格较高,对于家用容器的检测就更为不方便. 根据LC 振荡电路的磁回路特性,一旦介质内部出现裂纹,将会引起磁导率的突变,从而使回路的电磁参数发生变化.将这一结果用于铁磁 材料表面和内部伤痕、裂纹的检测中,其检测方法原理简单,操作方便,检测灵敏度高。 LC 磁回路测量原理： 磁回路的基本模型如图所示。A 是带线圈的磁芯， M 是待检测的材料，如容器壁。磁回路最基本的规律是安培环路定理: ∑?=?i L I l H ? ?d . 假定整个回路采用高导磁率材料组成,而且回路中绕有N 匝线圈,线圈中电流为I ,若同一种材料中的磁场强度相同,则环路定理就可以写成： ∑∑==i i i i i l B l H NI μμ0 式中H i 总是沿l i 方向。当回路中第i 段的截面积为S i 时, B i S i =φi ,由于环路内各处截面的磁通都相同, φi =φ.于是有： .000∑∑∑∑====i i i i i i i i i i i i S l S l l B l H NI μμφμμφμμ 上式中令：,m NI ε= ∑ =m i i i R S l μμ0 分别为磁回路的磁动势和磁阻， 则 )1(----= m m R εφ 另一方面,根据磁回路中的自感电动势定义： t N t I L d d d d φε- =-=，由式(1)得到：.d d d d 22 m m R N I R I N I N L ===φ 假定由该回路与电容C 组成LC 振荡电路, 电路的振荡频率f 为： )2(2121----== N C R LC f m ππ 由式(2)可见, 在回路几何参数一定的情况下, 振荡频率由回路中的磁导率决定. 在磁回路图中,假定由容器壁M 与带线圈的磁芯A 组成回路,若维持几何参数不变,只要容器壁是均匀的,那么不同地方的回路振荡频率便相同. 在材料内部一旦出现气泡、裂纹, 则在其边界部位磁导率出现较大变化, 振荡频率就会出现跳变. 据此就可以探测到材料表面和内部的伤痕、裂纹. 第15章 磁介质的磁化 参考答案 一、选择题 1(C)，2(B)，3(B)，4(C)，5(D) 二、填空题 (1). －8.88×10-6 ，抗 . (2). 铁磁质，顺磁质，抗磁质. (3). 2.50×10-4 A/m (4). 各磁畴的磁化方向的指向各不相同，杂乱无章. 全部磁畴的磁化方向的指向都转向外磁场方向. (5). 矫顽力大，剩磁也大；例如永久磁铁． (6). 矫顽力小，容易退磁． 三 计算题 1. 半径为R 、通有电流I 的一圆柱形长直导线，外面是一同轴的介质长圆管，管的内外半径分别为R 1和R 2，相对磁导率为μr ．求： (1) 圆管上长为l 的纵截面内的磁通量值； (2) 介质圆管外距轴r 处的磁感强度大小． 解： (1) r I H π= 2 r I B r π=20μμ r l r I R R r d 2210?π=μμΦ120ln 2R R Il r ?π=μμ (2) r I B π=20μ ，与有无介质筒无关 2. 一根无限长的圆柱形导线，外面紧包一层相对磁导率为μr 的圆管形磁介质．导线半径为R 1，磁介质的外半径为R 2，导线内均匀通过电流I ．求∶ (1) 磁感强度大小的分布(指导线内、介质内及介质以外空间)． (2) 磁介质内、外表面的磁化面电流密度的大小． 解∶(1) 由电流分布的对称，磁场分布必对称．把安培环路定理用于和导线同心的各个圆周环路．在导线中 (0 第二章材料的热学性能 热容：热容是分子或原子热运动的能量随温度而变化的物理量，其定义是物体温度升高1K所需要增加的能量。 不同温度下，物体的热容不一定相同，所以在温度T时物体的热容为： 物理意义：吸收的热量用来使点阵振动能量升高，改变点阵运动状态，或者还有可能产生对外做功；或加剧电子运动。 晶态固体热容的经验定律： 一是元素的热容定律—杜隆-珀替定律：恒压下元素的原子热容为25J/（K?mol）； 二是化合物的热容定律—奈曼-柯普定律：化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。 热差分析：是在程序控制温度下，将被测材料与参比物在相同条件下加热或冷却，测量试样与参比物之间温差(ΔT)随温度(T)时间(t)的变化关系。 参比物要求：应为热惰性物质，即在整个测试的温度范围内它本身不发生分解、相变、破坏，也不与被测物质产生化学反应同时参比物的比热容，热传导系数等应尽量与试样接近。 第三章材料的光学性能 四、选择吸收：同一物质对各种波长的光吸收程度不一样，有的波长的光吸收系数可以非常大，而对另一波长 的吸收系数又可以非常小。 均匀吸收：介质在可见光范围对各种波长的吸收程度相同。 金属材料、半导体、电介质产生吸收峰的原因 （1）金属对光能吸收很强烈，这是因为金属的价电子 处于未满带，吸收光子后即呈激发态，用不着跃迁到导 带即能发生碰撞而发热。（2）半导体的禁带比较窄， 吸收可见光的能量就足以跃迁。（3）电介质的禁带宽， 可见光的能量不足以使它跃迁，所以可见光区没有吸收 峰。紫外光区能量高于禁带宽度，可以使电介质发生跃 迁，从而出现吸收峰。电介质在红外区也有一个吸收峰， 这是因为离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致。 第六章材料的磁学性能 一、固有磁矩产生的原因 原子固有磁矩由电子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩构成，电子绕原子核运动，产生轨道磁矩；电子的自旋也产生自旋磁矩。当电子层的各个轨道电子都排满时，其电子磁矩相互抵消，这个电子层的磁矩总和为零。原子中如果有未被填满的电子壳层，其电子的自旋磁矩未被抵消(方向相反的电子自旋磁矩可以互相抵消)，原子就具有“永久磁矩”。 二、抗磁性与顺磁性 抗磁性：轨道运动的电子在外磁场作用下产生附加的且与外磁场反向的磁矩。 产生原因：外加磁场作用下电子绕核运动所感应的附加磁矩造成的。 顺磁性：材科的顺磁性来源于原子的固有磁矩。 产生原因：因为存在未填满的电子层，原子存在固有磁矩，当加上外磁场 时，为了降低静磁能，原子磁矩要转向外磁场方向，结果使总磁矩不为零而表 现出磁性。 三、强顺磁性：过渡族金属在高温都属于顺磁体，这些金属的顺磁性主要是由 于3d, 4d, 5d电子壳层未填满，而d和f态电子未抵消的磁矩形成晶体离子 构架的固有磁矩，因此产生强烈的顺磁性。 四、磁化曲线、磁滞回线 铁磁材料的磁性能 1、铁磁性物质的磁化 当把一根铁棒插入通有电流的线圈时，可以发现铁棒能够吸引铁屑，这是由于铁棒被磁化的缘故。所谓磁化是指使原来没有磁性的物质具有磁性的过程。只有铁磁性物质能够被磁化，非铁磁性物质不能被磁化。 铁磁性物质能够被磁化的主要原因是其内部存在大量的磁性小区域，即磁畴。在无外磁场作用时，铁磁物质中磁畴的排列杂乱无章，磁性相互抵消，物质对外界并不显磁性。但是，在外磁场作用下，磁畴将沿着磁场的方向排列，从而产生附加磁场，如图 4.1所示。附加磁场与外磁场叠加在一起，使得总磁场增强。有些铁磁性物质在去掉外磁场后对外仍显磁性，于是它们变成了永久磁铁。 （a）（b） 图4.1铁磁性物质的磁畴 2、磁化曲线 铁磁性物质在外磁场作用下，其内部将产生磁场。表征铁磁性物质内磁感应强度B随外磁场强度H变化的曲线，称为磁化曲线，也称为B-H曲线。如果铁磁性物质从完全无磁的状态进行磁化所得到的磁化曲线称为起始磁化曲线。磁化曲线是非线性的。起始磁化曲线应经过坐标原点，如图4.2所示。 图4.2铁磁性物质的磁化曲线 在磁化曲线起始的Oa段，曲线上升缓慢，这是由于铁磁物质内部磁畴的惯性造成的，这个阶段称为起始磁化阶段。随着H的增大，B也增大，磁化曲线中ab段的变化接近于直线，这是由于大量的磁畴在外磁场作用下沿着磁场的方向排列，附加磁场增强。然后，在bc段，随着H的增大，B也增大，但增大的速度变慢，这是由于铁磁性物质内部只剩下了少数的磁畴。最后，在cd段，由于铁磁性物质几乎全部被磁化，继续增大H，B几乎没有变化，即B达到了饱和值。不同的铁磁性物质具有不同的磁化曲线。 3、磁滞回线 上面介绍的磁化曲线只反映了铁磁性物质在外磁场由零逐渐增强时的磁化过程。但是，在实际使用中，许多铁磁性材料往往工作在大小和方向交替变化的磁场中，这时由于铁磁性物质具有滞后效应和粘滞性，使得B的值不仅与相应的H有关，还与物质之前的磁化状态有关。 实验表明，如果B达到饱和值后，逐渐减小H，这时B并不是沿着图4.2中的磁化曲线减小，而是沿着另一条曲线下降，如图4.3所示的de段。当H减小至零时，B的值不是零，而是Br，Br称为剩磁。 图4.3磁滞回线 为了消除剩磁，必须施加反向的磁场。当反向磁场由零增大到Hc时，B的值为零。Hc 称为矫顽力，它反映了铁磁性物质保持剩磁的能力。继续增大反向磁场，B的值将从零变为负值，即B的方向发生改变，铁磁性物质被反向磁化。反向磁化使B达到饱和值后，减小反向磁场，磁化曲线将沿gk段变化，在k点处H为零。继续增大正向磁场，磁化曲线将沿khd变化。从磁化的整个过程可以看出，B的变化总是落后于H的变化，这种现象称为磁滞现象。磁化过程所形成的闭合的、对称于原点的曲线defgkhd，称为磁滞回线。 11-1 磁介质 磁化强度 一、磁介质 磁化强度 磁场对处于磁场中的物质也有作用，使其磁化。一切能够磁化的物质称为磁介质。而磁化了的磁介质要激起附加磁场，也会对原磁场产生影响。 应当指出的是，磁介质对磁场的影响远比电介质对电场的影响要复杂得多。不同 的磁介质在磁场中的表现则是很不相同的。假设没有磁介质（即真空）时，某点的磁感强度为0B ，放入磁介质后，因磁介质被磁化而建立的附加磁感强度为B '，那么该点的磁感强度B 应为这两个磁感强度的矢量和，即 B B B '+=0 实验表明，附加磁感强度B '的方向随磁介质而异。有一些磁介质，B '的方向与0B 的方向相同，使得0B B >，这种磁介质叫做顺磁质，如铝、氧、锰等；还有一类磁介质，B '的方向与0B 的方向相反，使得0B B <，这种磁介质叫做抗磁质，如铜、铋、氢等。但无论是顺磁质还是抗磁质，附加磁感强度的值B '都较0B 要小得多（约几万分之一或几十万分之），它对原来磁场的影响极为微弱。所以，顺磁质和抗磁质统称为弱磁性物质。实验还指出，另外有一类磁介质，它的附加磁感强度B '的方向虽与顺磁质一样，是和0B 的方向相同的，但B '的值却要比0B 的值 大很多（可达102-104 倍），即0B B >>，并且B 和B 0的比值不是常量。这类磁介质能显著地增 强磁场，是强磁性物质；我们把这类磁介质叫做铁磁质，如铁、镍、钴及其合金等。 弱磁性物质的顺磁性和抗磁性的微观机理，与强磁性物质的铁磁性显著不同。这节用安培的分子电流学说简单说明顺磁性和抗磁性的起源。关于铁磁质的铁磁性将在第11-3节中介绍。 在物质的分子中，每个电子都绕原子核作轨道运动，从而使之具有轨道磁矩（参阅第10-2节）；此外，电子本身还有自旋（参阅第17-10节），因而也会具有自旋磁矩。一个分子内所有电子全部磁矩的矢量和，称为分子的固有磁矩，简称分子磁矩，用符号 m 表示。分子磁矩可用一个等效的圆电流I 来表示，这就是安培当 年为解释磁性起源而设想的分子电流，如图所示。这里需要明确的是，分子电流与导体中的传导电流是有区别的，构成分子电流的电子只作绕核运动，它们不是自由电子。 5．4 铁磁性物质的磁化 一、选择题： 1、由铁磁性物质的磁化曲线可知，铁磁性物质的磁导率最大出现在磁化曲线的( ) A．起始段 B．直线段 C．饱和段 D．接近饱和段 2、如图1所示( ) A．(1)材料导磁性能强 B．(2)材料导磁性能强 C．两种材料的导磁性能一样 D．不能确定 3、如图2所示，退磁曲线为图中的（） A．ab B．bc C．cd D: de 图1 图2 4、半导体收音机的铁氧体磁棒是 ( ) A．硬磁性材料 B．软磁性材料 C．矩磁性材料 D．非铁磁性材料 5、下列说法正确的是（） A．电磁铁的铁芯是由软磁材料制成的 B．铁磁材料磁化曲线饱和点的磁导率最大； C．铁磁材料的磁滞回线越宽，说明它在反复磁化过程中的磁滞损耗和涡流损耗大； D．通入线圈中的电流越大，产生的磁场越强 6、电磁铁的铁心在交变电流作用下反复磁化，其内部的磁畴反复翻转，这种由翻转所产生的损耗叫( ) A.铜损 B．涡流损耗 C．磁滞损耗 D．漏磁损耗 7、录音磁头所用铁心材料和录音磁带所用磁性材料分别是( ) A．硬磁材料，软磁材料 B．硬磁材料，矩磁材料 C．软磁材料，矩磁材料 D．软磁材料，硬磁材料 8、适用制造永久磁铁的材料是( ) A．软磁性材料 B．硬磁性材料 C．矩磁性材料 D．顺磁性材料 9、正常工作时，电动机、变压器的铁芯一般工作在磁化曲线的 ( ) A．起始段 B．直线段 C．过渡段 D．饱和段 10、为减小剩磁，电磁线圈的铁心应采用( )。 A．硬磁性材料 B．非磁性材料 C．软磁性材料 D．矩磁性材料 11、铁磁性物质的磁滞损耗与磁滞回线面积的关系是( ) A．磁滞回线包围的面积越大，磁滞损耗也越大 B．磁滞回线包围的面积越小，磁滞损耗越大 C．磁滞回线包围的面积大小与磁滞损耗无关 D．以上答案均不正确 12、如果线圈的匝数和流过它的电流不变，只改变线圈中的媒介质，则线圈内 ( ) A．H不变，B变化 B．H变化，B不变 第六章 磁介质 §1.分子电流观点 （P560习题） 3.附图所示是一根沿轴向均匀磁化的细长永磁棒，磁化强度为M ，求图中标出各点的B 和H 。 解：在磁棒内外,B B B '+=0,M B H -= μ. 无传导电流,00=B .对细长永磁棒，在两端的4、5、6、7点M B 02 1 μ≈ '，在中点1， M B 0μ≈'，在棒外的2、3点0='B ，所以 M B 01μ= 032==B B M B B B B 076542 1 μ==== 注意到在磁棒内M=常数，在磁棒外M=0，根据M B H -= μ立即可得： 0321===H H H M H H 2174= = M H H 2 165-== 4.附图所示是一个带有很窄缝隙的永磁环,磁化强度为M,求图中所标各点的B 和H. 解: 由B B B '+=0, 其中00=B ,因缝隙很窄, M i B B B 00321μμ='='='=' 故 M B B B 0321μ=== 由M B H -= μ注意到在环内M=常数,在缝隙中M=0, 所以 M H =1,032==H H §3.介质的磁化规律 （P605习题） 1.一环形铁芯横截面的直径为4.0毫米,环的平均半径R=15毫米,环上密绕着200匝线圈(见附图),当线圈导线通有25毫安的电流时,铁芯的(相对)磁导率300=μ求通过铁芯横截面的磁通量φ. 解: 由S nI BS 00ημφ==,其中 3 2 1012.210 5.12200?=??= -πn 米1-,所以 762337105.21044 10251012.2104300----?=??? ??????=π πφ韦伯 4.一无穷长圆柱形直导线外包一层磁导率为μ的圆筒形磁介质,导线半径为1R ,磁介质的外半径为2R (见附图),导线内有电流I 通过.(1)求介质内、外的磁场强度和磁感应强度的分布,并画r H - 、r B =曲线;(2) 介质内、外表面的束缚面电流密度i ';(3) 从磁荷观点来看,介质表面有无磁荷? 解: (1)在横截面内分别在导线内外取以导线轴线为中心的圆形回路,应用安培环路定理可得 2 7 4 二、介质磁化的微观解释 第五章已经阐述了关于磁性起源的两种说法，即“磁荷说”和“分子电流说”。近代实验已证明分子电流观点更符合客观实际，而磁荷观点却由于磁单极至今没被发现，被认为有所偏离客观实际。尽管如此，以磁荷观点建立起的一些计算方法和公式，对于计算一些磁场的问题还是有效的，在一些磁介质的计算中甚至更为简洁，这是因为虽然找不到磁单极，但是磁偶极却地地道道的存在着，例如小磁针、磁畴、小闭合电流圈等。 1．分子电流观点 安培提出的关于磁性起源的分子电流假说认为，每个分子（原子）中的带电粒子运动的总效果都形成一定的圆形电流——分子电流，每个分子电流都相当于一个小磁针，考虑到电流的磁效应，可以说，一切磁现象的起源都是电流，这已为近代物理实验所证实。基于分子电流观点的磁学理论认为，两种磁极不能单独存在。介质中的每一个分子电流 ，都形成一定的磁矩，称作分子的固有磁矩 介质磁化的后果就取决于这 些分子磁矩的性质与排列方 式。顺磁质放到外磁场中， 其分子磁矩受到磁场力矩的 作用，使分子磁矩的方向发 生转向，沿着倾向外磁场一 致的方向排列（图7-2a ）。 由于介质分子热运动的妨 碍，各个分子磁矩的这种取 向不可能整齐划一，但其转向排列的总效果却与外磁场的强弱有关。一般来说，外磁场越强，分子磁矩排列的就越整齐，转向外场一致的程度就越高。 抗磁质实际是一些固有磁矩为零的介质。在某 些介质的分子中有许多电子和若干原子核，一个分 子的总磁矩取决于所有电子的轨道磁矩、自旋磁矩 和原子核的自旋磁矩的矢量和。一些物质恰好这个 矢量和为零，而将其放到外磁场中时，其分子却产 生反向的感生磁矩（图7-2b)，感生磁矩削弱了外 磁场，这类介质就是抗磁质。需要指出的是，抗磁 效应在具有固有磁矩的顺磁质分子中同样存在，只 不过那里的顺磁效应比抗磁效应强得多，抗磁性被掩盖了。 图7-2 顺磁质与抗磁质的磁化电流 图7-3 超导体的完全抗磁性 第十五章 磁介质的磁化 15．1 一均匀磁化的磁介质棒，直径为25mm ，长为75mm ，其总磁矩为12000A·m 2 ．求棒的磁化强度M 为多少？ [解答]介质棒的面积为S = πr 2，体积为 V = Sl = πr 2 l ， 磁矩为p m = 12000A·m 2 ，磁化强度为 m m p p M V V ∑==?323 12000(2510/2)7510π--=???=3.26×108(A·m -1)． 15．2 一铁环中心线的周长为30cm ，横截面积为1.0cm 2 ，在环上密绕线圈共300匝， 当通有电流32mA 时，通过环的磁通量为2.0×10-6 Wb ，求： （1）环内磁感应强度B 的值和磁场强度H 的值； （2）铁的磁导率μ、磁化率χm 和磁化强度M ． [解答]（1）根据公式B = Φ/S 得磁感应强度为 6 42.0101.010B --?= ?= 0.02(T)． 根据磁场的安培环路定理d L I ?=∑? H l ， 由于B 与d l 的方向相同，得磁场强度为 3 230032103010NI H l --??==?= 32(A·m -1 )． （2）根据公式B = μH ，得铁的磁导率为 0.0232B H μ== = 6.25×10-4(Wb·A -1·m -1)． 由于μ = μr μ0，其中μ0 = 4π×10-7 为真空磁导率，而相对磁导率为μr = 1 + χm ，所以磁化率为 4 7 0 6.251011496.4410m μχμπ--?=-=-=?． 磁化强度为 M = χm H = 496.4×32 = 1.59×104 (A ·m -1 )． 15．3 一螺绕环中心周长l = 10cm ，线圈匝数N = 200匝，线圈中通有电流I = 100mA ．求： （1）管内磁感应强度B 0和磁场强度H 0为多少？ （2）设管内充满相对磁导率μr = 4200的铁磁质，管内的B 和H 是多少？ （3）磁介质内部由传导电流产生的B 0和由磁化电流产生的B`各是多少？ [解答]（1）管内的磁场强度为 3 02200100101010NI H l --??==?= 200(A·m -1 )． 磁感应强度为 B = μ0H 0 = 4π×10-7×200 = 2.5×10-4(T)． （2）当管内充满铁磁质之后，磁场强度不变H = H 0 =200(A·m -1 )． 磁感应强度为 B = μH = μr μ0H = 4200×4π×10-7×200 = 1.056(T)． （3）由传导电流产生的B 0为2.5×10-4 T ．由于B = B 0 + B`，所以磁化电流产生的磁感应强度为 B` = B - B 0 ≈1.056(T)． 一、名词解释 磁矩：反映磁偶极子的磁性大小及方向的物理量，定义为磁偶极子等效的平面回路的电流和回路面积的乘积μ=i.s 磁化强度:定义为单位体积磁偶极子具有的磁矩矢量和，是描述宏观磁体磁性强弱的物理量 磁场强度：单位正电荷在磁场中受到的力，用H表示 磁极化强度：单位体积磁偶极矩的矢量和 磁感应强度:用来描述磁场强弱和方向的物理量，大小等于垂直于磁场方向长度为1m，电流为1A的导线所受力的大小； 可逆磁化：畴壁位移磁化过程中磁位能的降低和铁磁体能的增加相等 不可逆磁化：每个磁化状态都处于亚稳态且磁化状态不随时间改变 涡流损耗：导体在非均匀磁场中移动或处在随时间变化的磁场中时，导体的感生的电流导致的能量损耗磁滞损耗：铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损耗 交换作用：铁磁性物质中近邻原子之间通过电子间的静电交换作用实现的作用方式 超交换作用：反磁性物质中的磁性离子以隔在中间的非磁性离子为媒介实现的交换作用 磁化曲线：表征磁感应强度B，磁化强度M与磁场强度H之间的非线性关系的曲线 磁滞回线：在外加磁场H从正的最大到负的最大，再回到正的最大这个过程中，M-H或B-H形成了一条闭合曲线，称为磁滞回线 磁化率：置于外磁场中的磁体，其磁化率为磁化强度M与外磁场强度H的比值，是表征磁体磁性强弱的一个参量 磁导率：磁导率是表征磁体的磁性，导磁率及磁化难易程度的磁学量，是磁感应强度B与外磁场强度H 的比值 起始磁导率：磁中性化的磁性材料，当磁场强度趋近于零时磁导率的极限值 最大磁导率：对应基本磁化曲线上各点磁导率的最大值 退磁场：当一个有限大小的样品被外磁场磁化时，在他两端的自由磁极所产生的一个与磁化强度方向相反的磁场称为退磁场 退磁场Hd的强度与磁体的强度及形状有关，Hd=-NM 退磁因子：仅与材料形状有关的影响材料退磁场强度的参数 铁磁性：是指物质中相邻原子或离子的磁矩由于它们的相互作用而在某些区域致按同一方向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到某一极限值的现象。 反铁磁性：在原子自旋（磁矩）受交换作用而呈现有序排列的磁性材料中，如果相邻原子自旋间是受负的交换作用，自旋为反平行排列，则磁矩虽处于有序状态（称为序磁性），但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。这种磁有序状态称为反铁磁性。 磁谱：指铁磁体在交变磁场中的复数磁导率的实部μ’和虚部μ“随频率变化的关系曲线 自发磁化：磁有序物质在无外加磁场的情况下，由于近邻原子间电子的交换作用或其他相互作用，使物质中各原子的磁矩在一定空间围呈现有序排列而达到的磁化，称为自发磁化 磁各向异性：单晶体的磁化曲线形状与单晶体的晶轴方向有关，即磁性随晶轴方向呈现各向异性 磁畴:为降低表面退磁场能，改变自发磁化的分布状态而在铁磁体产生许多自发磁化区域，这样的每一个磁化区域称为磁畴 单畴：具有强磁化强度的颗粒其自发磁化强度能随着体积增大而迅速增大。而在某些非常小的颗粒中， 磁介质 磁介质magnetic medium 由于磁场和事物之间的相互作用，使实物物质处于一种特殊状态，从而改变原来磁场的分布。这种在磁场作用下，其内部状态发生变化，并反过来影响磁场分布的物质，称为磁介质。磁介质在磁场作用下内部状态的变化叫做磁化。 在磁场作用下表现出磁性的物质。物质在外磁场作用下表现出磁性的现象称为磁化。所有物质都能磁化，故都是磁介质。按磁化机构的不同，磁介质可分为抗磁体、顺磁体、铁磁体、反铁磁体和亚铁磁体五大类。在无外磁场时抗磁体分子的固有磁矩为零，外加磁场后，由于电磁感应每个分子感应出与外磁场方向相反的磁矩，所产生的附加磁场在介质内部与外磁场方向相反，此性质称为抗磁性。顺磁体分子的固有磁矩不为零，在无外磁场时，由于热运动而使分子磁矩的取向作无规分布，宏观上不显示磁性。在外磁场作用下，分子磁矩趋向于与外磁场方向一致的排列，所产生的附加磁场在介质内部与外磁场方向一致，此性质称为顺磁性。介质磁化后的特点是在宏观体积中总磁矩不为零，单位体积中的总磁矩称为磁化强度。 实验表明，磁化强度与磁场强度成正比，比例系数χm称为磁化率。抗磁体和顺磁体的磁性都很弱，即cm很小，属弱磁性物质。抗磁体的cm为负值，与磁场强度无关，也不依赖于温度。顺磁体的cm为正值，也与磁场强度无关，但与温度成反比，即cm =C/T，C称为居里常数，T为热力学温度，此关系称为居里定律。 铁磁体在低于一定温度Tc时，内部存在许多自发磁化的小区域，称为磁畴，磁畴具有磁有序结构，同一磁畴内分子磁矩同向。无外磁场时不同磁畴的取向作无规分布，宏观上不显示磁性；在外磁场作用下磁畴转向，宏观体积内的总磁矩不为零，内部可产生与外磁场方向一致的、比外磁场要强得多的附加磁场。外磁场撤去后仍保留部分磁化强度。铁磁体还具有磁滞现象（见铁磁性）。铁磁体属强磁物质，是应用最广的磁介质。 反铁磁体内由于原子之间的相互作用使之与铁磁体一样具有磁有序结构，相邻自旋磁矩作反平行排列，大小恰好相抵消，因而不具有固有的自发磁化磁矩，此种性质称为反铁磁性。反铁磁体具有较大的顺磁磁化率，在一定温度TN处存在磁化率的峰值，温度大于TN时反铁磁性消失而成为顺磁体，临界温度TN称为奈耳温度。在奈耳温度TN处，反铁磁体的热胀系数和比热容等均发生突变。铁、钴、镍、锰等过渡族金属的氧化物均是反铁磁体。 亚铁磁性与反铁磁性具有相同的物理本质，只是亚铁磁体中反平行的自旋磁矩大小不等，因而存在部分抵消不尽的自发磁矩，类似于铁磁体。温度高于某一数值Tc 时，亚铁磁体变为顺磁体，Tc称居里温度。铁氧体大都是亚铁磁体。 上一章我们研究了电流在真空中激发的磁场．本章将讨论有磁介质存在时的情况。电介质处在电场中会产生极化现象，从而使空间的电场发生改变。与此类似，磁介质在磁场中会处于磁化状态，磁介质反过来也会对原来的磁场产生影响。 实验表明，不同的磁介质在磁场中磁化的效果是不同的。 在有些磁介质中，磁场大于原来的外磁场，即B>B0，这类磁介质称为顺磁质； 【课题名称】 5.3 铁磁性物质的磁化 【课时安排】 1课时（45分钟） 【教学目标】 1．了解磁化现象，能识读磁化曲线、磁滞回线、基本磁化曲线。 2．了解磁滞损耗产生的原因及降低损耗的方法。 3．了解常用铁磁材料。 【教学重点】 重点：铁磁性物质的特性及其在工程技术中的应用 【教学难点】 难点：磁化曲线、磁滞回线、基本磁化曲线概念的理解 【关键点】 了解铁磁性物质的特点 【教学方法】 多媒体展示法、讲授法、谈话法、理论联系实际法 【教具资源】 多媒体课件、铁磁性材料 【教学过程】 一、导入新课 教师可利用多媒体演示或实物演示软铁棒磁化实验，引导学生仔细观察实验现象，并解释现象原因。进而引出本课的学习内容——铁磁性物质的磁化。 二、讲授新课 教学环节1：认识磁化现象，识读磁化曲线、磁滞回线、基本磁化曲线 教师活动1：教师可利用多媒体展示软铁棒磁化实验，讲解铁磁性物质具有被磁化的特性。 学生活动1：学生在教师的引导与讲解下，结合课本学习、理解磁化现象。 教师活动2：教师可利用多媒体展示磁化曲线、磁滞回线和基本磁化曲线，讲解各种曲线的含义，引导学生正确理解、识读。 学生活动2：学生在教师的引导与讲解下，结合课本学习、理解各种曲线的含义，并学会正确识读 知识点： 1．磁化：本来不具磁性的物质，由于受到磁场的作用而具有了磁性的现象叫该物质被磁化。只有铁磁性物质才能被磁化，而非铁磁性物质是不能被磁化的。只有铁磁性物质才能被磁化。 2．磁化曲线：磁性物质的B随H而变化的曲线叫做磁化曲线，又叫做B－H 曲线。 3．磁滞回线：从铁磁性物质整个磁化过程看，B的变化总是落后于H的变化，这种现象叫做磁滞现象。经过多次循环，可以得到一个封闭的对称于原点的闭合曲线，叫做磁滞回线。 4．基本磁化曲线：在反复交变磁场中，可相应得到一系列大小不一的磁滞回线，连接各点对称的磁滞回线的顶点，得到的一条曲线叫做基本磁化曲线教学环节2：磁滞损耗产生的原因及降低损耗的方法 教师活动：教师可利用多媒体展示磁滞回线，引导学生明白磁滞损耗产生的原因及降低损耗的方法。 学生活动：学生可根据展示的曲线，并在教师的引导下，了解磁滞损耗产生的原因及降低损耗的方法。 知识点： 磁滞损耗：铁磁性物质的反复交变磁化，会损耗一定的能量，这是由于在交变磁化时，磁畴要来回翻转，在这个过程中，产生了能量损耗，这种损耗叫做磁滞损耗。 提示： 磁滞损耗在交流电机一类设备中是不希望的。软磁材料的磁滞回线狭窄，其磁滞损耗相对较小。硅钢片因此而广泛应用于电机、变压器、继电器等设备中。 教学环节3：常用铁磁性材料 教师活动：教师可利用多媒体展示三类铁磁材料的磁滞回线，引导学生明白铁磁性材料的分类，以及不同铁磁性材料的特性。 学生活动：学生可根据展示的各种磁滞回线，并在教师的引导下，了解铁磁 第15章 磁介质的磁化 一、选择题 1(C)，2(B)，3(B)，4(C)，5(D) 二、填空题 (1). －8.88×10-6 ，抗 . (2). 铁磁质，顺磁质，抗磁质. (3). 7.96×105 A/m ， 2.42×102 A/m. (4). 各磁畴的磁化方向的指向各不相同，杂乱无章. 全部磁畴的磁化方向的指向都转向外磁场方向. (5). 矫顽力大，剩磁也大；例如永久磁铁． (6). 磁导率大，矫顽力小，磁滞损耗低． 变压器，交流电机的铁芯等． 三 计算题 1. 一根同轴线由半径为R 1的长导线和套在它外面的内半径为R 2、外半径 为R 3的同轴导体圆筒组成．中间充满磁导率为μ的各向同性均匀非铁磁绝 缘材料，如图．传导电流I 沿导线向上流去，由圆筒向下流回，在它们的 截面上电流都是均匀分布的．求同轴线内外的磁感强度大小B 的分布． 解：由安培环路定理： ∑??=i I l H d 0< r 第15章磁介质的磁化参考答案
材料物理性能-复习资料
铁磁材料的磁性能
第十节磁介质磁化强度
5.4 铁磁性物质的磁化
磁介质题
二、介质磁化的微观解释
磁介质的磁化word版
磁性材料期末复习
磁介质概念、
中职铁磁性物质的磁化教案教学设计
练习册 第15章《磁介质的磁化》答案