大学物理15-4 37页

一、场对运动电荷的作用力回顾洛仑兹力只改变电荷的运动方向，不改变电荷运动速度的大小当带电粒子的运动速度垂直于磁感强度，粒子做匀速圆周运动圆周半径由粒子运动的周期T与速度无关\nS二、磁场对载流导线的作用力安培力洛伦兹力由于自由电子与晶格之间的相互作用，使导线在宏观上看起来受到了磁场的作用力.安培定律磁场对电流元的作用力\nOI平面载流线圈边长分别为l1和l2的载流线圈，电流为I三、磁场对平面载流线圈的作用力矩1、磁矩ISIS圆电流轴线上磁感强度公式与电流成右螺旋关系\nM,NO,PMNOPI2磁场作用于载流线圈的磁力矩如图均匀磁场中有一矩形载流线圈MNOP\n线圈有N匝时MNOPIM,NO,P\nIB.....................IBB++++++++++++++++++++++++I稳定平衡不稳定平衡讨论1）方向与相同2）方向相反3）方向垂直力矩最大\n向里M,NO,P向里侧视，向外稳定平衡均匀磁场作用于载流线圈的磁力矩\nM,NO,P侧视，向外侧视，向里MNOPI.当电流方向与刚才的相反\n侧视，向外侧视，向里M,NO,P侧视，向外侧视，向里不稳定平衡\n结论:均匀磁场中，任意形状刚性闭合平面通电线圈所受的力和力矩为与成右螺旋0pqq==稳定平衡非稳定平衡磁矩\n例1边长为0.2m的正方形线圈，共有50匝，通以电流2A，把线圈放在磁感应强度为0.05T的均匀磁场中.问在什么方位时，线圈所受的磁力矩最大？磁力矩等于多少？解得问如果是任意形状载流线圈，结果如何？\nIRQJKPo例2如图半径为0.20m，电流为20A，可绕轴旋转的圆形载流线圈放在均匀磁场中，磁感应强度的大小为0.08T，方向沿x轴正向.问线圈受力情况怎样？线圈所受的磁力矩又为多少？解把线圈分为JQP和PKJ两部分以为轴，所受磁力矩大小\nIRQJKPo\n例3．截面积为S、密度为的铜导线被弯成正方形的三边，可以绕水平轴OO转动，如图所示。导线放在方向竖直向上的匀强磁场中，当导线中的电流为I时，导线离开原来的竖直位置偏转一个角度而平衡。求磁感应强度。若S=2mm2，=8.9g/cm3，=15º，I=10A，磁感应强度大小为多少？解：导线受重力和磁场力磁场力的力矩\n重力的力矩由力矩平衡条件\n→顺磁质定义:如：氧、铝、钨、铂、铬等。如：氮、水、铜、银、金、铋等。如：铁、钴、镍等r不同的磁介质在磁场中所表现出的特性不同：→抗磁质→铁磁质1.磁介质的分类II磁介质对螺线管内的场有影响其内总磁场是：相对磁导率一、磁介质15.5磁场中的磁介质\n实物的基本组成单元：分子、原子、电子+-电子运动：绕核运动→电流环→轨道磁矩自旋运动→自旋磁矩两种运动磁效应的总和等效分子圆电流分子的固有磁矩2.分子磁矩\n3.顺磁质和抗磁质两类磁介质≠0=0→顺磁质→抗磁质二、磁介质的磁化1顺磁质的磁化可见：Bo强，∥NS\n-当介质处在外磁场中，电子轨道磁矩受磁力矩:在磁力矩作用下，轨道角动量绕磁场方向旋进。电子附加一个磁矩:∑2抗磁质的磁化=0当没有外磁场时不显磁性\n讨论1º顺磁性介质处在外磁场时，其体内磁场：抗磁性介质处在外磁场时，其体内磁场：2º介质中的抗磁效应在顺磁介质中是否有？有！3º若将一磁介质放入磁场中，你如何判断该介质是顺磁还是抗磁介质？NS4º超导体是完全抗磁体在外磁场中超导体内：=0注：表面分子磁化电流不是自由电荷定向运动形成\n三、磁介质中的安培环路定理1.磁化电流(束缚电流)以无限长螺线管为例顺磁质在磁介质内部的任一小区域：相邻的分子环流的方向相反在磁介质表面处各点：分子环流未被抵消形成沿表面流动的面电流——束缚电流结论：介质中磁场由传导和束缚电流共同产生。\n顺磁质2.磁介质中的安培环路定理Ii——为环路所包围的传导电流。Is——为环路所包围的是磁化电流，难以测量。3.引入磁场强度H令式中称为磁介质的磁导率则安培环路定理就可以写成如下形式:——磁介质中的安培环路定理\n磁介质内磁场强度沿所选闭合路径的环流等于闭合积分路径所包围的所有传导电流的代数和。H的单位：A/m（SI）一定条件下，可用安培环路定理求解磁场强度，然后再求解磁感应强度。电介质对电场的影响介质中电场减弱有电介质时的高斯定理比较\n例1.如图所示,一电缆由半径为R1的长直导线和套在外面的内、外半径分别为R2和R3的同轴导体组成，其间充满相对磁导率为μr的各向同性非铁磁质。电流I由半径为R1的中心导体流入纸面，由外面圆筒流出纸面，电流在导体横截面上均匀分布。求磁场分布。解：由于电流分布和磁介质分布具有轴对称性，可知磁场分布也有轴对称性：H线和B线都是在垂直于轴线的平面内，并以轴线上某点为圆心的同心圆。于是选取距轴线距离r为半径的圆为安培环路L，取顺时针方向为绕行方向，应用式（15-52）介质中安培环路定理则有：\nH和B随离轴线距离变化的曲线\n四、铁磁质1.主要特征①能产生非常大的附加磁场B’。甚至千倍于外磁场B0，而且同方向。②B和H不是线性关系，是一复杂函数关系。即相对磁导率μr可以很大但不是常量，μr是磁场强度H的函数。③B的变化落后于H的变化，称磁滞现象。当H=0时,有剩磁现象。④各种不同铁磁质各有一临界温度Tc,当T>Tc时，失去铁磁性，成为一般顺磁质。Tc称为铁磁质的居里点。如铁的居里点为1040K，镍的居里点是631K等等。\n2.磁化曲线装置：环形螺绕环，用铁磁质充满环内空间。实验测量B：由(1)铁磁质的r不是个常数，它是H的函数。原理：根据安培定理由通有的传导电流得：结论在螺绕环磁隙处测量得出曲线:\nB的变化落后于H，从而具有剩磁——磁滞效应每个H对应不同的B与磁化的历史有关。1)起始磁化曲线2)剩磁Br饱和磁感应强度BS3)矫顽力Hc(2)磁滞回线(3)在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高——磁滞损耗磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。\n★交换力：电子之间的交换作用使其在自旋平行排列时能量较低，这是一种量子效应。★磁畴：原子间电子交换耦合作用很强，使其自旋磁矩平行排列形成磁畴——自发的磁化区域。铁磁性主要来源于电子的自旋磁矩。3.铁磁质磁化的机制★磁畴的变化可用金相显微镜观测H=0HH↑H↑↑H↑↑↑↗↑HB\n根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的“交换耦合作用”使得在无外磁场作用时电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列形成自发磁化达到饱和状态的微小区域这些区域称为“磁畴”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1892年罗辛格首先提出磁畴的形成是由于磁偶极子间非磁性的相互作用*深入认识磁畴\n1926年海森堡用量子力学中的交换力解释了磁偶极子间相互作用的起源\n1935年朗道和栗佛希兹从磁场能量的观点说明了磁畴的成因\n纯铁硅铁钴磁畴\nSi-Fe单晶(001)面的磁畴结构箭头表示磁化方向0.1mm\n2º磁滞现象是由于材料有杂质和内应力等的作用，当撤掉外磁场时，磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状而表现出来。3º当温度升高时，热运动会瓦解磁畴内磁矩的规则排列。在临界温度（相变温度Tc）时，铁磁质完全变成了顺磁质。居里点Tc(CuriePoint)1º当全部磁畴都沿外磁场方向时，铁磁质的磁化就达到饱和状态。饱和磁化强度MS等于每个磁畴中原来的磁化强度，该值很大。——这就是铁磁质磁性r大的原因。说明：如：铁为1040K，钴为1390K，镍为630K\n(1)软磁材料：r大，(起始磁化率大)饱和磁感应强度大适用于变压器、继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。4.铁磁质的分类特点：矫顽力(Hc)小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小（HdB面积小）。易磁化、易退磁纯铁，坡莫合金(Fe，Ni)，硅钢，铁氧体等。如(2)硬磁材料：钨钢，碳钢，铝镍钴合金矫顽力(Hc)大，剩磁Br大磁滞回线的面积大，损耗大。适用于做永磁铁。耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。\n(3)矩磁材料Br=BS，Hc不大，磁滞回线是矩形。用于记忆元件，锰镁铁氧体，锂锰铁氧体当+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。