4.磁场中的磁介质分析.ppt

第四节第四节 磁场中的磁介质磁场中的磁介质一、磁介质及其磁化机制一、磁介质及其磁化机制1.磁介质 在磁场作用下能发生变化并能反过来影响磁场的媒质叫做磁介质。在一个通电流I的长直螺线管中有一个均匀磁场B0,将磁介质充满该磁场（保持电流不变）。实验发现:不同磁介质中的磁场不同，有的比B0略小,有的比B0略大，有的比B0大许多倍。该磁介质的相对磁导率（1）定义（2）分类磁介质的分类 铝 分子磁矩分子是一个复杂的带电系统。原子中电子参与两种运动：自旋及绕核的轨道运动，对应有轨道磁矩和自旋磁矩。一个分子对应一个等效电流i,相应有一个 分子等效磁矩。是各个的电子轨道磁矩、电子自旋磁矩、原子核磁矩的总和。分子电流所对应的磁矩在外磁场中的行为决定介质的特性。2 磁介质磁化的微观机制在外磁场作用下磁介质出现磁性或磁性发生变化的现象称为磁化。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。（1）顺磁质的磁化分子磁矩顺磁质分子的固有磁矩不为零，即：这一力矩使分子磁矩转向外磁场的方向。有外磁场时，分子磁矩要受到一个力矩 的作用。MB0pm 顺磁质磁化结果，使介质内部磁场增强。B0B0（2）抗磁质的磁化 抗磁质分子的固有磁矩为零，即分子中所有电子自旋磁矩和轨道磁矩的矢量和为零。但是在外磁场中会产生分子感应磁矩。以分子中某个电子的轨道运动为例（分子固有磁矩为零,分子中某个电子的轨道磁矩不见得为零）,电子的轨道运动角动量 与轨道磁矩 如图所示,该磁矩在外磁场中要受力矩 ,所以 的方向即 的方向，要发生进动（俯视为顺时针方向进动）。进动附加的进动角动量 是与 的方向一致的。与这一进动相应的磁矩 ，称感应磁矩，它是 与反向的。反向磁矩对应的磁场使介质内部磁场减弱。虽然顺磁质分子也会产生感应磁矩,但由于它远小于固有磁矩（相差五个数量级）,所以顺磁质中主要是固有磁矩起作用。顺磁质磁化微观机制抗磁质磁化微观机制二、磁介质的磁化规律二、磁介质的磁化规律1.磁化电流顺磁质在磁场中,它的分子固有磁矩沿外磁场排列起来,如图所示。对均匀的顺磁介质，内部各点处的小分子电流会相互抵消；表面上的小分子电流没有抵消，它们方向相同，相当在表面上有一层表面电流。这种未被抵消的表面电流称为磁化电流（或束缚电流）其大小反映了磁化的强弱。顺磁质的磁化电流使磁介质内部原磁场得到加强，抗磁质的磁化电流使磁介质内部原磁场被削弱。磁化电流1.磁化强度与磁化电流磁化强度与磁化电流 （1 1）磁化强度）磁化强度）磁化强度）磁化强度 三、三、磁介质的磁化规律磁介质的磁化规律=pMmVpm+对于顺磁质对于顺磁质pmpm 1，BB0对各向同性均匀磁介质：对各向同性均匀磁介质：一、磁介质的磁化曲线一、磁介质的磁化曲线一、磁介质的磁化曲线一、磁介质的磁化曲线1.1.实验方法实验方法实验方法实验方法（如图）（如图）22.磁化曲线磁化曲线磁化曲线磁化曲线（HB曲线曲线）（1）弱磁质）弱磁质（顺磁质、（顺磁质、抗磁质），抗磁质），为常量。为常量。（2）铁磁质）铁磁质，是变量。是变量。HB曲线斜率：曲线斜率：3.3.铁磁向顺磁质的转化铁磁向顺磁质的转化铁磁向顺磁质的转化铁磁向顺磁质的转化当温度达到一定时，铁磁质转变为顺磁质。当温度达到一定时，铁磁质转变为顺磁质。这一温度被称为这一温度被称为“居里点居里点”。B Bm m是饱和磁感应强度是饱和磁感应强度二、铁磁质的磁化过程与磁滞回线二、铁磁质的磁化过程与磁滞回线1.过程：过程：初始磁化曲线初始磁化曲线0a磁滞回线：磁滞回线：abcab b ca2.特征值特征值：Br剩磁剩磁(H=0时的时的B值值)；Hc矫顽力矫顽力（使（使B=0的的反向磁场强度反向磁场强度H值）值）3.磁滞：磁滞：B的变化总是滞的变化总是滞 后于后于H的变化。的变化。在交变电磁场中，在交变电磁场中，铁磁质的反复磁化，将引起介质的发热，称为磁滞铁磁质的反复磁化，将引起介质的发热，称为磁滞损耗（与损耗（与磁质回线所包围的面积成正比）。磁质回线所包围的面积成正比）。P.居里（居里（PierreCurie）18591906M.居里居里(居里夫人居里夫人)（MarieSklodowskaCurie）18671934法国科学家法国科学家P.居里和居里和M.居里夫妇，女儿居里夫妇，女儿I.约里奥约里奥-居里和女婿居里和女婿F.约里奥约里奥-居里。居里。他们先后获得他们先后获得3次诺贝尔次诺贝尔奖，主要以其奖，主要以其放射性研究放射性研究在近代科学技术发展中所在近代科学技术发展中所作的贡献而闻名于世。作的贡献而闻名于世。1895年与夫人一起研究放射性，发现了钋和镭两年与夫人一起研究放射性，发现了钋和镭两种元素。种元素。1903年他们夫妇和年他们夫妇和A.-H.贝可勒尔（见贝可勒贝可勒尔（见贝可勒尔家族）共同获得尔家族）共同获得诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖。1904年任巴年任巴黎大学教授。黎大学教授。1905年被选为法国科学院院士。年被选为法国科学院院士。1906年年4月月19日在巴黎死于车祸。日在巴黎死于车祸。（一）（一）P.居里居里（PierreCurie彼埃尔彼埃尔）1859年年5月月15日生于巴黎，日生于巴黎，1906年年4月月19日卒于同地。日卒于同地。16岁入巴黎岁入巴黎大学理学院大学理学院，毕业后任该校实验室助理，毕业后任该校实验室助理，1880年与其年与其兄兄J.居里共同发现居里共同发现晶体的压电现象晶体的压电现象。1895年发现顺年发现顺磁体的磁体的磁化率磁化率与热力学温度成反比，即与热力学温度成反比，即居里定律居里定律（见（见磁性物理学、磁介质）。他的不同温度下磁性的论文，磁性物理学、磁介质）。他的不同温度下磁性的论文，使他获得科学博士学位。为了纪念他在磁性方面的研使他获得科学博士学位。为了纪念他在磁性方面的研究成果，后人将铁磁性转变力顺磁性时的温度，称为究成果，后人将铁磁性转变力顺磁性时的温度，称为居里温度居里温度或或居里点居里点。（二）（二）M.居里居里（MarieSklodowskaCurie玛丽玛丽娅娅）习称）习称居里夫人居里夫人。1867年年11月月7日生于波兰华日生于波兰华沙沙，1934年年7月月4日卒于萨拉西沃附近日卒于萨拉西沃附近。1891年年到法国深造到法国深造，1893年以优异成绩毕业于巴黎大学年以优异成绩毕业于巴黎大学理学院物理系，理学院物理系，1894年毕业于数学系。年毕业于数学系。1895年和年和P.居里结婚。在贝可勒尔发现铀盐的放射现象以居里结婚。在贝可勒尔发现铀盐的放射现象以后，后，M.居里决心寻找其他物质是否也具有铀盐的居里决心寻找其他物质是否也具有铀盐的这种性质，乃首创放射性一词。她发现钍也具有这种性质，乃首创放射性一词。她发现钍也具有放射性，沥青铀矿则有着比铀盐高得多的放射性。放射性，沥青铀矿则有着比铀盐高得多的放射性。她认为在沥青铀矿中一定存在着某种未知的、放她认为在沥青铀矿中一定存在着某种未知的、放射性很强的元素。于是她和射性很强的元素。于是她和P.居里在实验室中，居里在实验室中，用化学方法和测定放射性的手段，从数以吨计的用化学方法和测定放射性的手段，从数以吨计的沥青铀矿中提取少量的未知元素沥青铀矿中提取少量的未知元素，结果在，结果在1898年年发现了钋和镭发现了钋和镭。钋（钋（Polonium）的命名是为了纪念的命名是为了纪念M.居里的居里的祖国波兰。祖国波兰。M.居里所开创的、用放射性进行化学居里所开创的、用放射性进行化学分离与分析的方法奠定了放射化学的基础分离与分析的方法奠定了放射化学的基础。因对。因对放射性研究放射性研究的贡献，他们和贝可勒尔共同获得的贡献，他们和贝可勒尔共同获得1903年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖，同年她获科学博士学位。，同年她获科学博士学位。1906年年P.居里去世后居里去世后，她接替了丈夫的工作，她接替了丈夫的工作，成，成为巴黎大学第一位女教授为巴黎大学第一位女教授。1910年又提炼出金属年又提炼出金属态的纯镭态的纯镭。1911年年，因，因发现元素镭和钋发现元素镭和钋、分离、分离出纯镭和对镭的性质及化合物的研究，出纯镭和对镭的性质及化合物的研究，又再获得又再获得诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖。在第一次世界大战期间。在第一次世界大战期间，她和，她和她的长女她的长女I.居里（婚后称居里（婚后称I.约里奥约里奥-居里）一起参居里）一起参加战地医疗服务加战地医疗服务，担负伤员的，担负伤员的X射线透视工作射线透视工作。她积极提倡把镭用于医疗方面她积极提倡把镭用于医疗方面，使辐射治疗得到，使辐射治疗得到推广和提高，以造福于人类。推广和提高，以造福于人类。2.磁化强度 磁化的强弱还可以用磁化强度来描述。其定义为单位体积内分子磁矩的矢量和。单位：安培/米(A/m)。分子固有磁矩矢量和分子附加磁矩矢量和对于顺磁质可忽略对于抗磁质实验表明:在各向同性的顺磁质、抗磁质内,有：对顺磁质:平行于 。对抗磁质:反平行于 。解释部分3.磁化电流与磁化强度的关系 以顺磁质为例，设其内部p点处的 、如下图所示。等效分子电流为i,半径为r,分子磁矩为 ,任取一微小矢量元 ,它与 的夹角为，则与 套住的分子电流的中心都是位于以 为轴、以r2为底面积的小柱体内。若单位体积内的分子数为n，则与套连的总分子电流为：磁介质上任一点处的磁化电流磁介质上任一点处的磁化电流与该点处磁化强度之间的关系。与该点处磁化强度之间的关系。在磁介质内部任取一面积S,其周界为L，则通过S面的磁化电流为：穿过任一回路的束缚电流 I的代数和，等于磁化强度沿此回路的环流。若磁介质被均匀磁化,则即通过均匀磁化的磁介质内部任意面积的磁化电流为零。磁介质安培环路定理 若 选在磁介质的表面上,可以看出表面会有磁化面电流。定定义义:垂直磁化面电流方向的单位长度上的磁化面电流,称为磁化面电流密度。它与磁化强度的关系为：在如图磁介质的侧面上，与磁介质的表面平行,=0,有二者的矢量关系为：续71922年由于她在放射性物质的化学及其在医学上年由于她在放射性物质的化学及其在医学上的应用的贡献而选为法国医学科学院院士。由于长期的应用的贡献而选为法国医学科学院院士。由于长期从事放射性工作，得了恶性贫血白血病，于从事放射性工作，得了恶性贫血白血病，于1934年年7月月4日在萨拉西沃附近逝世。日在萨拉西沃附近逝世。