大学物理第11章磁场中的磁介质ppt课件.ppt
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1、 上章我们学习了真空中稳恒电流激发的磁场及其规律。上章我们学习了真空中稳恒电流激发的磁场及其规律。当空间有介质当空间有介质( (导体、绝缘体导体、绝缘体) )存在时,磁场将与介质发生相存在时,磁场将与介质发生相互作用,我们把磁场中的介质称为互作用,我们把磁场中的介质称为磁介质磁介质。磁介质在外加磁。磁介质在外加磁场作用下自身产生附加磁场的过程称为场作用下自身产生附加磁场的过程称为磁化磁化。 本章简要介绍磁介质的性质、磁化的机制、以及磁介质本章简要介绍磁介质的性质、磁化的机制、以及磁介质中的安培环路定理。中的安培环路定理。 与电介质的情况类似,稳恒磁与电介质的情况类似,稳恒磁场中的磁介质因场中的
2、磁介质因磁化磁化而产生而产生磁化电磁化电流流和附加磁场;磁介质内的总场为和附加磁场;磁介质内的总场为原磁场原磁场B0 与附加磁场与附加磁场B的矢量和。的矢量和。一、磁介质对磁场的影响0BBB但但附加磁场并不总是削弱原磁场(这一附加磁场并不总是削弱原磁场(这一点和介质的极化不同)点和介质的极化不同),B 的方向,的方向,随磁介质的材料构成而不同。大致可以随磁介质的材料构成而不同。大致可以分为分为三类三类:I0BBI0B顺磁质顺磁质 B与与B0同向,同向,B B0抗磁质抗磁质 B与与B0反向,反向,B B0, q 顺磁质顺磁质:r 1 如金属铝、锰、铬等。如金属铝、锰、铬等。q 抗磁质抗磁质:r
3、1 如金属金、银、铜等。如金属金、银、铜等。q 铁磁质铁磁质:r 1 如金属如金属铁、钴、镍铁、钴、镍等。等。顺磁质和抗磁质的磁性很弱,统称顺磁质和抗磁质的磁性很弱,统称弱磁质弱磁质,它们的相对磁导率一般是常,它们的相对磁导率一般是常数;铁磁质的磁性很强,且具有非线性和磁滞特性,属于强磁场物质,数;铁磁质的磁性很强,且具有非线性和磁滞特性,属于强磁场物质,常常是制作磁铁的材料,它们的相对磁导率往往是变化的。常常是制作磁铁的材料,它们的相对磁导率往往是变化的。实验已经证明,均匀磁介质磁化后,磁介质中的磁感应强度与无介质时实验已经证明,均匀磁介质磁化后,磁介质中的磁感应强度与无介质时( (真空中真
4、空中) )的磁感应强度有比例关系,这就是介质的的磁感应强度有比例关系,这就是介质的相对磁导率相对磁导率;(可用;(可用均匀介质充满长直螺线管验证)。均匀介质充满长直螺线管验证)。0BBrrEE/0 任何物质皆由原子或分子构成。原任何物质皆由原子或分子构成。原子(分子)中的电子同时参与两种运动:子(分子)中的电子同时参与两种运动:自旋及绕核的轨道运动,对应有轨道磁自旋及绕核的轨道运动,对应有轨道磁矩和自旋磁矩。矩和自旋磁矩。二、介质的磁化 magnetization这就是安培提出的分子电流假设。这就是安培提出的分子电流假设。分子电流分子电流分子磁矩产生的磁效应可分子磁矩产生的磁效应可以用一等效的
5、圆电流的磁效应来表示。以用一等效的圆电流的磁效应来表示。分子磁矩分子磁矩分子所有轨道磁矩与自旋分子所有轨道磁矩与自旋磁矩之和,称为分子固有磁矩,磁矩之和,称为分子固有磁矩,简称为简称为分子磁矩分子磁矩 m。分子磁矩的方向与电子运。分子磁矩的方向与电子运动的角速度方向相反。动的角速度方向相反。 顺磁质和抗磁质的磁化可用安培分子电流假说解释,而铁磁质的磁化很顺磁质和抗磁质的磁化可用安培分子电流假说解释,而铁磁质的磁化很复杂,后面我们将用磁畴的概念解释。复杂,后面我们将用磁畴的概念解释。1. 顺磁质的磁化机理顺磁质的磁化机理顺磁性顺磁性0oBBBB顺磁质内的磁感应强度为:顺磁质内的磁感应强度为:q
6、无外磁场时无外磁场时,顺磁质中的,顺磁质中的每个分子虽然具有磁矩每个分子虽然具有磁矩m0m0,但由于分子热,但由于分子热运动而使其取向无规则,物质分子的总分子磁矩运动而使其取向无规则,物质分子的总分子磁矩 m=0m=0,物质对外不显,物质对外不显磁性。磁性。q 有外磁场时有外磁场时,各分子磁矩在外磁场力矩的作用下,向外场方向偏转取,各分子磁矩在外磁场力矩的作用下,向外场方向偏转取向,物质分子的总分子磁矩向,物质分子的总分子磁矩m m= = m m00,从而产生附加磁场,从而产生附加磁场B B。m m 和和B B及及B Bo o同向同向顺磁性。顺磁性。 无外场无外场B Bo o时,分子的磁矩排列
7、杂时,分子的磁矩排列杂乱无章,介质内分子磁矩的矢乱无章,介质内分子磁矩的矢量和量和m=m= m=0m=0有外场有外场B Bo o时,分子磁矩沿外场转时,分子磁矩沿外场转向,分子磁矩的矢量和向,分子磁矩的矢量和m=m= m0m0oB 对各向同性(均匀)磁介质,从对各向同性(均匀)磁介质,从导体横截面看,导体内部分子电导体横截面看,导体内部分子电流两两反向,相互抵消。导体边流两两反向,相互抵消。导体边缘分子电流同向。缘分子电流同向。等效等效对各向同性(均匀)磁介质,分对各向同性(均匀)磁介质,分子电流可等效成磁介质表面的子电流可等效成磁介质表面的磁磁化电流化电流I Is s,I Is s产生附加磁
8、场产生附加磁场B B。Is 对各向同性(均匀)磁介质,磁化电流对各向同性(均匀)磁介质,磁化电流I Is s只出现在介质表面,介质内部无只出现在介质表面,介质内部无磁化电流。磁化电流。oBoBB 磁化电流磁化电流 I Is s 可产生附加磁场可产生附加磁场 B B ,但无热效应,因为无宏观电荷的,但无热效应,因为无宏观电荷的移动,移动,磁化电流束缚在介质表面上,不可引出磁化电流束缚在介质表面上,不可引出,因此,磁化电流也称为,因此,磁化电流也称为束束缚电流缚电流。IsoBBooBBBB/oBB 在无外磁场时,抗磁质中分子的轨在无外磁场时,抗磁质中分子的轨道和自旋磁矩均不为零,但其和道和自旋磁矩
9、均不为零,但其和分子磁矩为零分子磁矩为零m=0 m=0 ,物质不显磁,物质不显磁性。性。2. 抗磁质的磁化机理抗磁质的磁化机理抗磁性(电子进动)抗磁性(电子进动)有外场时,外磁场使分子中作轨道有外场时,外磁场使分子中作轨道运动的电子的角速度变化运动的电子的角速度变化(当电子(当电子轨道运动角速度与外磁场同向时,轨道运动角速度与外磁场同向时,角速度增加;当电子轨道运动角速角速度增加;当电子轨道运动角速度与外磁场反向时,角速度减小)度与外磁场反向时,角速度减小),产生一总是与外磁场产生一总是与外磁场B B0 0反向的附加磁反向的附加磁矩矩m 0m 0,从而产生与外场,从而产生与外场B B0 0反向
10、的反向的附加磁场附加磁场B B。eFvei 角速度与外磁场同向时角速度与外磁场同向时mFFFFeei产生与产生与B B0 0反向的附加电反向的附加电子磁矩子磁矩m抗磁质的总磁矩抗磁质的总磁矩m=m= m m 0 0与与B B0 0反向反向产生与产生与B B0 0反向的附加磁场反向的附加磁场B B角速度与外磁场反向时角速度与外磁场反向时,可作类似分析而得到相同的结论。,可作类似分析而得到相同的结论。000,BBBBBB超导体是理想的抗磁超导体是理想的抗磁体,具有超导性和完体,具有超导性和完全抗磁性。全抗磁性。eFvmFeBmoBi q 抗磁性是一切磁介质固有的特性,它不仅存在于抗磁介质中,也存在
11、抗磁性是一切磁介质固有的特性,它不仅存在于抗磁介质中,也存在于顺磁介质中;只不过对于顺磁介质,磁化产生的磁矩于顺磁介质中;只不过对于顺磁介质,磁化产生的磁矩 电子附加磁电子附加磁矩,顺磁效应矩,顺磁效应 抗磁效应。抗磁效应。q 抗磁介质中电子附加磁矩起主要作用,显抗磁性。抗磁介质中电子附加磁矩起主要作用,显抗磁性。说明:磁化的宏观效果:磁化的宏观效果:(1 1)在外磁场下,总的分子磁矩不为零,)在外磁场下,总的分子磁矩不为零, m m00;(2 2)介质某些表面出现磁化电流)介质某些表面出现磁化电流I I(束缚电流);(束缚电流);(3 3)磁化电流会产生附加的磁场)磁化电流会产生附加的磁场B
12、 B,总的磁场,总的磁场B=BB=B0 0+B+B=u=ur rB B0 0; 有磁介质时,安培环路定理是:有磁介质时,安培环路定理是:磁介质的总场磁介质的总场传导电流传导电流磁化电流磁化电流三、磁介质中的安培环路定理0BBr无磁介质时:无磁介质时:根据实验规律根据实验规律所以所以000Il dBL00Il dBLr) (00IIl dBL由于磁化电流的计算很繁,所以我们从无磁介质时出发。由于磁化电流的计算很繁,所以我们从无磁介质时出发。定义定义磁场强度:磁场强度:BBHr0 则有磁介质中的安培环路定理成为:则有磁介质中的安培环路定理成为:即:磁场强度沿任意闭合路径的线积分(环流),等于穿过以
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