2021-2022学年高二物理竞赛课件：磁介质的极化.pptx

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1、磁介质的磁化磁介质的磁化2 磁介质的磁化磁介质的磁化 一、物质磁性的概述一、物质磁性的概述 磁磁介介质质(magnetic medium)是是能能够够对对磁磁场场发发生生影影响的物质。由原子分子构成的物质都属于磁介质。响的物质。由原子分子构成的物质都属于磁介质。从原子电结构可解释磁性。原子中每个电子从原子电结构可解释磁性。原子中每个电子同时参与绕核同时参与绕核轨道运动和自旋两种轨道运动和自旋两种运动，对应运动，对应轨轨道磁矩道磁矩和和自旋磁矩自旋磁矩。整个原子的磁矩是它所包含。整个原子的磁矩是它所包含的所有电子轨道磁矩和自旋磁矩的的所有电子轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和矢量和。3 分子磁矩不为零物

2、质，其分子磁矩可看作由一个分子磁矩不为零物质，其分子磁矩可看作由一个等效圆电流所提供，这个圆电流称为等效圆电流所提供，这个圆电流称为分子电流。分子电流。原子磁矩对分子磁矩的贡献比较复杂。原子磁矩对分子磁矩的贡献比较复杂。撤除外磁场分子磁矩回到无序状态的磁性称为撤除外磁场分子磁矩回到无序状态的磁性称为顺磁性顺磁性，具有顺磁性的物质称为，具有顺磁性的物质称为顺磁质顺磁质，如锰、，如锰、铬、铂、氮和氧等都属于此类。铬、铂、氮和氧等都属于此类。无外磁场时分子运动磁矩取向混乱，矢量和为零，无外磁场时分子运动磁矩取向混乱，矢量和为零，宏观无磁性。宏观无磁性。加上外磁场分子磁矩部分沿外磁场加上外磁场分子磁矩

3、部分沿外磁场排列，对外显示磁性。排列，对外显示磁性。4 顺磁质中有顺磁质中有一种具有强烈磁性的物质称为一种具有强烈磁性的物质称为铁磁铁磁质质，如铁、钴、镍和它们的合金，稀土钴合金，如铁、钴、镍和它们的合金，稀土钴合金，钕钕-铁铁-硼以及各种铁氧体等都属于此类。硼以及各种铁氧体等都属于此类。铁磁晶体原子间存在铁磁晶体原子间存在交换作用交换作用，使相邻原子磁，使相邻原子磁矩自发彼此平行排列，抵御分子热运动破坏作用。矩自发彼此平行排列，抵御分子热运动破坏作用。分子磁矩为零时，电子在外磁场作用下所产生分子磁矩为零时，电子在外磁场作用下所产生 一种一种附加磁性附加磁性。磁矩方向与外磁场方向相反，为。磁矩

4、方向与外磁场方向相反，为抗抗磁性磁性。具有这种磁性的物质称为。具有这种磁性的物质称为抗磁质抗磁质，如汞、铜、，如汞、铜、铋、氢、氯、银、锌和铅等。铋、氢、氯、银、锌和铅等。5 磁介质在一定温度和一定外磁场下，都将表现磁介质在一定温度和一定外磁场下，都将表现出一定的宏观磁性，这就是出一定的宏观磁性，这就是磁化磁化(magnetization)。磁化强度矢量磁化强度矢量表征宏观磁性表征宏观磁性,定义定义为单位体积内分子磁矩的矢量和为单位体积内分子磁矩的矢量和 式中式中 是体积是体积 内的分子磁矩或分子内的分子磁矩或分子感生磁矩的矢量和。感生磁矩的矢量和。如果磁介质中各处的磁化强度的大小和方向如果磁

5、介质中各处的磁化强度的大小和方向都一致就称都一致就称均匀磁化均匀磁化。在国际单位制中。在国际单位制中,磁场强磁场强度和磁化强度的单位都是度和磁化强度的单位都是A m-1。6 二、磁化的磁介质内的磁感应强度二、磁化的磁介质内的磁感应强度 在磁介质内任意一点上总有成对个方向相反的分子在磁介质内任意一点上总有成对个方向相反的分子电流通过，效果上互相抵消，但在磁介质边缘表面形电流通过，效果上互相抵消，但在磁介质边缘表面形成大的环形电流，称成大的环形电流，称磁化电流磁化电流。（有动画）。（有动画）顺磁质磁化电流的方向顺磁质磁化电流的方向与螺线管中的传导电流的与螺线管中的传导电流的方向相同，抗磁质相反。方

6、向相同，抗磁质相反。在磁化的磁介质内任意点在磁化的磁介质内任意点B=B0+B，对于，对于顺磁质顺磁质B 与与B0方向相同，因而方向相同，因而B B0；对于抗；对于抗磁质，磁质，B 与与B0方向相反，因而方向相反，因而B B0。III7 把把附附加加磁磁场场看看作作单单位位长长度度上上电电流流为为i 的的长长直直螺螺线线管管在在其其内内部部产产生生的的磁磁场场，B=0i=0 M 长直圆柱状磁介质长度为长直圆柱状磁介质长度为l，横截面积为，横截面积为S，磁，磁化后表面单位长度的磁化电流为化后表面单位长度的磁化电流为i (表面的总磁表面的总磁化电流为化电流为I =i l)，总磁矩总磁矩磁介质磁化强度

7、大小磁介质磁化强度大小对对于于任任何何磁磁介介质质，B 的的方方向向总总与与M方方向向一一致致，写写为为矢矢量量形形式式 螺螺线线管管内内部部磁磁介介质质任任一一点点 ,B0可由传导电流可由传导电流I0和螺线管的绕组密度和螺线管的绕组密度n求得。求得。8三、磁化强度与磁化电流的关系三、磁化强度与磁化电流的关系 介质磁化后介质磁化后M不再等于零，同时介质表面出现磁不再等于零，同时介质表面出现磁化电流化电流 I ，二者，二者有关联。有关联。上述积分与磁化电流上述积分与磁化电流I 有关系。有关系。设设磁磁介介质质内内每每个个分分子子具具有有相相同同分分子子电电流流 i,分分子子电电流流所所包包围围的

8、的面面积积都都是是a，每每个个分分子子磁磁矩矩 都都平平行排列，行排列，介质的磁化强度为介质的磁化强度为9 如果电流与以环路如果电流与以环路L为边界的任一曲面有奇数个交为边界的任一曲面有奇数个交点点(如图中分子电流如图中分子电流A)，就认为环路，就认为环路L包围此电流，如包围此电流，如果电流与以环路果电流与以环路L为边界的任一曲面有偶数个交点为边界的任一曲面有偶数个交点(如如图中分子电流图中分子电流B)，则认为环路，则认为环路L不包围此电流（图中不包围此电流（图中S为以为以L为边界的任一曲面）。为边界的任一曲面）。MndlLSBA 在此磁介质内划一任意闭合环在此磁介质内划一任意闭合环路路L，计

9、算环路，计算环路L包围了多少分子包围了多少分子电流电流.10为磁化强度与磁化为磁化强度与磁化电流的普遍关系。电流的普遍关系。MndlLSBA 与曲面与曲面S有奇数个交点的分子电有奇数个交点的分子电流，只能是那些被环路流，只能是那些被环路L从中穿从中穿过的分子电流，这些分子电流与过的分子电流，这些分子电流与环路环路L互相套连在一起。互相套连在一起。在在L上取线元上取线元dl为轴为轴a为底作一柱体底面与为底作一柱体底面与dl夹角夹角,柱体积柱体积贡献电流贡献电流分子电流数目分子电流数目11将磁化强度将磁化强度 与磁化电流与磁化电流 之间的之间的普遍关系运用于已被磁化的介质的表面，普遍关系运用于已被

10、磁化的介质的表面，就可以得到磁化强度与介质表面磁化电就可以得到磁化强度与介质表面磁化电流的关系。流的关系。12 在在磁磁化化强强度度为为M的的介介质质表面取一矩形环路表面取一矩形环路abcda，Mcos=Mt是是磁磁化化强强度度沿沿介介质质表表面面的的切切向向分分量量，得到重要关系得到重要关系Mt=i 或者或者 介介质质表表面面单单位位长长度度的的磁化电流为磁化电流为i bacd lMn表面表面13 结论：结论：介质表面磁化电流密度介质表面磁化电流密度只决只决定于磁化强度沿该表面的切向分量定于磁化强度沿该表面的切向分量,而而与法向分量无关，即与法向分量无关，即磁化电流磁化电流只存在只存在于介质表面附近磁化强度有切向分量于介质表面附近磁化强度有切向分量的地方。的地方。