磁介质中的恒定磁场讲稿.ppt
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1、关于磁介质中的恒定磁场1第一页,讲稿共三十二页哦21.磁介质磁介质磁介质磁介质:实体物质在磁场作用下呈现磁性实体物质在磁场作用下呈现磁性,该物体称磁介质。该物体称磁介质。1 磁介质的磁化与磁化强度矢量磁介质的磁化与磁化强度矢量电介质极化:电介质极化:磁介质磁化:磁介质磁化:总磁感强度总磁感强度外加磁感强度外加磁感强度附加磁感强度附加磁感强度磁化磁化:磁介质在磁场中呈现磁性磁介质在磁场中呈现磁性(在磁场的作用下产生附加磁场在磁场的作用下产生附加磁场)的的现象称为磁化。现象称为磁化。磁介质有三种类型:磁介质有三种类型:顺磁质、抗磁质、铁磁质顺磁质、抗磁质、铁磁质。电学与磁学电学与磁学类比:类比:第
2、二页,讲稿共三十二页哦3磁介质的性质:磁介质的性质:实验发现,有、无磁实验发现,有、无磁介质的螺旋管内磁感应强度的比值,介质的螺旋管内磁感应强度的比值,可表征它们在磁场中的性质。可表征它们在磁场中的性质。相对磁导率相对磁导率:顺磁质:顺磁质:如氧、铝、钨、铂、铬等。如氧、铝、钨、铂、铬等。磁介质磁介质抗磁质:抗磁质:铁磁质:铁磁质:如氮、水、铜、银、金、铋等,超导体是理想的抗磁质。如氮、水、铜、银、金、铋等,超导体是理想的抗磁质。如铁、钴、镍等,如铁、钴、镍等,B 与与B0 同方向,同方向,B 与与B0 反方向,反方向,B 与与B0 同方向,同方向,第三页,讲稿共三十二页哦42.2.分子电流模
3、型和分子磁矩分子电流模型和分子磁矩 原子中电子参与两种运动:自旋原子中电子参与两种运动:自旋及绕核的轨道运动,对应有轨道磁矩及绕核的轨道运动,对应有轨道磁矩和自旋磁矩。和自旋磁矩。用等效的分子电流的磁效应来用等效的分子电流的磁效应来表示各个电子对外界磁效应的总和,表示各个电子对外界磁效应的总和,称为分子固有磁矩。称为分子固有磁矩。抗磁质:抗磁质:顺磁质:顺磁质:未加外磁场时未加外磁场时:在抗磁质中,原子或分子中所有电在抗磁质中,原子或分子中所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩矢量和为子的轨道磁矩和自旋磁矩矢量和为零。零。磁偶极子模型:磁偶极子模型:在磁介质中,原子或分子在磁介质中,原子或分子的等效磁矩
4、分布和取向的等效磁矩分布和取向原子或分子的等效磁矩原子或分子的等效磁矩第四页,讲稿共三十二页哦5加外磁场时加外磁场时:顺磁质分子有固有磁矩,顺磁质分子有固有磁矩,固有磁转动后:固有磁转动后:当外磁场存在时,各分子当外磁场存在时,各分子固有固有磁矩受磁场力矩的作用,或多或磁矩受磁场力矩的作用,或多或少地转向磁场方向。少地转向磁场方向。分子磁矩的转动:分子磁矩的转动:抗磁质分子无固有磁矩,抗磁质分子无固有磁矩,也就无转动:也就无转动:第五页,讲稿共三十二页哦6在外磁场作用下,每个电子除了保持环绕原子核的运动和电子本在外磁场作用下,每个电子除了保持环绕原子核的运动和电子本身的自旋以外,还要附加身的自
5、旋以外,还要附加电子自旋磁矩以外磁场方向为轴线的进电子自旋磁矩以外磁场方向为轴线的进动。动。可以证明:可以证明:不论电子原来的自旋磁矩与磁场方向之间的夹角是何值,不论电子原来的自旋磁矩与磁场方向之间的夹角是何值,这种这种进动进动等效圆电流等效圆电流附加磁矩附加磁矩 Pm的方向永远与的方向永远与B0 的方向相反。无的方向相反。无论顺磁质还是抗磁质,都存在附加磁矩论顺磁质还是抗磁质,都存在附加磁矩 Pm。进动进动方向一致!进动进动电子的进动:电子的进动:第六页,讲稿共三十二页哦7 抗抗磁磁材材料料在在外外磁磁场场的的作作用用下下,磁磁体体内内任任意意体体积积元元中中大大量量分分子子或或原原子子的的
6、附附加加进进动动磁磁矩矩的的矢矢量量和和 有有一一定定的的量量值值,结结果果在在磁磁体体内内激激发一个和外磁场方向相反的附加磁场,这就是抗磁性的起源。发一个和外磁场方向相反的附加磁场,这就是抗磁性的起源。在在顺顺磁磁体体内内任任意意取取一一体体积积元元 V,其其中中各各分分子子固固有有磁磁矩矩的的矢矢量量和和 将将有有一一定定的的量量值值,因因而而在在宏宏观观上上呈呈现现出出一一个个与与外外磁磁场场同同向向的的附附加加磁场,这就是顺磁性的起源。磁场,这就是顺磁性的起源。3.3.抗磁质和顺磁质的磁化抗磁质和顺磁质的磁化抗抗磁质:磁质:顺顺磁质:磁质:可以忽略可以忽略第七页,讲稿共三十二页哦820
7、10年首个诺贝尔奖+搞笑诺贝尔奖双料得主诞生荷兰科学家Andre Geim。十年前他因磁悬浮青蛙获得搞笑诺贝尔奖。十年后他因石墨烯(graphene)的结构获诺贝尔奖。青蛙属于抗磁质。当青蛙被放到磁场中,青蛙的每个原子都像一个小磁针,外青蛙属于抗磁质。当青蛙被放到磁场中,青蛙的每个原子都像一个小磁针,外界磁场对这些小磁针作用的结果产生了向上的力,如果磁场的强度适当,这力界磁场对这些小磁针作用的结果产生了向上的力,如果磁场的强度适当,这力与青蛙受的重力达到平衡,它们就能悬在空中。与青蛙受的重力达到平衡,它们就能悬在空中。实际上动物都属于抗磁质,只实际上动物都属于抗磁质,只要用足够强的磁场,就有可
8、能要用足够强的磁场,就有可能使人悬浮起来。使人悬浮起来。第八页,讲稿共三十二页哦9磁化强度反是映磁介质磁化程度磁化强度反是映磁介质磁化程度(大小与方向大小与方向)的物理量。的物理量。它是单位体积内所有分子固有磁矩的矢量和它是单位体积内所有分子固有磁矩的矢量和 加上附加上附加磁矩的矢量和加磁矩的矢量和 ,称为磁化强度。,称为磁化强度。磁化强度的单位:磁化强度的单位:4.4.磁化强度磁化强度对对顺磁质顺磁质,可以忽略;可以忽略;对对抗磁质抗磁质 ,对于真空,对于真空,。外磁场为零,磁化强度为零。外磁场为零,磁化强度为零。外磁场不为零外磁场不为零:顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质第九页,讲稿共三十二页哦10
9、5.磁化电流磁化电流 对于各向同性的均匀介质,介质内部各分子电流相互抵对于各向同性的均匀介质,介质内部各分子电流相互抵消,而在介质表面,各分子电流相互叠加,在磁化圆柱的表消,而在介质表面,各分子电流相互叠加,在磁化圆柱的表面出现一层电流,好象一个载流螺线管,称为面出现一层电流,好象一个载流螺线管,称为磁化面电流磁化面电流。第十页,讲稿共三十二页哦11 取一长方形闭合回路取一长方形闭合回路ABCD,AB边在磁介质内部,平行边在磁介质内部,平行与柱体轴线,长度为与柱体轴线,长度为l,而,而BC、AD两边则垂直于柱面。两边则垂直于柱面。磁化强度对闭合回路的线积分等于通过回路所包围的面积内磁化强度对闭
10、合回路的线积分等于通过回路所包围的面积内的总磁化电流。的总磁化电流。lABCD设介质表面沿轴线方向设介质表面沿轴线方向单位长度单位长度上的磁化电流为上的磁化电流为 (磁化面(磁化面电流密度),则长为电流密度),则长为l 的一段介质上的磁化电流强度的一段介质上的磁化电流强度 为为第十一页,讲稿共三十二页哦12安培环路定理安培环路定理有磁介质时有磁介质时2 2 磁场强度与有磁介质时的安培环路定理磁场强度与有磁介质时的安培环路定理定义磁场强度定义磁场强度 磁磁介介质质中中的的安安培培环环路路定定理理:磁磁场场强强度度沿沿任任意意闭闭合合路路径径的的线线积积分分等等于于穿穿过过该该路路径径的的所所有有
11、传传导导电电流流的的代代数数和和,而而与与磁磁化化电电流流无关。磁化电流的效应由磁场强度所包含。无关。磁化电流的效应由磁场强度所包含。第十二页,讲稿共三十二页哦13 实实验验证证明明:对对于于各各向向同同性性的的介介质质,在在磁磁介介质质中中任任意意一点磁化强度和磁场强度成正比。一点磁化强度和磁场强度成正比。式式中中m只只与与磁磁介介质质的的性性质质有有关关,称称为为磁磁介介质质的的磁磁化化率率,是是一一个个纯纯数数。如如果果磁磁介介质质是是均均匀匀的的,它它是是一一个个常常量量;如如果果磁介质是不均匀的,它是空间位置的函数。磁介质是不均匀的,它是空间位置的函数。第十三页,讲稿共三十二页哦14
12、 值值得得注注意意:H 的的引引入入为为研研究究介介质质中中的的磁磁场场提提供供了了方方便便,但但它它不不是是反反映映磁磁场场性性质质的的基基本本物物理理量量,B 才才是是反映磁场性质的基本物理量。反映磁场性质的基本物理量。磁导率磁导率=0 r第十四页,讲稿共三十二页哦15例:长直螺旋管内充满均匀磁介质例:长直螺旋管内充满均匀磁介质 r,设电流设电流 I0 0,单位长度上的匝单位长度上的匝数为数为 n。求管内的磁感应强度求管内的磁感应强度。解:因管外磁场为零,取如图所示安培解:因管外磁场为零,取如图所示安培回路回路第十五页,讲稿共三十二页哦16例例:在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质,已知
13、螺绕环中的传导电流为在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质,已知螺绕环中的传导电流为I0,单位长度内匝数单位长度内匝数n,环的横截面半径比环的平均半径小得多,磁介质的环的横截面半径比环的平均半径小得多,磁介质的相对磁导率和磁导率分别为相对磁导率和磁导率分别为 r r和和,求环内的磁场强度和磁感应强度。求环内的磁场强度和磁感应强度。解:解:在环内任取一点,过该点作一和在环内任取一点,过该点作一和环同心、半径为环同心、半径为 r 的圆形回路。的圆形回路。式中式中N为螺绕环上线圈的总匝数。由对称性可知,在所取圆形回路上为螺绕环上线圈的总匝数。由对称性可知,在所取圆形回路上各点的磁感应强度的大小相等,
14、方向都沿切线。各点的磁感应强度的大小相等,方向都沿切线。当环内充满均匀介质时当环内充满均匀介质时第十六页,讲稿共三十二页哦17例例:如如图图所所示示,一一半半径径为为R1的的无无限限长长圆圆柱柱体体(导导体体 0)中中均均匀匀地地通通有有电电流流I0,在在它它外外面面有有半半径径为为R2的的无无限限长长同同轴轴圆圆柱柱面面,两两者者之之间间充充满满着着磁磁导导率率为为 的的均均匀匀磁磁介介质质,在在圆圆柱柱面面上上通通有有相相反反方方向向的的电电流流I0。试试求求(1)(1)圆圆柱柱体体外外圆圆柱柱面面内内一一点点的的磁磁场场;(2)(2)圆圆柱柱体体内内一一点点磁磁场场;(3)(3)圆柱面外
15、一点的磁场。圆柱面外一点的磁场。解解:(1)(1)当当两两个个无无限限长长的的同同轴轴圆圆柱柱体体和和圆圆柱柱面面中中有有电电流流通通过过时时,它它们们所所激激发发的的磁磁场场是是轴轴对对称称分分布布的的,而而磁磁介介质质亦亦呈呈轴轴对对称称分分布布,因因而而不不会会改改变变场场的的这这种种对对称称分分布布。设设圆圆柱柱体体外外圆圆柱柱面面内内一一点点到到轴轴的的垂垂直直距距离离是是r,以以r为为半半径径作作一一圆圆,取取此此圆圆为为积积分分回回路路,根根据据安培环路定理有安培环路定理有I0I0I0R1R2r第十七页,讲稿共三十二页哦18I0I0I0R1R2rr(2)设设在在圆圆柱柱体体内内一
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