第七章磁介质精选PPT.ppt
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1、第七章磁介质第七章 磁介质第1页,本讲稿共40页第七章 磁介质 由由现现代代物物质质结结构构理理论论可可知知:物物质质内内部部原原子子、分分子子中中的的每每个个电电子子参参与与两种运动:两种运动:一一是是轨轨道道运运动动,即即电电子子绕绕原原子子核核的的旋旋转转运运动动,其其运运动动会会形形成一个电流,进而会产生一个磁矩,称为成一个电流,进而会产生一个磁矩,称为轨道磁矩轨道磁矩;二二是是电电子子的的自自旋旋运运动动,相相应应地地也也会会产产生生一一个个磁磁矩矩,称称为为自自旋旋磁矩磁矩。一一个个分分子子中中所所有有电电子子的的各各种种磁磁矩矩之之总总和和构构成成这这个个分分子子的的固固有有磁磁
2、矩矩PmPm,称称为为分分子子磁磁矩矩,这这个个分分子子固固有有磁磁矩矩可可以以看看成成是是由由一一个个等等效效的的圆形分子电流圆形分子电流i i产生的。产生的。一磁介质的电结构一磁介质的电结构7.1 7.1 磁场中的介质磁场中的介质第2页,本讲稿共40页第七章 磁介质1.1.1.1.磁介质磁介质磁介质磁介质磁磁 化:化:磁场对磁场中的物质的作用称为磁化。磁场对磁场中的物质的作用称为磁化。磁介质:磁介质:在磁场中影响原磁场的物质称为磁介质。在磁场中影响原磁场的物质称为磁介质。总磁感总磁感强度强度附加磁附加磁感强度感强度外加磁外加磁感强度感强度就就像像电电介介质质分分为为有有极极性性分分子子和和
3、无无极极性性分分子子一一样样,一一般般磁磁介介质质也也可可分分为为两两大类:大类:一一类类是是分分子子中中各各电电子子的的磁磁矩矩不不完完全全抵抵消消而而整整个个分分子子具具有有一一定定的的固固有有磁磁矩矩,称为称为顺磁性物质顺磁性物质,如氧、铝等;,如氧、铝等;一一类类是是分分子子中中各各电电子子的的磁磁矩矩,完完全全相相互互抵抵消消而而整整个个分分子子不不具具有有固固有有磁磁矩矩,称称为为抗抗磁磁性性物物质质,如氢、铜等,如氢、铜等,但但这这两两类类物物质质都都是是弱弱磁磁性性物物质质。另另外外还还有有一一类类强强磁磁性性介介质质,称称作作铁铁磁质磁质,铁、钴、锦及其合金就属于这一类。,铁
4、、钴、锦及其合金就属于这一类。7.1 7.1 磁场中的介质磁场中的介质第3页,本讲稿共40页第七章 磁介质抗磁质抗磁质(铜、铋、硫、氢、银等铜、铋、硫、氢、银等)铁磁质铁磁质(铁、钴、镍等铁、钴、镍等)顺磁质顺磁质(锰、铬、铂、氧、氮等锰、铬、铂、氧、氮等)定义定义在介质均匀充满磁场的情况下在介质均匀充满磁场的情况下相对相对磁导率磁导率磁介质的分类磁介质的分类7.1 7.1 磁场中的介质磁场中的介质第4页,本讲稿共40页第七章 磁介质2.2.2.2.分子电流和分子磁矩分子电流和分子磁矩分子电流和分子磁矩分子电流和分子磁矩 分子电流:分子电流:把分子或原子看作一个整体,分子或原子中各个电子把分子
5、或原子看作一个整体,分子或原子中各个电子对外界所产生磁效应的总和,可用一个等效的圆电流表示,统称为分对外界所产生磁效应的总和,可用一个等效的圆电流表示,统称为分子电流。子电流。分子磁矩:分子磁矩:把分子所具有的磁矩总和称为分子磁矩,用把分子所具有的磁矩总和称为分子磁矩,用符号符号 表示。表示。电子的进动:电子的进动:在外磁场在外磁场 的作用下,分子或原子中和每的作用下,分子或原子中和每个电子相联系的磁矩都受到磁力矩的作用,由于分子或原子个电子相联系的磁矩都受到磁力矩的作用,由于分子或原子中的电子以一定的角动量作高速转动,这时,每个电子除了中的电子以一定的角动量作高速转动,这时,每个电子除了保持
6、环绕原子核的运动和电子本身的自旋以外,还要附加电保持环绕原子核的运动和电子本身的自旋以外,还要附加电子磁矩以外磁场方向为轴线的转动,称为电子的进动。子磁矩以外磁场方向为轴线的转动,称为电子的进动。7.1 7.1 磁场中的介质磁场中的介质第5页,本讲稿共40页第七章 磁介质进动进动进动 附加磁矩:附加磁矩:因进动而产生的等效磁矩称为附加磁矩,用因进动而产生的等效磁矩称为附加磁矩,用符号符号 表示。表示。可以证明:可以证明:不论电子原来的磁矩与磁场方向之间的夹角不论电子原来的磁矩与磁场方向之间的夹角是何值,在外磁场是何值,在外磁场 中,这种等效圆电流的磁矩的方向永远中,这种等效圆电流的磁矩的方向永
7、远与与 的方向相反。的方向相反。7.1 7.1 磁场中的介质磁场中的介质第6页,本讲稿共40页第七章 磁介质3.3.3.3.抗磁质的磁化抗磁质的磁化抗磁质的磁化抗磁质的磁化 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附附加加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发一一个个和和外外磁磁场场方方向向相相反反的的附附加加磁磁场场,这这就就是是抗抗磁磁性性的的起起源源。它它是是一一切切磁磁介介质质所所共共有有的性质的性质。4.4.4.4.顺磁质的磁化顺磁质的磁化顺磁质的磁化顺磁质的磁
8、化 在在顺顺磁磁体体内内任任意意取取一一体体积积元元 ,其其中中各各分分子子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外磁场同向的附加磁场,这就是顺磁性的起源。与外磁场同向的附加磁场,这就是顺磁性的起源。7.1 7.1 磁场中的介质磁场中的介质第7页,本讲稿共40页第七章 磁介质1.1.1.1.磁化强度磁化强度磁化强度磁化强度反映磁介质磁化程度反映磁介质磁化程度(大小与方向大小与方向)的物理量。的物理量。均匀磁化:均匀磁化:非均匀磁化:非均匀磁化:磁化强度:磁化强度:单位体积内所有分子固有磁矩的矢量和单位体积内所有分子固有磁矩的矢量和
9、 加上附加磁矩的矢量和加上附加磁矩的矢量和 ,称为磁化强度,用,称为磁化强度,用 表示。表示。其单位为:其单位为:7.1 7.1 磁场中的介质磁场中的介质第8页,本讲稿共40页第七章 磁介质 注意:注意:对顺磁质,对顺磁质,可以忽略;可以忽略;对抗磁质对抗磁质 ,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7.1 7.1 磁场中的介质磁场中的介质第9页,本讲稿共40页第七章 磁介质 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
10、相互叠加,在磁化圆柱的表面出现一层电流,好象质表面,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,称为一个载流螺线管,称为磁化面电流磁化面电流(或安培表面电流)。(或安培表面电流)。由磁化而出现的宏观电流叫做由磁化而出现的宏观电流叫做磁化电流磁化电流。除磁化电流之外的电流叫做除磁化电流之外的电流叫做传导电流传导电流。7.7.2 2 磁化电流磁化电流第10页,本讲稿共40页第七章 磁介质 设介质表面沿轴线方向单位长度上的磁化电流为设介质表面沿轴线方向单位长度上的磁化电流为 (面磁化电流密度),则长为(面磁化电流密度),则长为l 的一段介质上的磁化电流的一段介质上的磁化电流
11、强度强度I IS S为为7.7.2 2 磁化电流磁化电流第11页,本讲稿共40页第七章 磁介质 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,平行与边在磁介质内部,平行与柱体轴线,长度为柱体轴线,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的总磁化电流。内的总磁化电流。7.7.2 2 磁化电流磁化电流第12页,本讲稿共40页第七章 磁介质例例题题:试试求求磁磁距距为为p pm m=1.410=1.410-26-26A Am m2 2,自自旋旋角角动动量量为
12、为L Lp p=0.5310=0.5310-3434kgkgm m2 2/s/s的的质质子子,在在磁磁感感应应强强度度 B B 为为0.500.50T T的的均均匀匀磁磁场场中中进进动动的的角角速速度。度。BLPdLPd 解:解:质子带正电质子带正电,它的自旋磁距与自旋它的自旋磁距与自旋角动量的方向相同角动量的方向相同,如图所示如图所示.质子在质子在磁场中受到的磁力矩为磁场中受到的磁力矩为在磁力矩的作用下,质子以磁场在磁力矩的作用下,质子以磁场为轴线作进动,在为轴线作进动,在d dt t时间内转角度时间内转角度d d,角动量的增量为,角动量的增量为第13页,本讲稿共40页第七章 磁介质 可以看
13、出,不管可以看出,不管 与磁场的夹角是大于与磁场的夹角是大于90900 0还是小于还是小于90900 0,质子在磁场中进动时也产生一与磁场方向相反的附加磁,质子在磁场中进动时也产生一与磁场方向相反的附加磁矩。矩。从而可求得质子在磁场中的进动角速度从而可求得质子在磁场中的进动角速度把把pm和和L的数值代入可算出的数值代入可算出又因角动量的时间变化率等于力矩,即又因角动量的时间变化率等于力矩,即 所以所以第14页,本讲稿共40页第七章 磁介质无磁介质时:无磁介质时:有磁介质时:有磁介质时:一、有磁介质时的安培环路定理一、有磁介质时的安培环路定理7.37.3 磁介质中的磁场磁介质中的磁场第15页,本
14、讲稿共40页第七章 磁介质定义定义 为为磁场强度磁场强度 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等于穿过该路径的所有传导电流的代数和,而与磁化电流无关。分等于穿过该路径的所有传导电流的代数和,而与磁化电流无关。有磁介质时的安培环路定理7.37.3 磁介质中的磁场磁介质中的磁场第16页,本讲稿共40页第七章 磁介质(2)(2)中的中的 应理解为应理解为 所围回路按右手定所围回路按右手定则确定的传导电流之代数和。并非则确定的传导电流之代数和。并非 与与 无关,无关,而是而是 的环流与的环流与 无关。无关。(3)(3)为一辅助物理量,
15、为一辅助物理量,在在SISI单位制中:单位制中:的单位同于的单位同于 ,为;,为;常用单位为奥斯特(常用单位为奥斯特(oeoe),),1 1 。(4)(4)对于真空,对于真空,则,则 ,或,或 。(1)(1)当当 具有某种对称性时可由安培环路定理求出具有某种对称性时可由安培环路定理求出 ,进而求出,进而求出 ,再求,再求 和和 等。等。讨论:讨论:7.37.3 磁介质中的磁场磁介质中的磁场第17页,本讲稿共40页第七章 磁介质 实实验验证证明明:对对于于各各向向同同性性的的非非铁铁磁磁介介质质,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 只
16、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。7.37.3 磁介质中的磁场磁介质中的磁场第18页,本讲稿共40页第七章 磁介质相对磁导率绝对磁导率 值值得得注注意意:为为研研究究介介质质中中的的磁磁场场提提供供方方便便而而不不是是反反映映磁场性质的基本物理量,磁场性质的基本物理量,才是反映磁场性质的基本物理量。才是反映磁场性质的基本物理量。7.37.3 磁介质中的磁场磁介质中的磁场第19页,本讲
17、稿共40页第七章 磁介质例题:例题:在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质,已知螺绕环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中的传导电流为 ,单位长度内匝数,单位长度内匝数 ,环的横截面半径比环的,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平均半径小得多,磁介质的相对磁导率和磁导率分别为 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,过在环内任取一点,过该点作一和环同心、半径该点作一和环同心、半径为为 的圆形回路。的圆形回路。式中式中 为螺绕环上线圈为螺绕环上线圈的总匝数。由对称性可知,在所取圆形
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