大学物理介质中的电场和磁场

第9章介质中的电场和磁场 本章内容 9 1电介质的极化束缚电荷 9 2电介质内的电场强度 9 3电介质中的高斯定理电位移矢量D 9 4磁介质的分类 9 5顺磁性和抗磁性的微观解释 9 6磁介质中的安培环路定理磁场强度H 9 8铁磁质 9 1电介质的极化束缚电荷 9 1 1 电介质电容器的电容 r 电介质的相对介电常数 介质中电场减弱 电介质 绝缘体 放在电场中的 电介质 电场 实验结论 介质中电场减弱 介质充满电场或介质表面为等势面 充有电介质的电容器的电容 几种电介质的相对介电常数 干燥空气 1 0006 蒸馏水 81 云母 6 9 1 2 电介质分子的电结构 无极分子 有极分子 无外场时 无极分子电介质 有极分子电介质 9 1 3 电介质的极化束缚电荷 整体对外不显电性 热运动 有外场时 分子 位移极化 分子 取向极化 束缚电荷 束缚电荷 无极分子电介质 有极分子电介质 外电场E0 极化 介质内电场E 击穿 讨论 9 2电介质内的电场强度 以充满相对介电常数为 r的各向同性均匀电介质的平行板电容器为例 电介质内部的电场强度 其中 由实验 9 3电介质中的高斯定理电位移矢量D 加入电介质 r 介电常数 令 电位移矢量 通过高斯面的电位移通量等于高斯面所包围的自由电荷的代数和 与极化电荷及高斯面外电荷无关 1 电位移线 由于闭合面的电位移通量等于被包围的自由电荷 所以D线发自正自由电荷止于负自由电荷 r 2 各向同性电介质 介电常数 为决定于电介质种类的常数 讨论 R1 R2 例导体球置于均匀各向同性介质中 如图示 求 1 电场的分布 2 紧贴导体球表面处的极化电荷 R0 Q0 解 1 r 2 例 平行板电容器 其中充有两种均匀电介质 求 1 各电介质层中的场强 2 极板间电势差 解 做一个圆柱形高斯面 同理 做一个圆柱形高斯面 1 各电介质层中的场强不同 2 相当于电容器的串联 讨论 1 磁介质 放入磁场中能够显示磁性的物质 电介质放入外场 9 4磁介质的分类 相对介电常数 磁介质放入外场 相对磁导率 反映磁介质对原场的影响程度 相对磁导率 顺磁质 抗磁质 减弱原场 增强原场 弱磁性物质 顺磁质和抗磁质的相对磁导率都非常接近于1 即 铁磁质 通常不是常数 具有显著的增强原磁场的性质 强磁性物质 2 磁介质的分类 如 铬 铀 锰 氮等 如 铋 硫 氯 氢等 如 铁 钴 镍及其合金等 原子中电子的轨道磁矩 电子的自旋磁矩 电子自旋磁矩与轨道磁矩有相同的数量级 分子固有磁矩 所有电子磁矩的总和 抗磁质 对外不显磁性 顺磁质 由于热运动 对外也不显磁性 无外磁场作用时 9 5顺磁性和抗磁性的微观解释 有外磁场作用时 顺磁质 分子的固有磁矩 受力矩 的作用 使分子的固有磁矩趋于外磁场方向 排列 但由于分子热运动的影响 各分子固有磁矩的取向不可能完全整齐 不过外磁场越强 排列越整齐 正是由于这种取向排列使得原磁场得到加强 但这种加强很小 抗磁质 它的分子没有固有磁矩 为什么也能受磁场的影响 抗磁质在外磁场的作用下产生附加磁矩 以电子的轨道运动为例 如电子沿相反的方向做轨道运动 同样的分析方法 无论电子轨道运动如何 外磁场对它的力矩总使它产生一个与外磁场方向相反的附加磁矩 附加磁矩产生附加磁场 附加磁场与外场方向相反 抗磁质 9 6磁介质中的安培环路定理磁场强度H 9 6 1磁介质的磁化束缚电流 以无限长螺线管为例 在磁介质内部的任一处 相邻的分子环流的方向相反 互相抵消 在磁介质表面处各点 分子环流未被抵消 形成沿表面流动的面电流 束缚电流 磁化电流 结论 介质中磁场由传导和束缚电流共同产生 9 6 2 磁介质中安培环路定理磁场强度H 以充满各向同性均匀顺磁质的螺绕环为例 在螺绕环未充介质时 由上两式 因而 令 磁场强度 磁导率 磁介质的安培环路定理 磁介质内磁场强度沿所选闭合路径的环流等于闭合积分路径所包围的所有传导电流的代数和 1 电极化强度 电偶极子排列的有序程度反映了介质被极化的程度 排列愈有序 说明极化愈强烈 每个分子的电偶极矩 定义 实验表明 对于大多数常见的各向同性的电介质 有 电极化率 以充满各向同性均匀电介质的平行板电容器为例 可得 2 磁化强度 定义 实验表明 对顺磁质和抗磁质 以螺绕环为例 可得 每个分子的磁矩 9 8 1铁磁质的磁化规律磁滞回线 铁磁质中 不是线性关系 剩磁 矫顽力 实验证明 各种铁磁质的起始曲线都是 不可逆 的 磁滞现象 9 8铁磁质 讨论 HC较小 HC较大 易磁化 易退磁 剩磁较强 不易退磁 变压器 电机 电磁铁的铁芯 可作永久磁铁 4 铁磁质的磁化状态与铁磁质此前的磁化历史有关 软磁材料 硬磁材料 3 不同材料 矫顽力不同 2 铁磁质温度高于某一温度TC时 铁磁质转化为顺磁质 此临界温度称为居里点 9 8 2磁畴 磁畴中分子磁矩自发地磁化达到饱和状态