大学物理第11章磁场中的磁介质

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 1 如金属铝、锰、铬等。如金属铝、锰、铬等。q 抗磁质抗磁质：

3、r 1 1 如金属金、银、铜等。如金属金、银、铜等。q 铁磁质铁磁质：r r 1 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

4、时( (真空中真空中) )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

5、应可以用一等效的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

6、感应强度为：q 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

7、，分子的磁矩排列杂时，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 I

8、s s产生附加磁场产生附加磁场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

9、其和道和自旋磁矩均不为零，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

10、B B0 0反向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 i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

11、于抗磁介质中，也存在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

12、流会产生附加的磁场B 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

13、（环流），等于穿过以该回路为即：磁场强度沿任意闭合路径的线积分（环流），等于穿过以该回路为边界的传导电流的代数和。边界的传导电流的代数和。q H H 是为消除磁化电流的影响而引入的辅助物理量。是为消除磁化电流的影响而引入的辅助物理量。q H H 的环流仅与传导电流的环流仅与传导电流I I 有关有关, ,与介质无关。与介质无关。( (当当I I相同时，尽管介相同时，尽管介质不同，质不同，H H在同一点上也不相同，然而环流却相同。因此可以用它求在同一点上也不相同，然而环流却相同。因此可以用它求场量场量H H ，就象求，就象求D D 那样。那样。q H H的单位：安培的单位：安培/ /米米( (A/

14、m)A/m) 说明：0Il dHL rIH 2II例例1、长直单芯电缆的芯是一根半径为长直单芯电缆的芯是一根半径为R 的金属导体，它与外壁之间充的金属导体，它与外壁之间充满均匀磁介质，电流从芯流过再沿外壁流回。求介质中磁场分布。满均匀磁介质，电流从芯流过再沿外壁流回。求介质中磁场分布。Il dHlrrIHBrr 200方向沿圆的切线方向方向沿圆的切线方向B解：取如图所示安培回路解：取如图所示安培回路R 例2：P140, 例11.1。 电介质中的高斯定理电介质中的高斯定理磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 SSqqSdE)(100 LLLiIl dB000 BBHr00Il dHlEE

15、Dr 0 0qSdDS 在工程技术上常用的磁介质是铁磁质，如电机、变压器和电表等。在工程技术上常用的磁介质是铁磁质，如电机、变压器和电表等。铁磁质有如下特点：铁磁质有如下特点：1 1在外磁场作用下能产生很强的磁感应强度；在外磁场作用下能产生很强的磁感应强度；112 2当外磁场停止作用时，仍能保持其磁化状态；当外磁场停止作用时，仍能保持其磁化状态；3 3B B与与H H之间不是简单的线性关系（与顺磁质和抗磁质不同）；之间不是简单的线性关系（与顺磁质和抗磁质不同）；4 4铁磁质都有一临界温度。在此温度（居里温度）之上，铁磁性铁磁质都有一临界温度。在此温度（居里温度）之上，铁磁性 完全消失而成为顺磁

16、质。完全消失而成为顺磁质。 Fe(1040K) Co(630K) Ni(1390K)Fe(1040K) Co(630K) Ni(1390K)磁化曲线磁化曲线磁介质内磁感应强度磁介质内磁感应强度B B随磁场强度随磁场强度H H的变化关系曲线。的变化关系曲线。OHB)(HABCSSB 一、铁磁介质的磁化机理磁畴1.磁畴磁畴磁畴磁畴铁磁质中因铁磁质中因电子自旋电子自旋而引而引起的强烈相互作用，在铁磁质内形起的强烈相互作用，在铁磁质内形成磁性很强的小区域成磁性很强的小区域 。磁畴的体积。磁畴的体积约为约为 1010-12-12 m m3 3 。 在无外磁场时，各磁在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁

17、质畴排列杂乱无章，铁磁质不显磁性；不显磁性；在外磁场中，在外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场迅速增加内部的磁场迅速增加，在，在铁磁质充磁过程中伴随着铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。发声、发热。oB 2.磁畴的形成磁畴的形成 按照量子理论按照量子理论, , 铁磁质内电子间存在着很强的由电子自旋引起的相互铁磁质内电子间存在着很强的由电子自旋引起的相互作用作用电子交换作用电子交换作用, , 使各电子的自旋磁矩排列整齐，从而形成磁畴。使各电子的自旋磁矩排列整齐，从而形成磁畴。每个磁畴内的电子自旋磁矩整齐排列，磁性很强每个磁畴内的电子自旋磁矩整齐排列，磁性很强自发磁化。自

18、发磁化。3.磁畴与外磁场的关系磁畴与外磁场的关系q 无外磁场时无外磁场时, , 各个磁畴由于热运动其方向排列无序各个磁畴由于热运动其方向排列无序, , 因而整体对外因而整体对外不显磁性。不显磁性。q 有外磁场时有外磁场时, , 各个磁畴的磁矩在外磁场的磁力矩作用下以整体的形各个磁畴的磁矩在外磁场的磁力矩作用下以整体的形式趋向外磁场方向排列式趋向外磁场方向排列, , 从而对外显示很强的磁性。出现高从而对外显示很强的磁性。出现高m m 值。值。具体过程具体过程: : 与外磁场方向一致和相同的磁畴范围扩大与外磁场方向一致和相同的磁畴范围扩大, , 磁畴磁矩方向同磁畴磁矩方向同时尽力转向外磁场的方向。

19、时尽力转向外磁场的方向。4. 4. 磁畴与温度的关系磁畴与温度的关系: : 当温度持续升高到某值时当温度持续升高到某值时, , 由于剧烈的热运动由于剧烈的热运动, , 磁畴瓦解磁畴瓦解, , 铁磁质的铁磁性消失铁磁质的铁磁性消失, , 过渡到顺磁质。过渡到顺磁质。此温度叫做此温度叫做居里温度或居里温度或居里点。居里点。 二、铁磁质的磁化规律磁滞回线1. 1. 实验目的实验目的: : 确定铁磁质内的确定铁磁质内的B B随外场随外场H H 的变的变化关系化关系, , 确定其磁导率确定其磁导率m m 的特点和铁磁质的磁的特点和铁磁质的磁化规律。化规律。a2. 实验结果实验结果q oa : 起始磁化曲

20、线，未经磁化的铁磁质起始磁化曲线，未经磁化的铁磁质, , 起始时起始时, , B B 随随H H 而增大而增大, , 到到a a点达到饱点达到饱和。和。b bB Br rBHoq a b :当外磁场减小时，介质中的磁场当外磁场减小时，介质中的磁场并不沿起始磁化曲线返回，而是滞后于并不沿起始磁化曲线返回，而是滞后于外磁场变化外磁场变化磁滞现象磁滞现象, , 当当H H = 0 = 0时时, , B B = = B Br r 00，B Br r剩磁剩磁。 q b c : : 加上反向外磁场，则加上反向外磁场，则B B 继续继续减小减小, ,当当H H=-=-H Hc c时，时，B B=0=0，H

21、Hc c称为称为矫顽矫顽力力, , 即为了消除剩磁所需加的反向即为了消除剩磁所需加的反向外磁场外磁场H Hc c 。BrHcBHoaq cd：继续增加反向磁场，介质达继续增加反向磁场，介质达到反向磁饱和状态。到反向磁饱和状态。q def：改变外磁场为正向磁：改变外磁场为正向磁场，不断增加外场，介质又场，不断增加外场，介质又达到正向磁饱和状态。达到正向磁饱和状态。b bc cd de ef f磁滞回线磁滞回线闭合曲线闭合曲线abcdefaabcdefa。实验结论实验结论q 铁磁质具有铁磁质具有非线性，非线性，其其m m 值具有非单值性，与磁化的历史有关。值具有非单值性，与磁化的历史有关。q 铁磁

22、质会出现磁滞和剩磁现象。铁磁质会出现磁滞和剩磁现象。 超导体q 1911年，荷兰物理学家年，荷兰物理学家HK 昂纳斯昂纳斯及其助手首先发现在温度降至液氦及其助手首先发现在温度降至液氦的沸点（的沸点（4.2K）以下时，水银的电阻为）以下时，水银的电阻为0。q 超导体超导体在低温下电阻为零的物质。在低温下电阻为零的物质。q 1913年年昂纳斯昂纳斯因他在低温物理和超导领域所做的杰出贡献，获诺贝尔物因他在低温物理和超导领域所做的杰出贡献，获诺贝尔物理学奖。理学奖。1.超导体的基本性质超导体的基本性质零电阻率零电阻率q 超导体在临界温度以下时，电阻为零，所以它可以通过很大的电流，超导体在临界温度以下时，电阻为零，所以它可以通过很大的电流，而几乎无热损耗。而几乎无热损耗。q 有人曾用超导体做成一个圆环，当把它冷却到临界温度以下后，突然有人曾用超导体做成一个圆环，当把它冷却到临界温度以下后，突然去掉磁场，由于电磁感应，在超导体环内产生一个相当强的电流，这去掉磁场，由于电磁感应，在超导体环内产生一个相当强的电流，这个电流在持续两年半的时间内仍没发现可观的变化。个电流在持续两年半的时间内仍没发现可观的变化。 由于超导体内电阻为由于超导体内电阻为0，超导电流不会产生热量，超导电流也就不会，超导电流不会产生热量，超导电流也就不会消失，超导体一直会悬浮在磁场中。消失，超导体一直会悬浮在磁场中。q