大学物理磁介质

1、1 在考虑物质与磁场的相互影响时在考虑物质与磁场的相互影响时,我们把所有的物我们把所有的物质都称为质都称为磁介质磁介质。10.8 磁场中的磁介质磁场中的磁介质 r叫磁介质的叫磁介质的相对磁导率相对磁导率,它随磁介质的种类和状它随磁介质的种类和状态的不同而不同。对真空，态的不同而不同。对真空， r=1。10.8.1、磁介质的分类、磁介质的分类磁介质中的磁场为磁介质中的磁场为B=Bo+B = rBo磁化电流产磁化电流产生附加磁场生附加磁场电介质中的电场为电介质中的电场为rooEEEE 极化电荷产极化电荷产生附加电场生附加电场2B=Bo+B = rBo磁介质的种类磁介质的种类 。锰等铝氧，同方向与顺

2、磁质,1100BBBBr 。铋等氢铜，反方向与抗磁质,1200BBBBr 。镍等钴铁同方向，很大与铁磁质,130BBr 完全抗磁性。为超导材料004Br顺磁质和抗磁质统称为顺磁质和抗磁质统称为弱磁性弱磁性物质物质3smLI分子中每一个电子同时参与两种运动：分子中每一个电子同时参与两种运动：自旋运动和绕核的轨道运动，自旋运动和绕核的轨道运动，（1）分子）分子( 固有固有)磁矩磁矩sIlm对应自旋电流和轨道电流对应自旋电流和轨道电流, 进而对应自旋磁矩和轨道磁矩。进而对应自旋磁矩和轨道磁矩。一个一个 分子内所有电子全部磁矩分子内所有电子全部磁矩的矢量和称为的矢量和称为分子分子( 固有固有)磁矩磁矩

3、。圆电流圆电流I I称为分子电流。称为分子电流。分子分子( ( 固有固有) )磁矩可用一个磁矩可用一个等效的圆电流等效的圆电流I I来表示。来表示。mI1 顺磁质和抗磁质的磁化顺磁质和抗磁质的磁化10.8.2、磁介质的磁化、磁介质的磁化4(I) 加外磁场，分子磁矩受磁力矩的作用转向加外磁场，分子磁矩受磁力矩的作用转向外磁场方向。外磁场方向。BmI转向磁化效应。转向磁化效应。感应磁化效应。感应磁化效应。m0B(II) 在磁场中，分子中每个电子的运动将受到在磁场中，分子中每个电子的运动将受到影响影响,引起一附加磁矩，附加磁矩引起一附加磁矩，附加磁矩 总与外磁总与外磁场场 反向，使总磁场减弱反向，使

4、总磁场减弱.BM m0BqvmFm5（2）(I) 无外磁场作用时，由于分子的热运动，分子磁无外磁场作用时，由于分子的热运动，分子磁矩取向各不相同矩取向各不相同, ,整个介质不显磁性。整个介质不显磁性。 顺磁质顺磁质: 每个分子的固有磁矩不为零，每个分子的固有磁矩不为零，0m无外磁场无外磁场mI6无外磁场无外磁场顺顺 磁磁 质质 的的 磁磁 化化0B有外磁场有外磁场sI在外磁场中，转向磁化效应，产生附加磁场在外磁场中，转向磁化效应，产生附加磁场 B B ，结，结果使介质内部磁场增强。果使介质内部磁场增强。B感应磁化效应比转向磁化效应小五个数量级。感应磁化效应比转向磁化效应小五个数量级。B=Bo+

5、B Bo7(II) 抗磁质及其磁化机理抗磁质及其磁化机理感应磁化效应产生附加磁场，与外磁场方向相反，感应磁化效应产生附加磁场，与外磁场方向相反，使磁场减弱。使磁场减弱。 无转向磁化效应无转向磁化效应只有感应磁化效应。只有感应磁化效应。抗磁质分子中，各电子的磁效应相互抵消，所以分子的抗磁质分子中，各电子的磁效应相互抵消，所以分子的固有磁矩为零。固有磁矩为零。B=Bo+B Bo810.8.3 磁化强度磁化强度（1） 磁化强度磁化强度:VpMm为了表征物质的磁化程度，定义为了表征物质的磁化程度，定义磁化强度矢量：磁化强度矢量：单位体积内分子磁矩的矢量和单位体积内分子磁矩的矢量和单位：安培单位：安培/

6、米米 (A/m)9Bo（2）磁化电流的形成）磁化电流的形成(以以顺磁质顺磁质为例为例)。 一块顺磁质放到外磁场中时一块顺磁质放到外磁场中时,它的分子的固有磁矩要它的分子的固有磁矩要沿着磁场方向取向沿着磁场方向取向,如图所示。如图所示。 考虑和这些磁矩相考虑和这些磁矩相对应的分子电流对应的分子电流,可以发现：在均匀磁介质内部，各处可以发现：在均匀磁介质内部，各处电流的方向总是有相反的电流的方向总是有相反的,结果相互抵消。结果相互抵消。 只有在横截只有在横截面边缘处，分子电流未被抵消面边缘处，分子电流未被抵消,形成与横截面边缘重合形成与横截面边缘重合的一层圆电流。这种电流叫做的一层圆电流。这种电流

7、叫做磁化电流磁化电流。pm磁化电流磁化电流10 磁化电流是分子电流一段段拼接磁化电流是分子电流一段段拼接而成的而成的,不同于金属中自由电子定向不同于金属中自由电子定向运动形成的传导电流运动形成的传导电流,所以也叫所以也叫束缚束缚电流电流。在外磁场中的作用下，均匀磁介质的表面上出现磁化在外磁场中的作用下，均匀磁介质的表面上出现磁化电流的现象叫做磁介质的电流的现象叫做磁介质的磁化磁化 。111.磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 在磁介质中在磁介质中,安培环路定理应写为安培环路定理应写为式中式中, Io内内和和 I 内内分别是闭合路径分别是闭合路径l所包围的所包围的传导传导电电流和流和磁

8、化磁化电流的代数和。电流的代数和。可证明可证明:定义：定义：磁场强度磁场强度矢量矢量内oI()内IlodlBldlM内I内oloIdlMB)(MBHo10.8.4 磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理辅助物理量辅助物理量磁场强度的单位：磁场强度的单位：安培安培/米米(A/m) SI12则则磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理可写为可写为 即即:磁场强度磁场强度H的环流的环流(沿任一闭合路径沿任一闭合路径l的线积分的线积分)等于该闭合路径等于该闭合路径l所包围的所包围的传导电流传导电流的代数和。的代数和。 实验表明实验表明,在在各向同性磁介质中：各向同性磁介质中： r相对磁导率相

9、对磁导率, o r= 磁导率磁导率B= o r H= HloIdlH内EEDr 0133.有磁介质时磁感强度有磁介质时磁感强度B的计算的计算1) 正统算法正统算法先假设磁介质不存在，求出先假设磁介质不存在，求出B0 , 再由再由:0BBr 00/ BH 求出求出B和和H。先由先由H的安培环路定理求出的安培环路定理求出H , 再由再由B和和H的关系求得的关系求得B. 2) 简易算法简易算法2. B与与B0 的关系的关系0BBr HHBBrr 00 LLIl dHrBH 0/ 14cbadBB0I0I例题一：长直螺旋管内充满均匀例题一：长直螺旋管内充满均匀磁介质磁介质( )，设励磁电流，设励磁电流 ，单，单位长度上的匝数为位长度上的匝数为 n 。求管内的。求管内的磁场强度和磁感应强度。磁场强度和磁感应强度。r0I解解Habl dHL 0IabnHab 0nIH HBr 0 1）正统解法）正统解法因管外磁场为零，取如图所示因管外磁场为零，取如图所示安培回路安培回路 LLIl dHrBH 0/ IabnIL 00nIr 152）简易解法）简易解法已知无介质时：已知无介质时：0,000 outinBnIB 0 000 outrinrinBnIBB rBH 0/ 故有介质时：故有介质时：0,0 outinHnIH0BBr