磁介质

第六章有磁介质存在时的磁场引入：真空中的磁场是一种理想化的情况磁场中总会存在其它物质本章主要讨论有存在磁介质时的磁场研究内容：１．磁场对磁介质的作用2.磁介质对磁场的影响定性分析简单的定量计算:磁化现象第七章有磁介质存在时的磁场微观机制宏观效果(对称性问题)一、磁介质及其分类1、什么是磁介质把在磁场中性质会发生变化,并能够影响原来磁场分布的物质称作磁介质。根据安培分子环流假说:物质磁性起源于分子电流磁性是物质的基本属性,各种物质都具有不同程度的磁性在外磁场作用下性质会发生变化,并能够影响原来磁场分布,因此可以说所有的物质都是磁介质磁介质2、磁介质的磁化BBB0磁介质在磁场的作用所发生的变化:磁介质的磁化磁介质的磁化的宏观效果0B磁介质在外磁场的作用下,产生磁化现象,出现磁化电流'i产生附加磁场'B影响原磁场0B有磁介质存在时的磁场:B'的方向，随磁介质的不同而不同。电介质有电介质存在时的静电场0E导体在外电场的作用下,产生极化现象,出现极化电荷'q产生附加电场'E总电场变为:'0EEE影响原电场0E3、磁介质的分类'0BBB介质磁化后的附加磁感强度真空中的磁感强度磁介质中的总磁感强度顺磁质00',BBBB同向与抗磁质铁磁质（铁、钴、镍等）弱磁质非铁磁质分类标准：B‘与B0方向关系（铝、氧、锰等）00',BBBB反向与（铜、铋、氢等）00',BBBB同向与有磁介质存在时的磁场:B'的方向，随磁介质的不同而不同。磁介质的分类0E'0EEE电介质放入外场0EE磁介质放入外场0BrBB0r——相对磁导率反映磁介质对原场的影响程度顺磁质抗磁质1r减弱原场0BB1r增强原场0BB如锌、铜、水银、铅等如锰、铬、铂、氧等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。铁磁质)10~10(421r通常不是常数具有显著的增强原磁场的性质——强磁性物质如何研究磁介质的磁化？思路：对磁介质的电结构作出简化假设，建立模型提出磁化现象的微观机制确立描绘磁化的相关物理量寻找磁化相关规律分子电流如何研究电介质的极化？思路：对电介质的电结构作出简化假设，建立模型提出极化现象的微观机制确立描绘极化的相关物理量寻找极化相关规律电偶极子二、磁介质磁化的微观机制1、分子电流和分子磁矩ImP根据物质结构理论,分子中的电子绕核运动,同时又自旋。这两种运动都产生磁效应。把分子看作一个整体，分子中各个电子对外产生的磁效应的总和可用一个圆电流来等效。这个等效的圆电流称为分子电流,相应的磁矩pm称为分子的固有磁矩。分子电流--每个分子中电子运动所产生的磁效应的等效电流。分子磁矩--分子电流所产生的磁矩，mpmp又称为固有磁矩小环形电流x*BxoRInISPm3030π2π2xPxnISBmmpISBBpMm力图使的方向转向沿的方向mPB（1）顺磁质的磁化2、两种磁介质的磁化机制无外磁场时顺磁质分子磁矩不为零0mP)0(0B无外磁场：分子磁矩取向混乱物质并不显磁性0mp（1）顺磁质的磁化BpMmmpmp0B0B0mp有外磁场时加外磁场：分子固有磁矩受外磁场的作用分子磁矩沿外磁场方向排列产生与外磁场同向的附加磁场0'0BBBB顺磁效应（2）抗磁质的磁化无外磁场时抗磁质分子磁矩为零0mP加外磁场：分子中电子的轨道运动角速度将受到影响——引起与外磁场的方向相反的附加的轨道磁矩——出现与外磁场方向相反的附加磁场——磁感应强度比外磁场的度要略小一点。无外磁场：分子中每个的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和不为零，但分子的固有磁矩等于零，所以不显磁性。B0'BmI抗磁效应抗磁质磁化的微观机制evmPr0BffomP电子轨道半径不变)(mPmP当外场方向与电子轨道磁矩反方向时emPr0BfomPfmP)(mP当外场方向与电子轨道磁矩方向相同时电子轨道半径不变总结磁介质的磁化机制磁介质的极化机制分为:顺磁效应;抗磁效应抗磁效应在任何磁介质磁化中都存在,但抗磁效应是抗磁质唯一的磁化机制;顺磁效应是顺磁质独有的的磁化机制;在顺磁质中两种磁化机制均存在,顺磁效应强于抗磁效应,所以抗磁效应被掩盖了磁介质极化机制不同,但磁化的宏观效果相同在磁介质的内部或表面出现磁化电流磁介质中任一体积元内0imp磁化电流将在磁介质内外产生附加磁场如何研究磁介质的磁化？思路：对磁介质的电结构作出简化假设，建立模型提出磁化现象的微观机制确立描绘磁化的相关物理量寻找磁化相关规律分子电流顺磁效应抗磁效应？？寻找极化的规律?思路:一方面:电介质极化后,从原来的宏观上处处电中性变成出现了宏观的极化电荷,又表现为极化电荷面密度和极化电荷体密度的某种分布'q''q'另一方面:开始时:最终平衡时:'q会产生附加电场,于是在有电介质存在时,总电场应是外加电场与附加电场之和'E'E0EE外加电场引起极化0E总电场决定极化E'0EEE电介质中任一体积元内0,ip分极化前0,ip分极化后第三方面:寻找极化规律?EqP),(,'''，或三者之间的关系将引入P(反映描述极化的物理量之间的关系)规律一：极化强度与极化电荷的关系？电介质极化规律规律二：极化强度与电场强度的关系？寻找磁化的规律?思路:一方面:另一方面:'I会产生附加磁场,于是在有磁介质存在时,总磁场应是外加磁场与附加磁场之和'B'B0BB'0BBB磁介质中任一体积元内0,imp磁化前0,imp磁化后第三方面:寻找磁化规律?BIM,,'三者之间的关系将引入M(反映描述磁化的物理量之间的关系)在磁介质内部或表面会出现磁化电流规律一：磁化强度与磁化电流的关系？磁介质磁化的相关规律规律二：磁化强度与磁感应强度的关系？一、磁化强度任何磁介质中，任一体积元内0,imp磁化前0,imp磁化后1、定义-----++++mPV定义：介质中某一点的磁化强度矢量等于这一点处单位体积的分子磁矩的矢量和。VPMm),,(zyxMM一般情况:2米库仑单位：极化强度类比回顾电极化强度任何电介质中，任一体积元内0,ip分极化前0,ip分极化后1、定义-----++++ePV定义：介质中某一点的电极化强度矢量等于这一点处单位体积的分子电矩的矢量和。VPPe),,(zyxPP一般情况:2米库仑单位：关于电极化强度的说明电极化强度用来表征电介质极化程度的物理量；若电介质的电极化强度大小和方向相同，称为均匀极化；否则，称为非均匀极化。PP真空可以看作电介质的特例,其中各点的0P2、关于磁化强度的说明磁化强度用来表征磁介质磁化程度的物理量；若磁介质的磁化强度大小和方向相同，称为均匀极化；否则，称为非均匀极化。MM真空可以看作磁介质的特例,其中各点的0M顺磁质:磁化强度与磁场同向抗磁质:磁化强度与磁场反向Bo以通电螺线管内充满顺磁质为例，讨论磁化电流的形成。一块顺磁质放到外磁场中时,它的分子的固有磁矩要沿着磁场方向取向,如图所示。考虑和这些磁矩相对应的分子电流,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,结果相互抵消。只有在横截面边缘处，分子电流未被抵消,形成与横截面边缘重合的一层圆电流。这种电流叫做磁化电流。pm磁化电流二、磁化电流均匀介质在磁化时，出现磁化面电流。LR对磁化电流的理解:磁化电流是磁介质磁化后,由大量分子电流叠加形成的在宏观范围内流动的电流。磁介质非均匀磁化时，除表面出现宏观的磁化电流外，内部也有可能出现磁化电流对磁化电流的理解:形成磁化电流的每个电子被束缚在分子范围内运动，而传导电流是带电粒子宏观移动形成的，所以磁化电流又叫束缚电流磁化电流与传导电流分子电流运行并无阻力，因此磁化电流的运行也不受阻力，即磁化电流不会产生热效应不同之处：相同之处：两者的本质都是电荷的流动，因此都会产生磁场，即都有磁效应,并且所激发磁场的规律相同三、有磁介质存在时的磁场在外磁场作用下，磁介质被磁化，在磁介质的内部或表面出现磁化电流0B有磁介质存在时的磁场:BBB0对于顺磁质：同向与0'BB对于抗磁质：反向与0'BB0'BB0BB对于铁磁质：同向与0'BB'0,BB0BB注：若给定，在磁介质的磁化过程中，随着磁化电流的变化，以及会有相应的变化，达到平衡时总磁场将最终决定磁介质的磁化状况0BB'B产生附加磁场'B规律一：磁化强度与磁化电流的关系？磁介质磁化的相关规律规律二：磁化强度与磁感应强度的关系？四、磁介质的磁化规律1、磁化强度与磁化电流的关系)('内LLIldM若磁介质均匀磁化时，在磁介质表面出现磁化电流磁化强度与磁化面电流的关系磁化面电流密度'inMi'介质表面外法线单位矢量nMt=i介质表面磁化电流密度只决定于磁化强度沿该表面的切向分量,与法向分量无关，只存在于介质表面附近磁化强度有切向分量的地方。电流集中分布在无厚度的面上面电流定义面电流密度方向:与电流流动方向一致大小:与垂直的单位长度上的电流llI磁介质2、磁化强度与磁感应强度的关系1).引入0B当磁介质置于外磁场中,产生磁化现象,显然外磁场越强,磁化程度越高0B磁化由外磁场引起,但磁化强度并不仅由外电场决定0B?当磁介质置于外磁场中0B引起磁化产生磁化电流'i产生附加磁场'B总磁场变为'0BBB决定所以一般说来,介质的磁化强度矢量应由总磁场确定B'0BBB'IM'B磁化强度由总磁场决定磁介质种类繁多,性质各异,这种关系的形式不会统一,即对于不同的介质,与的关系不同MB2).磁化强度与磁感应强度的关系实验表明:对于线性磁介质BgM?g是一个与磁介质的性质有关的比例系数对于均匀磁介质:Cg对于各向同性磁介质:为标量g对于各向异性磁介质:个分量的二阶张量为有9g对于顺磁质：对于抗磁质：0g0grmg0研究内容：１．磁场对磁介质的作用2.磁介质对磁场的影响定性分析简单的定量计算:磁化现象第六章有磁介质存在时的磁场(对称性问题)对磁介质的电结构建立模型提出磁化现象的微观机制描绘磁化的物理量寻找其间关系:磁化的规律分子电流:顺磁质:顺磁效应:抗磁质:抗磁效应ImP磁化的宏观效果0imp0imp出现磁化电流产生附加磁场BIM,,')('内LLIldMBgM一、磁场对磁介质的作用:磁化现象有磁介质时稳恒磁场的基本方程真空中稳恒磁场的基本方程0B0d0SSBilIlB00d无源涡旋场磁介质0B有磁介质时稳恒磁场磁化电流与传导电流按同样规律激发稳恒磁场0d'SSB'0'dilIlB有磁介质时稳恒磁场的基本方程BBB00dSSB'00dilIIlB研究内容：１．磁场对磁介质的作用2.磁介质对磁场的影响定性分析简单的定量计算:磁化现象第六章有磁介质存在时的磁场(对称性问题)对磁介质的电结构建立模型提出磁化现象的微观机制描绘磁化的物理量寻找其间关系:磁化的规律分子电流:顺磁质:顺磁效应:抗磁质:抗磁效应ImP磁化的宏观效果0imp0imp出现磁化电流产生附加磁场BIM,,')('内LLIldMBgM一、磁场对磁介质的作用:磁化现象E'0EEE'nPˆ'P'E这种连环套的关系太复杂，物理学追求“和谐、对称、简洁！？电位移、介质中的高斯定理要‘精兵简政’回顾有电介质存在时的静电场有介质时高斯定理