第十二章 磁介质中的磁场

第十二章磁介质中的磁场(MagneticFieldinMagneticMedium)本章讨论：磁场对磁介质的作用磁介质对磁场的影响§12-1磁介质及其磁化(magnetization)磁介质：能影响磁场的物质。原来不具有磁性的磁介质放在磁场中，由于受磁场的作用很快显示出磁性，称为磁化。磁化后的磁介质产生附加磁场，从而改变空间原有磁场的分布。BBB0由于B´的不同，磁介质可以分为：BBB0顺磁质：B´与B0同方向，且B´B0（约为几十万分之一），BB0，如铝、锰、铬、氮和氧等。抗磁质：B´与B0反方向，且B´B0（约为几十万分之一），BB0，如汞、铅、铜、硫及氢等。铁磁质B´与B0同方向，且B´B0，如铁、钴、镍及其合金等。强磁性物质：弱磁性物质磁介质磁化的微观机制大量研究表明，磁场起源于电流。如果一种物质能改变磁场，就应该用物质内部的电流来解释这种改变。对原子、分子的内部任一电子，电子绕核运动、电子自旋运动都等效一个环形电流，因而能产生磁效应。各个电子对外界产生的磁效应的总和，可用一个等效的环形电流（圆电流）表示，称为分子电流，它具有一定的磁矩，称为分子磁矩，用Pm表示。分子电流(molecularcurrent)、分子磁矩(molecularmagneticmoment)1、分子电流分子中电子有轨道运动、自旋运动分子中所有电子的运动形成分子电流(可看成是一个小的载流圆线圈)。2.分子磁矩(1)电子的轨道磁矩：轨道半径---r(圆轨道)、电子速率---、轨道电流I，电子的轨道磁矩222evrrrevISpel电子的轨道角动量(圆轨道)L=mr，m--电子质量电子轨道磁矩与轨道角动量的关系(2)电子自旋磁矩实验证明：电子有自旋(内禀)运动，相应有自旋磁矩(spinmagneticmomemt)，大小为(3)分子磁矩p核-核(自旋)磁矩(约为电子磁矩的1/2000倍),分子磁矩是分子中所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩及所有核磁矩的矢量和。elpelpmp电子轨道运动的磁矩与角动量PmLe顺磁质的磁化1.顺磁质(如铝、铂、氧)无外磁场时，pm≠0，pm称固有磁矩(intrinsicmagneticmoment)但由于热运动，pm取向混乱，ΔV内pm=0(ΔV是宏观上看很小、微观上看很大的一个小体积，内部有大量分子)2.顺磁质的顺磁性有外磁场时，pm因受力矩而沿外磁场取向，ΔV内pm≠0,外磁场越强|pm|越大。pm取向后，产生附加磁场B'(B0为外磁场)此即顺磁质的顺磁性，p分取向则是顺磁性的来源。顺磁质除有顺磁性外还有抗磁性：(1)外磁场对电子轨道运动的作用当分子处于外磁场中时，电子的轨道运动会受一力矩根据角动量定理在力矩作用下，L绕B0进动(旋进)。(2)附加磁矩由于进动，电子产生了附加磁矩Δpm。不管电子轨道运动方向如何，所产生的附加磁矩总与外磁场方向相反(见图)。对自旋磁矩、核磁矩，在外磁场中也会产生附加磁矩。(3)感生磁矩Δp感(inducedmagneticmomemt)感生磁矩：分子中所有附加磁矩的矢量和。Δp感总与外磁场方向相反，此即抗磁性的来源。(4)顺磁质的抗磁性可以忽略抗磁质的磁化1.抗磁质：如铋、汞、铜、氢。对抗磁质分子，其所有电子和核的磁矩的矢量和为零，没有固有磁矩(pm=0)只有感生磁矩Δp感。2.抗磁质表现为抗磁性对抗磁质(B0为外磁场)§12-2磁化强度(magnetization)、磁化电流(magnetizationcurrent)用磁化强度来描写磁化的强弱。1.定义：单位体积内分子磁矩的矢量和对顺磁质，pm可以忽略；对于抗磁质，pm＝0，对于真空，M＝0。2.磁化强度随磁场增强而增大对顺磁质、抗磁质均如此VppMmm单位：A/m磁介质磁化后，在磁介质体内和表面上可出现磁化电流1.面磁化电流n-磁介质表面的外法线方向的单位矢量(方向：由磁介质体内指向体外)2.体磁化电流在均匀各向同性磁介质内部，不管磁场是否均匀，在没有传导电流的地方，也没有体磁化电流。ssmSlSlVpMSInMs§12-3磁介质中的磁场磁场强度(magneticfieldintensity)有磁介质后，空间任一点的磁场B0-传导电流产生的磁场B'-磁化电流产生的磁场出现“欲求B需先知道B”的问题，引入一辅助的物理量：磁场强度。在磁场中任取一环路L，它套住的电流有：传导电流和磁化电流。由安培环路定理：引入磁场强度H的环路定理：沿任一闭合路径H的环量等于此闭合路径环绕的传导电流的代数和。H的环量只和传导电流有关，但H既和传导电流又和磁化电流有关。B、H、M的关系一般关系对各向同性的非铁磁质(1)M和H的关系:由实验：M=mH,m磁化率(magneticsusceptibility)对弱磁性物质|m|1,m0(对顺磁质),m0(对抗磁质)说明：顺磁质M、H同向；抗磁质M、H反向(2)B和H的关系由和M=mH引入相对磁导率(ralativepermeability）r=1+m磁导率(permeability)＝0r可见，对各向同性顺磁质和抗磁质都有B和H同向,B和H是线性关系有磁介质时磁场的计算计算步骤ss§12-5铁磁质(ferromagneticmaterial)基本特点：m1；Ｂ－Ｈ关系为非线性，即不是常量，与H有复杂的函数关系；H随外场而变，它的变化落后于外磁场的变化，外场消失后，磁性仍能保持。（磁滞(hysteresis)现象）在一定的温度（居里点）磁性发生突变。宏观实验曲线1.起始磁化曲线(initialmagnetizationcurve)：铁磁质从未磁化到达到磁饱和的这段B-H关系曲线。2.磁滞回线(hysteresisloop)磁滞损耗(hysteresisloss)：铁磁质在交变磁场中工作时有发热损耗磁畴(magneticdomain)---铁磁质中存在的自发磁化的小区域(线度～10-4m)。在一个磁畴中，约有1012～1015个原子，所有这些原子的磁矩(铁磁质中起主要作用的是电子的自旋磁矩)可以不靠外磁场而通过一种量子力学效应(交换耦合作用)取得一致方向。磁滞损耗磁滞损耗(hysteresisloss)：铁磁质在交变磁场中工作时有发热损耗。原因：磁畴反复变向时，由磁畴壁摩擦引起。铁磁质的磁化(1)未加磁场时各磁畴的磁矩的取向混乱铁磁质宏观不显磁性(2)加外磁场后作用：磁畴的磁矩转向磁畴的体积变化(磁矩和B0方向相近的磁畴体积增大；和B0方向夹角大的磁畴体积减小)结果：铁磁质磁化B0为一定值后，所有磁畴的磁矩均指同一方向---铁磁质达磁饱和(magneticsaturation)居里温度Tc，又称居里点(Curiepoint)：当TTc时，铁磁性消失，铁磁质→顺磁质（Fe：1040k，Co：1390k，Ni：630k）原因：磁畴瓦解