電介質(zhì)與磁介質(zhì)

1、9 電介質(zhì)與磁介質(zhì)電介質(zhì)與磁介質(zhì) r 電介質(zhì)的相對介電常數(shù)電介質(zhì)的相對介電常數(shù)1r電介質(zhì)電介質(zhì): :能夠?qū)ν怆妶霎a(chǎn)生影響的絕緣物質(zhì)能夠?qū)ν怆妶霎a(chǎn)生影響的絕緣物質(zhì)實驗實驗0uucrEE0比值與電源電壓無關(guān)比值與電源電壓無關(guān)磁介質(zhì)磁介質(zhì): :能夠在磁場中顯示磁性的物質(zhì)。能夠在磁場中顯示磁性的物質(zhì)。電介質(zhì)電介質(zhì)云母、紙張、蒸云母、紙張、蒸餾水等。餾水等。磁介質(zhì)磁介質(zhì)鋁、錳、銅、鉍、鋁、錳、銅、鉍、鐵、鎳、硅鋼等。鐵、鎳、硅鋼等。1. 1. 電介質(zhì)極化現(xiàn)象：電介質(zhì)極化現(xiàn)象：v充電充電插入電介質(zhì)插入電介質(zhì)uuc更換電源更換電源ruu0更換介質(zhì)更換介質(zhì)比值與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)比值與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān) 充電后極板上電荷

2、未變，而插入介質(zhì)后電場變化充電后極板上電荷未變，而插入介質(zhì)后電場變化. .分析分析在外電場作用下，介質(zhì)中出現(xiàn)電荷集聚的現(xiàn)象在外電場作用下，介質(zhì)中出現(xiàn)電荷集聚的現(xiàn)象極化現(xiàn)象極化現(xiàn)象。聚集起來的電荷稱為聚集起來的電荷稱為極化電荷。極化電荷。說明說明介質(zhì)中產(chǎn)生了電荷集聚，其電場削弱了介質(zhì)中的電場。介質(zhì)中產(chǎn)生了電荷集聚，其電場削弱了介質(zhì)中的電場。2. 2. 電介質(zhì)的極化機理：電介質(zhì)的極化機理：無極分子與有極分子無極分子與有極分子無極分子：無極分子：正負電荷中心重合。正負電荷中心重合。有極分子：有極分子：正負電荷中心不重合。正負電荷中心不重合。特點：特點：無固有的電偶極子。無固有的電偶極子。特點：特點：

3、有固有的電偶極子。有固有的電偶極子。無極分子無極分子有極分子有極分子 + + - -lqp0pHHHHC4CH0104HHOOH2v無外場時無外場時(無極分子電介質(zhì)無極分子電介質(zhì))(有極分子電介質(zhì)有極分子電介質(zhì))整體對外不顯電性整體對外不顯電性（熱運動）（熱運動）位移極化與取向極化位移極化與取向極化v有外場時有外場時0Ep位位移移極極化化0Ep取取向向極極化化 無極分子電介質(zhì)無極分子電介質(zhì) 有極分子電介質(zhì)有極分子電介質(zhì)束束縛縛電電荷荷束束縛縛電電荷荷r說明說明兩種極化的宏觀效果一樣。兩種極化的宏觀效果一樣。極化電場與外電場方向相反。極化電場與外電場方向相反。各向同性的均勻介質(zhì)中極化電荷僅出現(xiàn)在

4、介質(zhì)的表面處。各向同性的均勻介質(zhì)中極化電荷僅出現(xiàn)在介質(zhì)的表面處。00 0EEE極化電荷的電場不能完全抵消外電場，除非介質(zhì)被擊穿。極化電荷的電場不能完全抵消外電場，除非介質(zhì)被擊穿。取向極化中也有位移極化。取向極化中也有位移極化。3.3.電介質(zhì)中的高斯定理電介質(zhì)中的高斯定理v各向同性介質(zhì)各向同性介質(zhì)01EEr內(nèi)qSE0001d內(nèi)001dqSEr01d內(nèi)qSEr0電介質(zhì)的介電常數(shù)或電容率電介質(zhì)的介電常數(shù)或電容率1r2r0r定義定義 電位移矢量：電位移矢量：inSSqSD0d說明說明 ：(介質(zhì)中高斯定理的一般性公式。介質(zhì)中高斯定理的一般性公式。)ED(2) 公式公式2適用任何電介質(zhì)。適用任何電介質(zhì)。(

5、3) D不受極化電荷影響不受極化電荷影響, ,在介質(zhì)內(nèi)連續(xù)。在介質(zhì)內(nèi)連續(xù)。+- - - - - - - - -+- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -DE r 公式公式1 1適用各向同性的均勻電介質(zhì)適用各向同性的均勻電介質(zhì). .并且要求電介質(zhì)充滿并且要求電介質(zhì)充滿 電場所在的整個空間電場所在的整個空間, ,或介質(zhì)面為等勢面的情況。或介質(zhì)面為等勢面的情況。（各向同性介質(zhì)）（各向同性介質(zhì)）ED（各向異性介質(zhì)）（各向異性介質(zhì)）PED0解：解：此題為各向同性均勻介質(zhì)，介質(zhì)此題為各向同性均勻介質(zhì)，介質(zhì)面為等勢面，應(yīng)用高斯定理時，將面為等勢面，應(yīng)用高斯定理時，將 換

6、為高斯面所在的介質(zhì)中換為高斯面所在的介質(zhì)中 ，就無須考慮束縛電荷的存在。就無須考慮束縛電荷的存在。例例 導體球殼置于均勻各向同性介質(zhì)中導體球殼置于均勻各向同性介質(zhì)中, ,如圖示如圖示. .求求 (1)電電場的分布場的分布 (2)緊貼導體球表面處的極化電荷緊貼導體球表面處的極化電荷R1R21r2rR0+Q0rPV每個分子的電每個分子的電偶極矩偶極矩VpPii定義：定義：極化強度矢量極化強度矢量電偶極子排列愈有序，極化強度愈強。電偶極子排列愈有序，極化強度愈強。0) (100QQSES d) (14002QQEr ) (41020QQrE 01)11(QQr R1R21rR0+Q0rE)(4102

7、100RrRrQr )(4212200RrRrQr )(42200rRrQ )11(1r )(00Rr 例例 平行板電容器，其中充有兩種均勻電介質(zhì)。平行板電容器，其中充有兩種均勻電介質(zhì)。求求 各電介質(zhì)層中的場強各電介質(zhì)層中的場強AB1d2d1S2S12解解 做一個圓柱形高斯面做一個圓柱形高斯面1S內(nèi)）11(dSiSqSD111SSD1D同理，做一個圓柱形高斯面同理，做一個圓柱形高斯面2S2D11E22E222SSDBArEud1211021ddddddrErE2211ddroro(1) 各電介質(zhì)層中的場強不同各電介質(zhì)層中的場強不同(2) 相當于電容器的串聯(lián)相當于電容器的串聯(lián)122121ddSu

8、qC11uqC11dS22uqC22dS21111CCC122121ddSCr討論討論電介質(zhì)放入外場電介質(zhì)放入外場roIN0E0EEE0EErEE10相對介電常數(shù)相對介電常數(shù)磁介質(zhì)放入外場磁介質(zhì)放入外場0B0BBB0BB?rBB0相對磁導率相對磁導率r 反映磁介質(zhì)對原場的影響程度反映磁介質(zhì)對原場的影響程度 4.4.磁介質(zhì)的磁化磁介質(zhì)的磁化磁介質(zhì)放入外磁場中，產(chǎn)生附加磁場，使介質(zhì)內(nèi)的總磁場發(fā)磁介質(zhì)放入外磁場中，產(chǎn)生附加磁場，使介質(zhì)內(nèi)的總磁場發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做生變化的現(xiàn)象叫做磁介質(zhì)磁化。磁介質(zhì)磁化。 1r抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)1r順磁質(zhì)順磁質(zhì)1r鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)抗、順磁質(zhì)為抗、順磁質(zhì)為弱磁弱磁性物質(zhì)。性物質(zhì)。鐵

9、磁質(zhì)為鐵磁質(zhì)為強磁性物質(zhì)強磁性物質(zhì)抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)0mp對外不顯磁性對外不顯磁性順磁質(zhì)順磁質(zhì)0mp由于熱運動，對外也不顯磁性由于熱運動，對外也不顯磁性v無外磁場作用時無外磁場作用時5.5.磁介質(zhì)磁化的微觀機理磁介質(zhì)磁化的微觀機理分子中電子分子中電子繞核運動繞核運動和和電子本身電子本身自旋運動自旋運動等效圓電流等效圓電流（分子電流分子電流）（分子磁矩分子磁矩）順磁質(zhì)與抗磁質(zhì)順磁質(zhì)與抗磁質(zhì)鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)磁性物質(zhì)的組合體磁性物質(zhì)的組合體（磁疇磁疇）鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)由于熱運動，對外也不顯磁性由于熱運動，對外也不顯磁性每個磁疇區(qū)的每個磁疇區(qū)的0mp束縛電流束縛電流0B以無限長螺線管為例以無限長螺線管為例順順磁磁質(zhì)

10、質(zhì)0I0ISI在磁介質(zhì)內(nèi)部的任一處，在磁介質(zhì)內(nèi)部的任一處，相鄰的分子環(huán)流的方向相相鄰的分子環(huán)流的方向相反，互相抵消。反，互相抵消。在磁介質(zhì)表面處各點，分在磁介質(zhì)表面處各點，分子環(huán)流未被抵消，形成沿子環(huán)流未被抵消，形成沿表面流動的面電流表面流動的面電流束縛電流束縛電流(磁化電流磁化電流)結(jié)論：結(jié)論：介質(zhì)中的磁場由傳導電流和束縛電流共同產(chǎn)生。介質(zhì)中的磁場由傳導電流和束縛電流共同產(chǎn)生。sI6.6.磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理介質(zhì)內(nèi)可能有磁化電流。介質(zhì)內(nèi)可能有磁化電流。lLIlB000d由由0BBr定義定義lrLIlB00d00uurr- 介質(zhì)磁導率。介質(zhì)磁導率。0dIulBL各向同性

11、的磁介質(zhì)（弱磁性物質(zhì)）各向同性的磁介質(zhì)（弱磁性物質(zhì)）各向異性的磁介質(zhì)（弱磁性物質(zhì)）各向異性的磁介質(zhì)（弱磁性物質(zhì)）0BBr介質(zhì)上的束縛電流和磁化程度有關(guān)。介質(zhì)上的束縛電流和磁化程度有關(guān)。 0IlHLdBH磁場強度磁場強度VpMm磁偶極子排列愈有序，磁化強度絕對值越大。磁偶極子排列愈有序，磁化強度絕對值越大。理論可證明：理論可證明：slIldMMBH0由由M定義：定義：磁化強度矢量磁化強度矢量oslIIldB000IldMBl）（定義：定義：磁場強度：磁場強度：0IldHl歷史上對磁場強度和磁歷史上對磁場強度和磁感應(yīng)強度命名雖不大合感應(yīng)強度命名雖不大合適，但一直沿用至今。適，但一直沿用至今。每個分

12、子磁矩每個分子磁矩MBH0r討論討論各向同性磁介質(zhì)：各向同性磁介質(zhì)：BH上式是介質(zhì)中安培環(huán)路定理的一般性公式。上式是介質(zhì)中安培環(huán)路定理的一般性公式。各向異性磁介質(zhì)：各向異性磁介質(zhì)：H線不受磁介質(zhì)的影響。定義磁場強度后，應(yīng)用安培環(huán)路定線不受磁介質(zhì)的影響。定義磁場強度后，應(yīng)用安培環(huán)路定理時，無須考慮磁介質(zhì)和磁化電流的存在。理時，無須考慮磁介質(zhì)和磁化電流的存在。鐵磁質(zhì)中鐵磁質(zhì)中HB 不是線性關(guān)系。不是線性關(guān)系。HB HrBHor比較比較 磁介質(zhì)的磁化所產(chǎn)生的附加磁場磁介質(zhì)的磁化所產(chǎn)生的附加磁場可以與原磁場方向相同，也可以相可以與原磁場方向相同，也可以相反。而電極化產(chǎn)生的附加電場只能反。而電極化產(chǎn)生的附加電場只能與原電場方向相反。與原電場方向相反。 磁介質(zhì)有磁滯現(xiàn)象，電介質(zhì)磁介質(zhì)有磁滯現(xiàn)象，電介質(zhì)無此概念。無此概念。例例 如圖所示的環(huán)形螺線管內(nèi)，充滿相對磁導率為的磁介質(zhì)，如圖所示的環(huán)形螺線管內(nèi)，充滿相對磁導率為的磁介質(zhì)，以以I0表示傳導電流，管上均勻地繞有表示傳導電流，管上均勻地繞有N匝線圈。試求螺線管內(nèi)匝線圈。試求螺線管內(nèi)各點的磁感應(yīng)強度。各點的磁感應(yīng)強度。 ro0IN解解 以半徑以半徑R作一圓形閉合回路，根據(jù)對作一圓形閉合回路，根據(jù)對稱性及磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定