物理新編-02電學(xué)第2章穩(wěn)定電流磁場

§2-2-7磁介質(zhì)的磁場一、磁介質(zhì)的磁化1、磁化由于物質(zhì)的分子(或原子)中存在著運(yùn)動(dòng)的電荷，所以當(dāng)物質(zhì)放在磁碭中時(shí)，其中的運(yùn)動(dòng)電荷將受到磁力的作用而使物質(zhì)處于一種特殊的狀態(tài)中，這種現(xiàn)象叫做磁化。磁化后的物質(zhì)反過來又對(duì)磁場產(chǎn)生影響，我們稱這種能影響磁場的物質(zhì)為磁介質(zhì)。2、磁介質(zhì)分類設(shè)沒有磁介質(zhì)時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bo，附加磁場為B’，則磁介質(zhì)中的總磁感應(yīng)強(qiáng)度B

是Bo

和B’

的迭加，即：B=Bo

+B’

(1)非磁性物質(zhì)

順磁質(zhì)：B>Bo

介質(zhì)中磁場增大例如：錳、鉻、鉑、氮、氧等等。

抗磁質(zhì)：B<Bo

介質(zhì)中磁場減小例如：水銀、銅、、硫、氯、銀等等。以上這兩類磁介質(zhì)的附加磁場B’

的值都非常小(一般只有Bo

的十萬分之幾)。(2)磁性物質(zhì)(鐵磁質(zhì))

一些磁介質(zhì)，如鐵、鎳、鈷等，磁化后不僅附加磁場B’

的方向與Bo

相同，而且B’

的值要比Bo

大許多，因而這類物質(zhì)能顯著地增強(qiáng)和影響磁場，通常稱它們?yōu)榇判晕镔|(zhì)(或鐵磁質(zhì))。3、定性解釋分子電流：任何物質(zhì)的分子中，每個(gè)電子都在作環(huán)繞原子核的軌道運(yùn)動(dòng)，它們都可看成是一個(gè)很小的圓形電流，具有一定的磁矩，電子本身還有自旋，自旋也有磁矩，它們都要產(chǎn)生磁效應(yīng)。如果把分子為一個(gè)整體，每個(gè)分子中各個(gè)電子對(duì)外界產(chǎn)生的磁效應(yīng)的總和可以用一個(gè)等效的圓電流來表示，叫做分子電流。這些分子電流所具有的磁矩pm

叫做分子磁矩。分子磁矩?zé)o外磁場時(shí)：一些磁介質(zhì)分子，分子磁矩pm

=0；另一些磁介質(zhì)分子，分子磁矩pm

0，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，分子磁矩取向各不相同，整個(gè)介質(zhì)不顯磁性。有外磁場時(shí)：(1)分子磁矩轉(zhuǎn)向一致，產(chǎn)生一個(gè)與外磁場

Bo

方向一致的附加磁場B’。(2)電子磁矩的附加磁矩Δpm

與外磁場Bo

方向相反，它又將產(chǎn)生一個(gè)與外磁場Bo

方向相反的附加磁場B’

。ΔpmBopmvfeipm與Bo同向BopmvfeiΔpmpm與Bo反向結(jié)論：不論電子磁矩與外磁場的方向一致或者相反，加上外磁場后總是產(chǎn)生一個(gè)與外磁場Bo

方向相反的附加磁矩Δpm，它將產(chǎn)生一個(gè)與外磁場方向相反的附加磁場B’?？勾刨|(zhì)：當(dāng)無外磁場時(shí)，分子中電子磁矩相互抵消，分子磁矩總和

pm=0。

在加上外磁場后，不存在分子磁矩轉(zhuǎn)向的效應(yīng)，外磁場引起的附加磁矩Δpm是這類介質(zhì)磁化的唯一原因。所以附加磁場B’

與外磁場Bo

方向相反。順磁質(zhì)：在無外磁場時(shí)，各個(gè)電子的磁效應(yīng)不相互抵消，因而存在一個(gè)永久的分子電流，且分子磁矩pm

0。當(dāng)存在外磁場時(shí)，外磁場在電子上也引起附加磁矩。但分子固有磁矩

pm

比電子附加磁矩的總和Δpm

大得多，以致Δpm

可以忽略不計(jì)。這樣，順磁質(zhì)在磁場中的磁化主要是由于pm

的取向作用所引起。因此其附加磁場B’

與外磁場Bo

方向一致。二、磁化強(qiáng)度1、磁化強(qiáng)度矢量

M

單位體積內(nèi)分子磁矩的矢量和，即：M=Σi

pmi/ΔV其中：ΔV為在磁介質(zhì)內(nèi)取一個(gè)宏觀體積元，

Σi

pmi

為體積元內(nèi)所有分子磁矩pmi

的矢量和。在SI制中，磁化強(qiáng)度M的單位是安培/米(A/m)。2、磁化強(qiáng)度M

與束縛電流I’的關(guān)系∮LM·dl=Σ(L內(nèi))I’束縛電流(磁化電流)：由于磁介質(zhì)在外磁場磁化下產(chǎn)生的電流。一般在磁介質(zhì)的表面上，它是分子內(nèi)的電荷運(yùn)動(dòng)一段段接合而成的，不同于金屬中自由電子定向運(yùn)動(dòng)形成的傳導(dǎo)電流。自由電流：金屬中的傳導(dǎo)電流，以及其他由電荷的宏觀移動(dòng)形成的運(yùn)流電流。B0si...I..si++++++磁化面電流l傳導(dǎo)電流.束縛電流(磁化電流)形成機(jī)理示意圖三、磁介質(zhì)中安培環(huán)流定理：∮L

B·dl=μoΣI=μoΣIo+μoΣI’式中ΣIo

和ΣI’分別是穿過安培環(huán)路L的自由電流和束縛電流的總和。因?yàn)椤覮M·dl=ΣI’消去ΣI’整理得：∮L(B/μo-M)·dl=ΣIo定義：磁場強(qiáng)度

MagnetizingfieldH=B/μo-M

得：∮L

H·dl=ΣIo∮L

H·dl=ΣIo此式說明沿任一閉合路徑磁場強(qiáng)度的環(huán)流等于該閉合路徑所包圍的自由電流的代數(shù)和，這一關(guān)系叫做安培環(huán)流定理。物理意義：磁場

H

是有旋場，非保守場B、H、M三者之間關(guān)系：M=m

H式中m

稱為物質(zhì)的磁化率，磁化率m

表示介質(zhì)對(duì)于外界磁場的反應(yīng)，并且與介質(zhì)的原子和分子的性質(zhì)有關(guān)。H=B/μo-MM=m

HB=μo(H+M)=μo(H+m

H)=μo(1+m)H=μoμr

H

B=μH介質(zhì)的磁導(dǎo)率：μ=μoμr=μo(1+m)

相對(duì)磁導(dǎo)率：μr=1+m

一般順磁性和抗磁性物質(zhì)的m<<1小很多，所以μr=1+m

1。順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的磁化率和磁導(dǎo)率都與H無關(guān)的常數(shù)；

鐵磁質(zhì)的情況很復(fù)雜，一般說來M

和H

不成比例，甚至沒有單值關(guān)系，即

M

的值不能由H