第13章 磁介質(zhì)中的磁場

第13章磁介質(zhì)中的磁場◆本章學(xué)習(xí)目標(biāo)1．了解磁介質(zhì)對(duì)磁場的影響。2．理解磁介質(zhì)中安培環(huán)路定理的意義。3．了解鐵磁質(zhì)的一些特性?！舯菊陆虒W(xué)內(nèi)容1．磁介質(zhì)順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的磁化2．磁場強(qiáng)度磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理3．鐵磁質(zhì)◆本章教學(xué)重點(diǎn)了解磁介質(zhì)磁化的微觀機(jī)制的基礎(chǔ)上理解磁場強(qiáng)度的定義及其環(huán)路定理的意義。◆本章教學(xué)難點(diǎn)在磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理的實(shí)際應(yīng)用?！舯菊聦W(xué)習(xí)方法建議及參考資料本章的重點(diǎn)在于了解磁介質(zhì)磁化的微觀機(jī)制的基礎(chǔ)上理解磁場強(qiáng)度的定義及其環(huán)路定理的意義。要強(qiáng)調(diào)注意H是一個(gè)輔助物理量沒有直接的物理意義，H的環(huán)流只與傳導(dǎo)電流有關(guān)，但H本身一般不是僅由傳導(dǎo)電流決定；有介質(zhì)存在時(shí)安培環(huán)路定理是描述磁場性質(zhì)的基本定理之一，也是普遍的電磁場方程之一，要著重講解；對(duì)于鐵磁性介質(zhì)的討論以介紹磁化曲線的磁滯回線為主，適當(dāng)介紹磁疇。要求學(xué)生明確鐵磁質(zhì)的磁化率和磁導(dǎo)率不是常數(shù)。參考資料：程守洙《普通物理學(xué)》（第五版）、張三慧《大學(xué)物理基礎(chǔ)學(xué)》及馬文蔚《物理學(xué)教程》等教材。

§13.1磁介質(zhì)、順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的磁化一、磁介質(zhì)的磁化順磁質(zhì)（）、抗磁質(zhì)（）、鐵磁質(zhì)（）二、順磁質(zhì)的磁化分子磁矩，在分子中運(yùn)動(dòng)電子對(duì)外磁效應(yīng)的總和可以用一個(gè)等效的圓電流表示，稱為分子電流，其磁矩稱為分子磁矩。B0B在外場作用下順磁質(zhì)的磁化對(duì)于順磁性物質(zhì)，因?yàn)槠涿總€(gè)分子具有一不定期的固有磁矩，當(dāng)在外磁場作用時(shí)，各分子磁矩受到磁力矩的作用，固有磁矩將力圖轉(zhuǎn)動(dòng)外場方向來，這樣，其產(chǎn)生的與外場方向相同，B0B在外場作用下順磁質(zhì)的磁化當(dāng)分子的固有磁矩為零時(shí)，物質(zhì)顯示為抗磁性，當(dāng)分子的固有磁矩不為零時(shí)，因?yàn)?gt;>（固有磁矩遠(yuǎn)大于附加磁矩），雖然有抗磁性存在，但其作用太小，因而顯示為順磁性，所以說，抗磁性存在于一切磁介質(zhì)中。三、抗磁質(zhì)的磁化抗磁性是由于分子或原子內(nèi)部的電子軌道運(yùn)動(dòng)在外場的作用下進(jìn)動(dòng)的結(jié)果，抗磁性存在于一切磁介質(zhì)當(dāng)中。在外磁場作用下，電子除繞原子核運(yùn)動(dòng)和自旋外，還要以外場方向?yàn)檩S轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為電子的進(jìn)動(dòng)，不論電子的原來運(yùn)動(dòng)情況如何，如果面對(duì)著的方向來看，進(jìn)動(dòng)的轉(zhuǎn)向（電子動(dòng)量繞轉(zhuǎn)動(dòng)的方向）總是反時(shí)針的，電子的進(jìn)動(dòng)相當(dāng)于一個(gè)圓電流，因電子帶負(fù)電，其產(chǎn)生的附加磁矩的方向永遠(yuǎn)與反向，這即是抗磁性的機(jī)制。如下圖。iipmpPmB0epmpPmB0圖1在外磁場中電子的進(jìn)動(dòng)和附加磁場四、磁化強(qiáng)度矢量定義：單位體積內(nèi)分子磁矩的總和，即：；為分子磁矩單位：安培·米-1，代號(hào)安·米-1（A·m-1）

§13.2磁場強(qiáng)度介質(zhì)中的安培環(huán)路定理一、磁場強(qiáng)度磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理ILCDILCDAB（1）；Is為分子電流元引起的穿過閉合回路的分布電流。CDABa321設(shè)分子園電流的半徑為aCDABa321；則；（1）式可寫為：改寫為：（2）記為磁場強(qiáng)度，單位與相同。有：（3）（3）式即為磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定律，它說明：磁場強(qiáng)度沿任何回路的線積分，等于通過該回路的電流之和。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知：（4）xm為介質(zhì)的磁化率，xm>0為順磁質(zhì)，xm<0為抗磁質(zhì)。為相對(duì)磁導(dǎo)率，為磁導(dǎo)率。在介質(zhì)中，畢-薩定律形式為：和（4）說明：與一樣，是引進(jìn)的一個(gè)物理量。例如圖，求無限長同軸圓柱體問P和外面Q點(diǎn)的磁感強(qiáng)度。解：對(duì)介質(zhì)中的P點(diǎn)，作如圖所示回路有：RIIQPRIIQPr即：對(duì)介質(zhì)外的Q點(diǎn)，作回路2：有

§13.3鐵磁質(zhì)一、鐵磁質(zhì)的磁化性能1．磁疇在鐵磁質(zhì)內(nèi)部，原子問相互作用是非常強(qiáng)烈的，內(nèi)部形成一些小區(qū)域，叫做磁疇，在磁疇中，原子的磁矩排列的很整齊，因此它具有很強(qiáng)的磁性，稱為自發(fā)磁化，當(dāng)加上外場時(shí)，各磁疇中的磁矩沿外場取向，顯示出很強(qiáng)的磁性，其形狀如下圖。無外磁場對(duì)外不顯磁性有外磁場對(duì)外顯強(qiáng)磁性根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，磁疇的體積約為10-12m3，其中含有1012～1015無外磁場對(duì)外不顯磁性有外磁場對(duì)外顯強(qiáng)磁性2．磁化曲線：HBB=f(HHBB=f(H)O但對(duì)鐵磁質(zhì)，其線性關(guān)系即不存在了，下圖為鐵磁質(zhì)的磁化曲線，也叫初始磁化曲線。BHO12BHO1234Bmax由實(shí)驗(yàn)知，鐵磁質(zhì)的磁化和溫度有關(guān)，磁化能力與溫度升高而減小，當(dāng)達(dá)到某一溫度時(shí)，鐵磁質(zhì)就近化為順磁質(zhì)，這個(gè)溫度叫居里溫度或居里點(diǎn)，這是因?yàn)?，劇烈的分子熱運(yùn)動(dòng)破壞了磁疇。3．磁滯回線Br為剩余磁感強(qiáng)度，稱為剩磁（即H=0時(shí)，B=Br），Hc為矯頑力（B=0時(shí)，H=Hc）代表鐵樣質(zhì)抵抗去磁的能力。HBBmBrHmHcOabab磁滯現(xiàn)象是鐵磁質(zhì)的一個(gè)重要特性。如右圖所示，當(dāng)磁場從Hm開始減小時(shí)，B并不沿起始曲線0a減小，而是沿另一條曲線ab緩慢地減小，這種B的變化落后于H的變化現(xiàn)象叫做磁滯現(xiàn)象。由于磁滯的原因，當(dāng)磁場強(qiáng)度H減小到0時(shí)，B仍有一定的數(shù)值Br，Br稱為剩余磁感強(qiáng)度，簡稱剩磁。當(dāng)反向磁場增加到H=-Hc時(shí)，B等于0，這時(shí)鐵磁質(zhì)的剩磁消失了，HHBBmBrHmHcOabab鐵磁質(zhì)在交變電場中被反復(fù)磁化時(shí)，磁滯效應(yīng)是損耗能量的，所損耗的能量與磁滯回線所包圍的面積成正比。二、鐵磁質(zhì)的性質(zhì)和分類根據(jù)上面的實(shí)驗(yàn)可以看出鐵磁質(zhì)具有三條重要的性質(zhì)：性質(zhì)1：高值，即鐵磁質(zhì)的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于真空中的磁導(dǎo)率。性質(zhì)2：非線性，即鐵磁質(zhì)B與H之間不存在線性關(guān)系。性質(zhì)3：磁滯。三、鐵磁質(zhì)的應(yīng)用磁屏蔽在兩種介質(zhì)的交界面上，磁感應(yīng)強(qiáng)度經(jīng)折射發(fā)生變化，即發(fā)生磁感線（B線）折射，從而可能發(fā)生磁屏蔽，如圖為A為一個(gè)磁