chapter15_1

1、第十五章 磁介質(zhì) (Magnetic Medium),§1 順磁性和抗磁性§2 磁化強(qiáng)度和磁化電流§3 介質(zhì)中的磁場(chǎng) 磁場(chǎng)強(qiáng)度§4 鐵磁性,在電學(xué)中曾研究過(guò)電場(chǎng)使電介質(zhì)極化， 極化的電介質(zhì)又產(chǎn)生附加電場(chǎng)的過(guò)程本章將討論發(fā)生在磁現(xiàn)象中的相似過(guò)程,§1 順磁性和抗磁性,一、磁介質(zhì)及其分類(lèi),磁介質(zhì)： 凡處于磁場(chǎng)中與磁場(chǎng)發(fā)生作用的物質(zhì)都稱(chēng)為

2、磁介質(zhì),磁化電流：磁介質(zhì)物質(zhì)分子中的原子核和電子都在運(yùn)動(dòng)，它們受到外磁場(chǎng)的作用力要改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其結(jié)果是使磁介質(zhì)中出現(xiàn)宏觀(guān)的電流——磁化電流,磁化：磁介質(zhì)響應(yīng)外磁場(chǎng)而產(chǎn)生磁化電流的過(guò)程——磁化物質(zhì)的這種性質(zhì)被稱(chēng)為磁性,磁介質(zhì)應(yīng)用：制造磁芯材料作為功率器件應(yīng)用于發(fā)電和電機(jī)等領(lǐng)域制造信息存儲(chǔ)器件如磁帶、磁盤(pán)等,與電介質(zhì)相似，放入磁場(chǎng)中的磁介質(zhì)要和磁場(chǎng)發(fā)生相互作用，其情形是這樣的：,磁介質(zhì)在磁場(chǎng) 中被磁化，產(chǎn)生磁化電流，

3、磁化電流產(chǎn)生一附加磁場(chǎng),那么，空間任意一點(diǎn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 應(yīng)該是附加磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)的迭加,由于不同磁介質(zhì)有不同的磁化特性，它們磁化后所激發(fā)的附加磁場(chǎng)會(huì)有所不同，根據(jù) B 與 B0 大小關(guān)系將磁介質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)：,—— 相對(duì)磁導(dǎo)率,反映磁介質(zhì)對(duì)原場(chǎng)的影響程度,1、順磁質(zhì)：,2、抗磁質(zhì)：,3、鐵磁質(zhì)：,特點(diǎn)：激發(fā)的附加磁場(chǎng)極其微弱,與 相差很小,如錳、鉻等,如銅，汞、金等,如鐵、鎳、鈷等,在磁場(chǎng)中引入鐵磁質(zhì)，能顯著增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)

4、度,4、超導(dǎo)體:,完全抗磁性物質(zhì),磁介質(zhì)的分類(lèi),處在磁場(chǎng)中的不同磁介質(zhì)為什么會(huì)呈現(xiàn)上述不同的磁性？,,,,,通過(guò)前面的學(xué)習(xí)，知道任何物質(zhì)所表現(xiàn)的宏觀(guān)特性都是物質(zhì)內(nèi)部大量原子或分子特性的平均效果，因此研究物質(zhì)磁性應(yīng)該從物質(zhì)的微觀(guān)結(jié)構(gòu)去探討磁性的根源。,二、磁介質(zhì)磁性的微觀(guān)本質(zhì),首先研究物質(zhì)中單個(gè)原子的磁性,原子中電子的磁矩,原子內(nèi)的電子有著雙重運(yùn)動(dòng)，即整體的繞核運(yùn)動(dòng)和電子本身的自旋運(yùn)動(dòng),電子的這兩種運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生磁效應(yīng),電子繞核運(yùn)動(dòng)——軌

5、道運(yùn)動(dòng),當(dāng)電子以速率 v 在半徑為 r 的圓周上繞核旋轉(zhuǎn)時(shí)，猶如原子中存在一個(gè)閉合的小圓電流,是電子作軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁矩,—電子軌道磁矩,小圓電流可用磁矩來(lái)描述，記作,,L:電子軌道角動(dòng)量,電子為負(fù)電荷，電流繞向與電子運(yùn)動(dòng)方向相反，所以電子軌道角動(dòng)量方向與電子軌道磁矩的方向相反,,為電子軌道磁矩與電子軌道角動(dòng)量的一個(gè)重要關(guān)系,,表明：對(duì)于一個(gè)電荷系統(tǒng)，如果它具有角動(dòng)量， 就一定具有磁矩，這是因?yàn)榻莿?dòng)量是描述系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)的物理量，一個(gè)電荷系

6、統(tǒng)在轉(zhuǎn)動(dòng)，它就等效于一個(gè)圓電流，也就具有相應(yīng)的磁矩,電子自旋運(yùn)動(dòng),對(duì)于電子的自旋運(yùn)動(dòng)，也有相應(yīng)的角動(dòng)量和磁矩，分別稱(chēng)為自旋角動(dòng)量和自旋磁矩,用 和 表示,實(shí)驗(yàn)證明：,磁場(chǎng)中的核外電子,設(shè)想將一個(gè)正在繞核作圓周運(yùn)動(dòng)的電子放在外磁場(chǎng)中，,外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為,電子軌道角動(dòng)量,電子軌道磁矩,與電子作軌道運(yùn)動(dòng)所對(duì)應(yīng)的圓電流在磁場(chǎng)中受到的磁力矩為,用圖來(lái)表示,可見(jiàn)， 與 垂直，,由質(zhì)點(diǎn)的角動(dòng)量定理

7、 (外力矩等于固有角動(dòng)量的時(shí)間變化率),意味著：在磁力矩 作用下， 電子的軌道角動(dòng)量 方向不斷發(fā)生變化，由于 始終與 和 決定的平面垂直， 方向繞平行于磁場(chǎng)方向的某一固定軸發(fā)生于轉(zhuǎn)動(dòng),這一磁矩稱(chēng)為原子在外磁場(chǎng)中的感應(yīng)磁矩從圖上可以看出方向總是逆著外磁場(chǎng)方向,在外磁場(chǎng)作用下，電子的繞核運(yùn)動(dòng)的軌道平面， 整個(gè)地繞外磁場(chǎng)方向發(fā)生進(jìn)動(dòng)，即電子軌道平面的法線(xiàn)繞外磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng),其圖象為,

8、,,,,方向繞平行于磁場(chǎng)方向的某一固定軸發(fā)生于轉(zhuǎn)動(dòng),——進(jìn)動(dòng),其結(jié)果，使電子產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)動(dòng)，從而形成附加的磁矩,由磁矩定義,感應(yīng)磁矩也對(duì)應(yīng)一電流,這一電流產(chǎn)生的附加磁場(chǎng) 其方向也總是逆著外磁場(chǎng)方向,,,總是對(duì)應(yīng)一電流,,,,,,,L,,,,,,,,B,0,,在外磁場(chǎng)作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),電子軌道平面,,,,,,,L,,,,,,,,B,0,,在外磁場(chǎng)作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),,電子軌道平面,,,,,,,L,,,,

9、,,,,B,0,,在外磁場(chǎng)作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),,電子軌道平面,,,,,,,L,,,,,,,,B,0,,在外磁場(chǎng)作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),,電子軌道平面,,,,,,,L,,,,,,,,B,0,,在外磁場(chǎng)作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),,電子軌道平面,,,,,,,L,,,,,,,,B,0,,在外磁場(chǎng)作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),,電子軌道平面,,,,,,,L,,,,,,,,B,0,,在外磁場(chǎng)作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),,電子軌道平面,,,,,,L,,,,,

10、,,,B,0,,,在外磁場(chǎng)作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),,電子軌道平面,,,,,,L,,,,,,,,B,0,,,在外磁場(chǎng)作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),,電子軌道平面,,,,,,L,,,,,,,,B,0,,,在外磁場(chǎng)作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),,電子軌道平面,,,,,,,L,,,,,,,,B,0,,在外磁場(chǎng)作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),,電子軌道平面,,,,,,L,,,,,,,,B,0,,,在外磁場(chǎng)作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),,電子軌道平面,,磁介質(zhì)的順磁性和抗磁

11、性,a. 順磁質(zhì)的磁化機(jī)制 （順磁性）,若磁介質(zhì)的分子磁矩不為零，在未加外磁場(chǎng)時(shí)，由于各個(gè)分子磁矩的方向是完全混亂的，彼此抵消，宏觀(guān)上不產(chǎn)生磁效應(yīng)。,,,加上外磁場(chǎng)后，分子磁矩將不同程度地沿著外磁場(chǎng)方向排列起來(lái)，在宏觀(guān)上呈現(xiàn)出附加磁場(chǎng)，附加磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)有相同方向。,,主要是由分子磁矩規(guī)則取向形成——取向磁化,b. 抗磁質(zhì)的磁化機(jī)制（抗磁性）,,若磁介質(zhì)的分子磁矩為零未加磁場(chǎng)，宏觀(guān)不現(xiàn)磁性,,,加外磁場(chǎng)，在外磁場(chǎng)作用下介質(zhì)中的每個(gè)分子中

12、的電子因發(fā)生進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)磁矩，產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)方向與外磁場(chǎng)方向相反故削弱了外磁場(chǎng),主要是由分子產(chǎn)生感應(yīng)磁矩形成——感應(yīng)磁化,從導(dǎo)體橫截面看，導(dǎo)體內(nèi)部分子電流兩兩反向，相互抵消。導(dǎo)體邊緣分子電流同向,未被抵消的分子電流沿著柱面流動(dòng) 。,分子電流可等效成磁介質(zhì)表面的磁化電流 Is， Is產(chǎn)生附加磁場(chǎng)。,磁介質(zhì)在外磁場(chǎng)中發(fā)生的上述微觀(guān)過(guò)程，會(huì)使介質(zhì)內(nèi)或介質(zhì)表面出現(xiàn)宏觀(guān)電流，這個(gè)電流不是自由電子的長(zhǎng)距離漂移運(yùn)動(dòng)所致，而是由規(guī)則排列的分子電流組成，

13、就好象是不同分子中的束縛電子的“接力”運(yùn)動(dòng)，故稱(chēng)束縛電流，也稱(chēng)磁化電流。,以上就是所討論的磁介質(zhì)磁性的微觀(guān)機(jī)制,以后研究介質(zhì)磁性和介質(zhì)中磁場(chǎng)的規(guī)律，可以不再分析介質(zhì)磁化的微觀(guān)細(xì)節(jié)，而是將每個(gè)介質(zhì)分子用具有相同磁矩的“分子圓電流”來(lái)代替。并假設(shè)“分子圓電流”的電流強(qiáng)度為I，截面積為S，對(duì)應(yīng)的分子磁矩為,為“分子圓電流”平面的法向單位矢量,其方向與“分子圓電流”方向構(gòu)成右手螺旋系,,§2 磁化強(qiáng)度和磁化電流,在研究電介質(zhì)

14、極化時(shí)，不涉及電極化的微觀(guān)過(guò)程，引入一個(gè)宏觀(guān)物理量——極化強(qiáng)度 來(lái)描述介質(zhì)的極化程度,仿照在研究介質(zhì)極化時(shí)采用的方法，對(duì)于磁介質(zhì)，同樣不涉及磁化的微觀(guān)過(guò)程，只引用一個(gè)宏觀(guān)物理量來(lái)描述介質(zhì)的磁化程度,1、磁化強(qiáng)度,定義: 磁介質(zhì)中單位體積內(nèi)分子磁矩的矢量和，記作,在介質(zhì)中任取一體積元,代表 內(nèi)第個(gè) i 分子的磁矩,說(shuō)明,單位：安/米，A/m,方向：與分子磁矩矢量和同向。,a.

15、 體積元宏觀(guān)足夠小，微觀(guān)足夠大,b. 可以反映介質(zhì)中任一點(diǎn)磁化程度，所以 應(yīng) 是磁介質(zhì)內(nèi)空間各點(diǎn)的位置函數(shù),若在某介質(zhì)內(nèi)各點(diǎn)的都相同，則稱(chēng)為均勻磁化,c. 對(duì)于順磁質(zhì)：,方向與 同,方向與 反,對(duì)于抗磁質(zhì)：,(ii) 真空中,d. 注意 (i) 無(wú)外磁場(chǎng) 時(shí)，介質(zhì)中,是指分子附加磁矩，,方向與 反,2、磁化電流,在電介質(zhì)極化時(shí)出現(xiàn)附加電場(chǎng)，是由極化電荷貢獻(xiàn)的，極化電荷面密度

16、與極化強(qiáng)度有關(guān)。,在磁介質(zhì)磁化時(shí)出現(xiàn)附加磁場(chǎng)，是由磁化電流產(chǎn)生的，磁化電流是如何分布的？磁化電流線(xiàn)密度與磁極化強(qiáng)度有什么關(guān)系呢？,總效果：在磁介質(zhì)表面形成磁化電流,：代表分子圓電流,均勻、各向同性的順磁質(zhì),?,斜柱體總磁矩：,想象從磁介質(zhì)表面處挖出一小的斜柱體,根據(jù)定義：,磁化電流線(xiàn)密度,,或,,已知磁化強(qiáng)度求磁化電流：,在兩種磁介質(zhì)的界面處情況如何？,對(duì)比電介質(zhì)學(xué)習(xí),磁化強(qiáng)度,磁化強(qiáng)度與磁化電流的關(guān)系,極化強(qiáng)度,,電介質(zhì),磁介質(zhì)