赵凯华-电磁学-第三版-第六章----磁介质---68pages

第六章磁介质作业：p3883,4,5物质处在外磁场中，在外磁场作用下能发生变化，并能反过来影响外磁场的媒质叫做磁介质。各种物质都是磁介质在外磁场作用下磁介质出现磁性或磁性发生变化的现象称为磁化导引概念§1分子电流观点2、用分子电流观点解释磁化现象1.1、介质的磁化1.介质与磁场的作用（与电场比较）磁介质磁场的产生磁场对磁介质的作用→对物质电流的作用→物质的电流（磁结构）→？（1）历史上首先形成的解释磁化的观点:磁荷观点(a)认为磁场由磁荷产生，磁介质同电介质；(b)该观点不符合现代物质结构；(c)但可用于计算（简单）；可解释磁化现象（如退磁）。（2）分子电流观点（讲授）（自学）电介质电场的产生电场对电介质的作用→本质上是对电介质电荷的作用→物质的电结构→电偶极子组成磁介质分子的原子核、电子组成的复杂带电系统。由于电子、原子核的运动，分子有一个等效电流i,相应有一个分子等效磁矩aim分分(2)分子电流观点是各个的电子轨道磁矩、电子自旋磁矩、原子核磁矩的总和。分i分ma按照量子力学的观点：分m（a）分子等效磁矩无外场时：各分子的磁矩取向杂乱无章，宏观对外不显磁性（无磁场）分子具有固有磁矩，称为顺磁质（b）按分子等效磁矩特性进行磁介质分类,0m0B0分时，顺磁质的磁化0B00B0宏观磁化电流（下页）何谓“顺”有外场时：分子磁矩在外磁场的作用下，一定程度上沿外磁场方向有序排列。对外表现出宏观磁性（产生磁场）磁化电流→产生→总磁场：(3)磁化电流（对比极化电荷）极化电荷→产生→总电场：EBEEE0BBB0问题（2）磁化电流总存在磁介质表面？（3）仅适于介质内部？BBB0（4）磁化电流是否有热效应？（1）磁化电流产生磁场遵守的定律？，＝）（均匀磁化：；没有磁介质在真空中，增加增加，外部磁化磁场，非永久磁体；，当没有外磁场时，CrM)(0MMB0B0M0(1)磁化强度VmM分单位：米安米米安32ainmnM分分n：单位体积内的磁介质分子数[讨论]单位体积内磁分子的分子磁矩之矢量和，即定义：M3、（定量）磁化描述：－－磁介质产生大小的衡量B(2)磁化强度与磁化电流的关系MInPe?Mi推导方法：高斯定理推导方法：安培环路定理（？）eSqSdP(a)穿越磁介质内安培环路的磁化电流I仅穿越回路L的C类分子对电流有贡献C类分子的所在空间：分子电流环中心与边界L的距离分子电流环半径段上的C类分子数（下页)ldcLld的关系，电极化中eeP的关系，磁化中MIIldMLLldMI三类磁分子比较穿越段上的分子环流的电流强度：dl段上的c类分子数：分子中心在以为底，以为棱的斜柱体的分子数ldlda）（ldanndVdNldMldmnldanildanidNiId分子分分分ccLldlda分Mld(b)磁化电流面密度与磁化强度的关系LldMI用于介质表面将ldMId●穿越安培回路L分子环流电流强度：LLldMIdI●均匀磁介质(比较电介质)0qSdPS0IldML均匀电介质均匀磁介质liILtlMldMttMilMlisin1MinMinPeˆ表面电荷：?Mi表面电流：L穿出穿入nMtMlL不同磁介质表面的磁化电流分析LnMi为磁介质磁化强度:M介质表面的法向矢量:n0inni0i侧面底面BBBBIB00激发磁化电流磁化磁介质外场'0BBB求充满磁介质的螺绕环内的总场。B设螺绕环通电流I0，介质均匀磁化，强度为，则MMiBnIB00000两者同向，总磁场为：BBB0MnI)inI(B0001.2磁介质内的总磁场1、磁介质与磁场间的相互影响2、示例最终决定介质磁化的是总磁场问题：M,i仍然是未知量，如何求总磁场？i0i1.3磁场强度，磁介质中的场方程（比较静电场）H?,)()(0HMBfHMBBB如何求省去磁化电流的分析消去引入磁场电场000,)(qSDDPEDPEEES的求解：省去极化电荷的分析消去引入1.对比的定义及求解H.2分子电流传导电流ldMIIIIldB000000000000Ild)MB(Ild)MB(00IldHMBH定义：磁介质存在时的安培环路定理的名称：磁场强度H为传导电流。成右手系与000I,ILIldH？，静电学中的定义为磁场强度，对应DEH米安培常用单位：奥斯特米单位：安培4101)(,/30OeOeIldH理解)(I0自由电荷电流ldH)(q0自由电荷SSdD000SdBSdBSd)BB(SdBSS0S0S“高斯定理”磁介质存在时磁场中的.3应用：两种不同磁介质中1B2BB连续，但“折射”连续？，是否可得到问题：仅采用B0IldH)H(fM)MH(BMBHr2IHIrH20000尚需条件：轴对称0I磁化规律下一节§2等效的磁荷观点（自学要点）P561-562P580表6-2P581最后一段例子1、实验表明：各向同性非铁磁质中每点与成线性关系，MHHMm其中为介质磁化率，反映介质内每点的磁特性。)kai(m§3介质的磁化规律一、磁化规律的性质m作业P4182,4,8Cr)0(000(）（，均匀磁介质中；即，真空中，反向；与，抗磁质，负：同向；与，顺磁质，正：可正负可以不同；无关，各点的同量纲），线性时与、为纯数mmmmmMHMHMHHM顺电、抗电？(3)应用：将和结合，可求解对称分布、特殊分布的磁场。00m1—绝对磁导率，量纲同——相对磁导率，纯数—），抗磁质（即），顺磁质（即；均匀介质中中真空）（一般地：01011,mmCr（弱磁质）1~(1)在一般情况下成立；而仅在线性磁介质中成立。2、将代入可得：HMm)(0MHBHHMHBm000)1()(说明MBH0HB0HMmLIldH0HB0铁磁质（非线性）1(2)0000002nIBHBnIHNIrHIldH轴对称例1：充满各向同性均匀磁介质的螺绕环匝NIr0L0B0BB)1(0)2(0LL)3(成立条件：充满各向同性均匀磁介质0IldH例2：轴对称系统无限长载流线，半径为r0，电流强度为I0，外部充满各向同性均匀磁介质，磁导率为，半径为R，求B的空间分布。0000000000000Rrr2IHRrrr2IH1rr0R2rIH＝）（非铁磁金属介质，0rr0202Irr0I0rr＝0Ir2IHIrH200磁化电流密度i？例3介质中闭合回路L所套连的磁化电流为：证：lHlMILLmdd0mLmIlHd0I0I0则若，L任取，且可无限缩小故I0=0处I=0LMld磁介质无传导电流处，也无磁化电流。证明：在各向同性均匀磁介质内，3、磁介质分类和磁化机制（1）分类顺磁质抗磁质1质磁弱性线)1(10,00'mmmHMHMBBBBB）反向（与很小反向，与HMHB00)(H0分子M0分子M)1(10,,'00'mmmHMHMBBBBB）同向（与很小同向，与0BBMH顺磁质B0BBM抗磁质BHBH011,BB,BBBB000'既可同向，又可反向，与铁磁质外加磁场→fL（与f库伦同向）→f向心增加→轨道线速度V增加(f向心=mv2/r）(r=c)→轨道磁矩m增加→→●抗磁质(m分子＝0）磁化微观机制●顺磁质（m分子≠0）磁化微观机制（前面已介绍）（2）弱磁质磁化的微观机制轨道自旋分iiimmm（a）组成抗磁质的物质分子磁矩：0电介质无极分子（b）电子轨道磁矩对外磁场的响应（简单说明）m0BVLfBBB//1casem产生m→产生抗磁外加磁场→fL（与f库伦反向）→f向心减小→轨道线速度V降低(f向心=mv2/r）(r=c)→轨道磁矩m减小→→产生抗磁mmBm0BBVLf，多个分子不平行Bcase30mB0B问题：顺磁介质是否也存在抗磁效应？B//2casem产生m4.铁磁质的基本性质（1）铁磁质定义：是指磁性很强（χm很大）的一类物质，不一定是铁，通常为过渡金属、稀土元素。组成：金属或合金（如铷铁硼）、氧化物（Fe3O4）不一定具有永久磁性（2）铁磁质磁化规律和性质：之间的关系何谓磁化规律？H~B,H~M)a(采用铁心螺绕环研究方法)b(HBMMBnIHNIRHNIldHHc00002)(的计算：的测量：的测量：参量测量高斯计（霍尔效应）,or冲击电流计（电磁感应）改变电流：M~H,B~HH10~10M62起始点：H=0(I0=0)，B=0,M=0磁化曲线特征：①起始（第一次加磁场）磁化曲线（d）结果问题：M~H，B~H曲线为什么类似？MMHMHB0000)(MH0SMabcsBH0SBabcs生的磁场铁磁介质的磁化电流产于传导电流的磁场远远小MH0SMabcsm铁磁介质的磁化率②和磁导率mm0m1HB,HM定义：m起始点的)H(fm非线性，HMm定义：mH0)(充磁反向退磁反向③磁滞回线cHrMsM0H问题：电流降低，M如何变化？rM滞回线。改变电流方向，得到磁增加电流、降低电流、得到永久磁铁。可以不为零，由此时，铁磁质的剩余的，残存的：剩余磁化强度B,M)0H(0IresidualrM0rcorrectioncHMHHIcc：矫顽力铁磁介质被完全退磁。时，当与铁磁体磁场方向相反方向，外部电流的磁场改变电流,00“滞”的含义指：M,B的变滞后于H（orI）。cHrMsM0HcHrBsB0H④有关解释及性质磁滞回线M=0,B是否也同时为零？MH)MH(B000非线性铁磁质的M~H，B~H关系性质：不但非线性，而且非单值。M,B的数值除了与H（I0）数值有关外，还决定于介质的磁化历史。cHrMsM0)I(H问题：充磁后如何恢复到M=0,B=0的状态？即如何消磁？录音磁带的交流消磁方法（3）铁磁性的产生机理量子理论：在没有外磁场的条件下，相邻原子中的电子自旋磁矩，可以自发地平行排列，形成一个个小的自发磁化微区-----磁畴。（畴：已耕作的田地，被沟垄划分成块）各种材料磁畴的线度相差较大：微米--毫米。一个磁畴中约有1012--1015个原子。用磁畴理论可以解释：铁磁质的磁化过程、磁滞现象、磁滞损耗以及居里点无外磁