第8章磁介质中的磁场.

《大学基础物理学》多媒体课件第8章磁介质中的磁场(Chapter8Magneticfieldofmagneticmedia)教学要求(大学物理2)1、理解磁介质磁化及其对磁场的影响；2、掌握磁场强度；3、掌握磁介质安培环路定理；4、了解铁磁质的磁化、磁畴模型。授课学时（建议）：4学时重点：难点：磁介质的磁化、磁介质安培环路定理。磁介质安培环路定理。本次课[重点][教学要求][难点]磁介质的磁化、磁介质安培环路定理。磁介质安培环路定理。1、理解磁介质磁化及其对磁场的影响；2、掌握磁场强度；3、掌握磁介质安培环路定理；4、了解铁磁质的磁化、磁畴模型。一、磁介质的磁化(magnetizationofmagneticmedium)由于物质的分子(或原子)中存在着运动的电荷，所以当将物质放到磁场中时，其中的运动电荷将受到磁场力的作用而使物质处于一种特殊的状态中，这种现象叫做磁化。被磁化的物质要产生附加磁场，对原来的磁场产生影响，我们称这种能影响原磁场的物质为磁介质。任何实物都是磁介质。假设没有磁介质时，某点的磁感应强度为B0，放入磁介质后，因介质被磁化而产生的附加磁感应强度为B/，则磁介质中总的磁感应强度B是B0和B/的叠加，即：0/BBBB/的方向，随磁介质的不同而不同。•磁介质的分类顺磁质(paramagneticsubstance)：B/与B0同向，BB0，如氧、铝、钨、铂、铬等。抗磁质(diamagneticsubstance)：B/与B0反向,BB0,如氮、水、铜、银、金、铋等。超导体—理想的抗磁体。在磁介质中，B/的出现既可能削弱也可能加强介质中的磁场，由磁介质自身的性质决定。根据B/与B0方向是否相同，磁介质可分为：8.1磁介质磁介质的磁化(MagneticmediumThemagnetizationofmagneticmedium)顺磁质和抗磁质又称为弱磁质。（因为它的附加磁感应强度B/的值都比B0要小得多，故它对原来磁场的影响极为微弱）铁磁质(ferromagneticsubstance)：B/与B0同向，B/B0，且B/和B0的比值不是常数，如铁、钴、镍及其合金等。它能显著地增强磁场，是强磁性物质。•磁介质的磁化分子电流与分子磁矩说明：介质磁化时出现的分子电流不同于金属中的自由电子或导电流体中离子运动所形成的自由电流,分子电流仅局限于微观的空间,不能作宏观的迁移,构成分子电流的电子只作绕核运动,它们不是自由电子。分子或原子中的每个电子都在绕原子核运动，从而使之具有轨道磁矩。此外,电子本身还在自旋，因而还会具有自旋磁矩。我们把一个分子内所有电子全部磁矩的矢量和，称为分子的固有磁矩，简称分子磁矩(molecularmagneticmoment)，用符号Pm表示。如果把分子作为一个整体,分子中各个电子对外界产生的磁效应的总和便可以用一个等效的圆电流（I）来表示,称为分子电流,这种分子电流具有一定的磁矩。（1）顺磁质(paramagneticsubstance)。磁化机理——来自分子磁矩无外磁场时:顺磁性物质并不显现磁性。这是因为分子处于热运动中，各分子磁矩的取向是无规则的，因而在顺磁质中任一宏观小体积内，所有分子磁矩的矢量和为零，致使顺磁质对外不显现磁性，无外磁场时顺磁质中分子磁矩的取向有外磁场时顺磁质中分子磁矩的取向有外磁场时:各分子磁矩都要受到磁力矩的作用，在磁力矩作用下，所有分子磁矩都力图转到外磁场方向，这样，顺磁质就被磁化了，分子电流所产生的附加磁感应强度B/与外磁场B0的方向相同。于是，在外磁场中，顺磁质内的磁感应强度的大小为：/0BBB（2）抗磁质(diamagneticsubstance)。磁化机理——电子轨道在外磁场作用下发生变化无外磁场时：抗磁质并不显现出磁性。虽然分子中每个电子的轨道磁矩与自旋磁矩都不等于零，但分子中所有电子的轨道磁矩与自旋磁矩的矢量和却等于零，即分子磁矩为零（Pm=0）。注：①、顺磁质和抗磁质均具有抗磁性。只不过顺磁质中抗磁性的效应较之顺磁性的效应要小得多，因此，在研究顺磁性物质的磁化时可以不计其抗磁性效应。有外磁场时：分子中绕原子核转动的各个电子受到洛伦兹力的作用，使得整个分子产生一个与外磁场方向相反的磁矩，即引起附加轨道磁矩△Pm，而且附加轨道磁矩△Pm的方向总是与外磁场B0的方向相反。因此，在抗磁质中，要出现与外磁场B0的方向相反的附加磁场B/，称为抗磁性。于是,抗磁质内的磁感应强度B要比B0略小一点，即B=B0-B/②从宏观上看,磁化的结果是在均匀磁介质的表面出现了未被抵消的分子电流,称为表面电流。磁介质磁化与电介质极化的区别:2、抗磁质的磁化则与无极分子电介质的极化相似。例如,抗磁质的分子磁矩是在磁场作用下才产生的,磁介质内部的附加磁场B/与原磁场B0方向总是相反的,而无极分子电介质的电偶极矩也是在电场作用下才产生的,电介质内部的附加电场E/与原电场E0方向也总是相反的。1、顺磁质的磁化与有极分子电介质的极化很相似。例如,顺磁质具有分子磁矩，在磁场作用下具有取向作用，而有极分子电介质具有固有电偶极矩，在电场作用下也具有取向作用。但是两者又有不同之处，如顺磁质磁化后在其内部产生的附加磁场B/与原磁场B0的方向相同，而电介质极化后在其内部产生的附加电场E/与原电场E0的方向相反；（3）磁化强度矢量(magnetizationvector)mPMV单位：安培/米(A/m)由于无论顺磁质还是抗磁质，在有外磁场时各个分子磁矩的矢量和不为零。磁介质磁化得厉害，分子磁矩的矢量和也就越大。因此，可以用磁介质中单位体积内的所有分子磁矩的矢量和来描述磁介质的磁化程度，称为磁化强度，用符号M表示。即:mP说明:(1)磁化强度是描述磁介质的宏观量;(2)与介质特性、温度与统计规律有关;(3)因为M的方向与的方向相同,所以对于顺磁质，M的方向与外磁场B0的方向一致,而对于抗磁质,M的方向与外磁场B0的方向相反。mP(4)磁化强度矢量(magnetizationvector)与分子电流(molecularcurrent)的关系如图,在磁介质中截取一段长为dl、截面积为S的圆柱体，当介质均匀磁化时，在磁介质内部的任一点，相邻的分子电流总是成对而反向，因而互相抵消,只有在圆柱体磁介质横截面边缘上，各点的分子电流不能抵消。结果，从宏观看，形成了沿圆柱体磁介质表面流动的圆电流。用IS表示磁化面电流强度，用表示磁化面电流密度即在垂直于电流流动方向上单位长度上的磁化面电流强度，可见，分子电流总的磁矩为:SimSSPISidlSSSiSdliVSdlmPM即：磁化强度矢量在数值上等于磁化面电流密度，方向由右手螺旋法则决定。磁化强度矢量与磁化面电流强度的联系？说明：磁化强度对闭合回路的线积分等于通过回路所包围的面积内的总分子电流即磁化面电流强度。上式虽是从均匀磁介质及长方形闭合回路的特例导出的，但可以证明，此结论在任何情况下都是成立的。____LabbccddadddddMlMlMlMlMl__000ababdMdlMabMl因，所以SMiSSldiabIMl如图，在圆柱形磁介质的边界附近取一矩形闭合回路abcd，其中ab边在圆柱形磁介质内部且平行于轴线，cd在圆柱体外，bc和da两边则垂直于圆柱侧面，在磁介质内部各点处，M都沿ab方向，大小相等，在圆柱体外各点，现计算M沿此闭合回路的线积分。0M外在第7章电场中，我们曾引入了一个辅助物理量——电位移矢量D，得出电介质中的高斯定理。类似电场的方法，引入磁学中的一辅助物理量——磁场强度矢量，将真空中的安培环路定理和磁场中的高斯定理推广到有磁介质存在情况。由安培环路定理，有：0iilId＝Bl0()SlIIdBl将上式代入有0()llIddBlMl0/BBB在电学中，电介质中的总场强E是自由电荷所产生的电场E0与束缚电荷所产生的电场E/的矢量和(即E=E0+E/)。类似地在有磁介质时，任一点的总磁感应强度B为传导电流I所产生的磁场B0和磁化电流IS产生的磁场B/的矢量和，即：1、磁场强度磁介质中的安培环路定理(magneticfieldintensityandAmperecirculationtheoremofmagneticmediun)8.2磁场强度磁介质中的安培环路定理上式为有磁介质时的安培环路定理。它表示，磁场强度H沿任何闭合回路的线积分，等于通过该回路所包围传导电流的代数和。说明：（1）磁场强度是表示磁场强弱与方向的辅助物理量；（2）在SI制中，H的单位为A/m；（3）H的环流只与穿过闭合回路的传导电流有关，与而磁化电流无关。（4）虽然上式是通过载流螺绕环这一特例导出的。但理论研究表明，在有磁介质存在的恒定磁场中，它是一个普适定理。0()lIdBMl令H称为磁场强度。0BHMlIdHl实验表明，对各向同性的非铁磁性物质M与H有如下关系:系数称为介质的磁化率(magneticsusceptibility)mm=MH有000(1)mmBHHH相对磁导率(relativemagneticpermeability)1mr0rBHH绝对磁导率(absolutemagneticperability)讨论：在真空中：顺磁质：0，μr1，M与B同向；抗磁质：0，μr1，M与B反向；mm0m0M1r0BH在SI中，磁导率的单位和真空中磁导率的单位相同，为，或。应用介质中的安培环路定理求B计算有磁介质存在时的磁感应强度B,通常是先求出磁场强度H,再由求磁感应强度B。其解题思路与在电介质中求E的方法类似。BH解：这两个无限长的同轴圆柱体，当有电流通过时，它们所产生的磁场是对称的。作一个与圆柱形导体同轴、半径为a的圆形闭合回路，其绕向与电流成右手螺旋关系如图，根据安培环路定理，有2ldHaIHl［例8.1］有两个半径分别为r与R的无限长同轴圆柱形导体，在它们之间充以相对磁导率为μr的磁介质,当两圆柱通过相反方向的电流I时，如图所示。试求:(1)磁介质中任意点P的磁感应强度大小;(2)圆柱体外面一点Q的磁感应强度。2IHa＝aIBr20＝当时，aR0I0H＝0＝B当时，RarII休息一下，广告也精彩，马上就回来。1、铁磁质(ferromagneticsubstance)（1）在外磁场作用下能产生很强的磁感应强度；（2）当外磁场停止作用时，仍能保持其磁化状态；（3）B与H之间并不是线性关系；（4）铁磁质都有一临界温度。在此温度之上,铁磁性完全消失而成为顺磁质,这一温度称为居里温度或居里点,不同的铁磁质有不同的居里温度。原因:由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧,使磁畴瓦解,铁磁质失去磁性。铁磁质中由于原子的强烈作用,在铁磁质中形成磁场很强的小区域——磁畴。磁畴的体积约为10-12-10-8m3,包含1017-1021个原子。0770C0358C01934C铁—;镍—;钴—。铁磁质是以铁为代表的一类性能特殊、磁性很强的物质，具有如下的特性：8.3磁畴铁磁质的磁化(MagneticdomainFerromagneticpropertiesofmagnetization).铁磁质的磁滞回线(magnetichysteresisloopofferromagneticsubstance)应用磁介质的安培环路定理,求得环中的磁场强度为:2NIHr同时,可以用其它的方法测出环内的B,于是可从实验中测得一系列I和B的值,从而获得许多组H和B的值,这样作出的B—H曲线,通常称为磁化曲线(magnetizationcurve)。如图，把铁磁质(Fe,Co,Ni及稀钍族元素的化合物)做成圆环，并在其上密绕N匝线圈，线圈中通入强度为I的电流后，铁磁质就被磁化。初始磁化曲线a..bcdBOH..SBSHe..rBfCHS