大学物理第11章磁场中的磁介质

第三篇电磁学上章我们学习了真空中稳恒电流激发的磁场及其规律。当空间有介质(导体、绝缘体)存在时，磁场将与介质发生相互作用，我们把磁场中的介质称为磁介质。磁介质在外加磁场作用下自身产生附加磁场的过程称为磁化。本章简要介绍磁介质的性质、磁化的机制、以及磁介质中的安培环路定理。第十一章磁场中的磁介质第三篇电磁学与电介质的情况类似，稳恒磁场中的磁介质因磁化而产生磁化电流和附加磁场；磁介质内的总场为原磁场B0与附加磁场B’的矢量和。一、磁介质对磁场的影响§11.1磁介质对磁场的影响'0BBB但附加磁场并不总是削弱原磁场（这一点和介质的极化不同），B’的方向，随磁介质的材料构成而不同。大致可以分为三类：I0B'BI0B顺磁质B'与B0同向，BB0抗磁质B'与B0反向，BB0铁磁质B'与B0同向，BB0，第三篇电磁学顺磁质：μr≥1如金属铝、锰、铬等。抗磁质：μr≤1如金属金、银、铜等。铁磁质：μr1如金属铁、钴、镍等。顺磁质和抗磁质的磁性很弱，统称弱磁质，它们的相对磁导率一般是常数；铁磁质的磁性很强，且具有非线性和磁滞特性，属于强磁场物质，常常是制作磁铁的材料，它们的相对磁导率往往是变化的。实验已经证明，均匀磁介质磁化后，磁介质中的磁感应强度与无介质时(真空中)的磁感应强度有比例关系，这就是介质的相对磁导率；（可用均匀介质充满长直螺线管验证）。0BBrrEE/0第三篇电磁学任何物质皆由原子或分子构成。原子（分子）中的电子同时参与两种运动：自旋及绕核的轨道运动，对应有轨道磁矩和自旋磁矩。二、介质的磁化magnetization这就是安培提出的分子电流假设。分子电流——分子磁矩产生的磁效应可以用一等效的圆电流的磁效应来表示。分子磁矩——分子所有轨道磁矩与自旋磁矩之和，称为分子固有磁矩，简称为分子磁矩m。分子磁矩的方向与电子运动的角速度方向相反。第三篇电磁学顺磁质和抗磁质的磁化可用安培分子电流假说解释，而铁磁质的磁化很复杂，后面我们将用磁畴的概念解释。1.顺磁质的磁化机理——顺磁性0oBBBB顺磁质内的磁感应强度为：无外磁场时，顺磁质中的每个分子虽然具有磁矩m≠0，但由于分子热运动而使其取向无规则，物质分子的总分子磁矩m=0，物质对外不显磁性。有外磁场时，各分子磁矩在外磁场力矩的作用下，向外场方向偏转取向，物质分子的总分子磁矩m=m≠0，从而产生附加磁场B'。m和B'及Bo同向——顺磁性。第三篇电磁学无外场Bo时，分子的磁矩排列杂乱无章，介质内分子磁矩的矢量和m=m=0有外场Bo时，分子磁矩沿外场转向，分子磁矩的矢量和m=m≠0第三篇电磁学对各向同性（均匀）磁介质，从导体横截面看，导体内部分子电流两两反向，相互抵消。导体边缘分子电流同向。等效对各向同性（均匀）磁介质，分子电流可等效成磁介质表面的磁化电流Is，Is产生附加磁场B'。Is⊙对各向同性（均匀）磁介质，磁化电流Is只出现在介质表面，介质内部无磁化电流。第三篇电磁学磁化电流Is可产生附加磁场B'，但无热效应，因为无宏观电荷的移动，磁化电流束缚在介质表面上，不可引出，因此，磁化电流也称为束缚电流。IsooBBBB//oBB第三篇电磁学在无外磁场时，抗磁质中分子的轨道和自旋磁矩均不为零，但其和——分子磁矩为零m=0，物质不显磁性。2.抗磁质的磁化机理——抗磁性（电子进动）有外场时，外磁场使分子中作轨道运动的电子的角速度变化（当电子轨道运动角速度与外磁场同向时，角速度增加；当电子轨道运动角速度与外磁场反向时，角速度减小），产生一总是与外磁场B0反向的附加磁矩m≠0，从而产生与外场B0反向的附加磁场B'。第三篇电磁学角速度与外磁场同向时mFFFFeei产生与B0反向的附加电子磁矩m'抗磁质的总磁矩m=m'≠0与B0反向产生与B0反向的附加磁场B’'角速度与外磁场反向时，可作类似分析而得到相同的结论。000,BBBBBB超导体是理想的抗磁体，具有超导性和完全抗磁性。第三篇电磁学抗磁性是一切磁介质固有的特性，它不仅存在于抗磁介质中，也存在于顺磁介质中；只不过对于顺磁介质，磁化产生的磁矩电子附加磁矩，顺磁效应抗磁效应。抗磁介质中电子附加磁矩起主要作用，显抗磁性。说明：磁化的宏观效果：（1）在外磁场下，总的分子磁矩不为零，m≠0；（2）介质某些表面出现磁化电流I’（束缚电流）；（3）磁化电流会产生附加的磁场B’，总的磁场B=B0+B’=urB0；第三篇电磁学有磁介质时，安培环路定理是：磁介质的总场传导电流磁化电流三、磁介质中的安培环路定理0BBr无磁介质时：根据实验规律所以000IldBL00IldBLr)'(00IIldBL由于磁化电流的计算很繁，所以我们从无磁介质时出发。定义磁场强度：BBHr0第三篇电磁学则有磁介质中的安培环路定理成为：即：磁场强度沿任意闭合路径的线积分（环流），等于穿过以该回路为边界的传导电流的代数和。H是为消除磁化电流的影响而引入的辅助物理量。H的环流仅与传导电流I有关,与介质无关。(当I相同时，尽管介质不同，H在同一点上也不相同，然而环流却相同。因此可以用它求场量H，就象求D那样。H的单位：安培/米(A/m)说明：0IldHL第三篇电磁学rIH2II例1、长直单芯电缆的芯是一根半径为R的金属导体，它与外壁之间充满均匀磁介质，电流从芯流过再沿外壁流回。求介质中磁场分布。IldHlrrIHBrr200方向沿圆的切线方向B解：取如图所示安培回路R第三篇电磁学例2：P140,例11.1。第三篇电磁学电介质中的高斯定理磁介质中的安培环路定理SSqqSdE)(1'00LLLiIldB'000BBHr00IldHlEEDr00qSdDS第三篇电磁学§11.2铁磁质在工程技术上常用的磁介质是铁磁质，如电机、变压器和电表等。铁磁质有如下特点：1．在外磁场作用下能产生很强的磁感应强度；μ12．当外磁场停止作用时，仍能保持其磁化状态；3．B与H之间不是简单的线性关系（与顺磁质和抗磁质不同）；4．铁磁质都有一临界温度。在此温度（居里温度）之上，铁磁性完全消失而成为顺磁质。Fe(1040K)Co(630K)Ni(1390K)磁化曲线——磁介质内磁感应强度B随磁场强度H的变化关系曲线。OHB)(HABCSSB第三篇电磁学一、铁磁介质的磁化机理——磁畴1.磁畴磁畴——铁磁质中因电子自旋而引起的强烈相互作用，在铁磁质内形成磁性很强的小区域。磁畴的体积约为10-12m3。在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁质不显磁性；在外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场迅速增加，在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。第三篇电磁学2.磁畴的形成按照量子理论,铁磁质内电子间存在着很强的由电子自旋引起的相互作用——电子交换作用,使各电子的自旋磁矩排列整齐，从而形成磁畴。每个磁畴内的电子自旋磁矩整齐排列，磁性很强——自发磁化。3.磁畴与外磁场的关系无外磁场时,各个磁畴由于热运动其方向排列无序,因而整体对外不显磁性。有外磁场时,各个磁畴的磁矩在外磁场的磁力矩作用下以整体的形式趋向外磁场方向排列,从而对外显示很强的磁性。出现高m值。具体过程:与外磁场方向一致和相同的磁畴范围扩大,磁畴磁矩方向同时尽力转向外磁场的方向。4.磁畴与温度的关系:当温度持续升高到某值时,由于剧烈的热运动,磁畴瓦解,铁磁质的铁磁性消失,过渡到顺磁质。此温度叫做居里温度或居里点。第三篇电磁学二、铁磁质的磁化规律——磁滞回线1.实验目的:确定铁磁质内的B随外场H的变化关系,确定其磁导率m的特点和铁磁质的磁化规律。a2.实验结果o~a:起始磁化曲线，未经磁化的铁磁质,起始时,B随H而增大,到a点达到饱和。bBrBHoa~b:当外磁场减小时，介质中的磁场并不沿起始磁化曲线返回，而是滞后于外磁场变化——磁滞现象,当H=0时,B=Br≠0，Br——剩磁。第三篇电磁学b~c:加上反向外磁场，则B继续减小,当H=-Hc时，B=0，Hc称为矫顽力,即为了消除剩磁所需加的反向外磁场Hc。BrHcBHoac~d：继续增加反向磁场，介质达到反向磁饱和状态。d~e~f：改变外磁场为正向磁场，不断增加外场，介质又达到正向磁饱和状态。bcdef磁滞回线——闭合曲线abcdefa。实验结论铁磁质具有非线性，其m值具有非单值性，与磁化的历史有关。铁磁质会出现磁滞和剩磁现象。第三篇电磁学超导体1911年，荷兰物理学家H·K·昂纳斯及其助手首先发现在温度降至液氦的沸点（4.2K）以下时，水银的电阻为0。超导体——在低温下电阻为零的物质。1913年昂纳斯因他在低温物理和超导领域所做的杰出贡献，获诺贝尔物理学奖。1.超导体的基本性质零电阻率超导体在临界温度以下时，电阻为零，所以它可以通过很大的电流，而几乎无热损耗。有人曾用超导体做成一个圆环，当把它冷却到临界温度以下后，突然去掉磁场，由于电磁感应，在超导体环内产生一个相当强的电流，这个电流在持续两年半的时间内仍没发现可观的变化。第三篇电磁学由于超导体内电阻为0，超导电流不会产生热量，超导电流也就不会消失，超导体一直会悬浮在磁场中。利用这种现象可制成超导重力仪，用来预测地震，当地震发生之前，地表面的重力场会发生变化，超导球的位置也会发生变化，由此来预测地震。还可制造超导磁悬浮列车，世界上最快的磁悬浮列车时速超过500公里/小时。2.超导体的应用第三篇电磁学无损耗输电。传统输电过程中总要产生一部分焦耳热损耗，一般在10%~20%，如果采用超导体输电，几乎没有电能损失，而且不需要升压，可以不用变压器设备，也不必架设高压线，可以在地下管道中。甚至可以直接传输直流电。产生强磁场。因超导体无热损耗，可通过很大电流，如用超导芯线为Nb3Sn。其最大电流密度为109A/m2,在承受相同电流的情况下，超导芯线可以细得多，超导磁铁不仅效率高，而且可以做得很轻便。例如，一个能产生5T的中型电磁铁的重量可达20吨，而超导磁铁的重量不过几公斤。美国在磁谱仪中，将采用超导磁铁产生强磁场，2003年再次送入地球轨道，观察暗物质和反物质。