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大学物理电子教案 西北工业大学应用物理系 第9章 磁场中的磁介质 上一章研究了真空中稳恒电流或运动电荷所产生磁场的性质和规律, 其结论只适用于空间无磁介质的真空或空气情形. 如果存在磁介质, 磁场的分布规律以及处于磁场中的介质会发生什么样的变化？ 本章介绍存在磁介质时稳恒磁场的性质与规律, 以及磁场变化的微观机制, 并讨论磁场中磁介质的变化—磁化规律. 介质的磁化 介质的磁化特性—抗磁质、顺磁质和铁磁质 §9.1 磁介质的磁化 当介质处于磁场中时, 磁场会对介质中的电荷产生作用, 使其电结构发生变化, 从而对外显示磁性—磁化现象; 同时介质的磁化反过来又会影响磁场的分布. 磁介质的磁化与磁化强度矢量 磁介质内的磁感应强度 有磁介质时的安培环路定律和高斯定律 1. 磁介质的磁化 (1) 磁化现象: 磁介质在磁场中呈现磁性的现象. 分子环流模型: 磁介质由大量磁性分子所组成, 每一磁性分子构成一环形电流—分子磁偶极子. 加载磁场后, 分子环流趋向外磁场方向. (2) 磁化的微观机制 未加载磁场时, 各个分子磁矩取向杂乱无章, 因此磁介质宏观上不显磁性. (3) 磁化的宏观效果 介质磁化后, 在其表面出现的环形电流(束缚电流)会影响原来磁场的分布. ① 介质表面的束缚电流 与传导电流不同, 它不是由载流子的宏观移动形成的, 而是分子磁矩定向排列的结果. × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × ③ 束缚电流产生的磁场会改变原来磁场的空间分布. ② 束缚电流 的出现使介质对外呈现磁性, 其磁性的强弱与介质的磁化程度有关. 2. 磁化强度矢量 为定量描述介质的磁化状态和磁化程度, 需引入磁化强度矢量: 磁化强度矢量: 指单位体积内所有分子磁偶极矩的矢量和, 且仅与束缚电流有关. 磁化强度矢量 与束缚电流 有关 在磁介质内部, 磁化强度矢量沿任一闭合回路 l 的曲线积分, 数值上等于穿过该回路包围面积的束缚电流代数和. 在外加磁场作用下, 分子磁矩定向排列的程度越高, 其磁化强度矢量越大. 磁化强度矢量反映了介质磁化的程度. 磁化强度矢量与束缚电流面密度的关系 在磁介质表面, 束缚电流面密度 等于磁化强度矢量在表面切线方向的分量 . 3. 磁介质内的磁感应强度 由于介质磁化, 在外加磁场基础上迭加了束缚电流产生的附加磁场. : 介质中的总磁感应强度矢量 : 外加磁场的磁感应强度矢量 : 磁介质表面束缚电流产生的磁感应强度矢量 的大小取决于磁化强度矢量 . 与 可以是同向的―顺磁质, 也可以是反向的―抗磁质. 4. 有磁介质存在时的安培环路定理和高斯定理 有磁介质存在时, 安培环路定理为 利用磁化强度矢量与束缚电流的关系 (1) 安培环路定理 其中, 为传导电流, 为束缚电流. 在具体应用时, 束缚电流很难直接求出. 如何避开束缚电流求磁感应强度？ 称为磁场强度 若令 则 磁介质存在时的安培环路定理: 磁场强度矢量的环量等于闭合回路所包围传导电流的代数和. 对于均匀磁化 有 均匀磁介质的磁化规律 由 可得 为介质的磁化率, 它反映了介质的磁化特性. 多数磁介质的 很小, 这与物质的微观结构有关. Fe、Co、Ni等金属的 很大, 且与 成复杂的函数关系. 若令 称为介质的磁导率 称为介质的相对磁导率 则有 其中μ可测量获得 注意: 磁介质中的安培环路定理给出了有介质存在时, 磁场、传导电流和磁化强度矢量之间的普遍规律. (2) 高斯定理 磁场中的高斯定理对导线中传导的稳恒电流以及磁介质中的束缚电流都是适用的. : 表示有介质存在时的磁感应强度矢量, 它由传导电流与束缚电流共同产生. :表示介质的磁化强度矢量, 仅与束缚电流有关. : 磁场强度, 属一辅助物理量而没有直接的物理意义, 仅为了计算方便而引入的. §9.2 介质的磁化特性— 抗磁质、顺磁质和铁磁质 外加磁场引起介质磁化, 从而使周围磁场发生变化. 不同介质的磁化特性不同, 因而磁场的变化不同. 磁介质的分类—抗磁质、顺磁质和铁磁质 铁磁质的磁化特性—磁滞回线 1. 磁介质的分类 上式表明: 在外磁场作用下, 介质中的磁感应强度与外磁场之比等于介质的相对磁导率. 根据相对磁导率大小不同, 将其分为如下三类: 由 可得 介质中的磁感应强度 与外加磁场