-磁介質(zhì)(一)——分子電流觀點(diǎn)

1、4-2 磁介質(zhì)（一）磁介質(zhì)（一）分子電流觀點(diǎn)分子電流觀點(diǎn)( (研究方法與電介質(zhì)類比）研究方法與電介質(zhì)類比）磁場(chǎng)磁介質(zhì)磁化000BIM后果影響外場(chǎng)場(chǎng)對(duì)介質(zhì)的作用和介質(zhì)的磁化互相影響、互相制約研究方法磁荷觀點(diǎn)分子電流觀點(diǎn)在外磁場(chǎng)的作用下，原來(lái)沒(méi)有磁性的物質(zhì)，變得具有 磁性，簡(jiǎn)稱磁化。磁介質(zhì)被磁化后，會(huì)產(chǎn)生附加磁 場(chǎng)，從而改變?cè)瓉?lái)空間磁場(chǎng)的分布磁性、磁介質(zhì)、磁化磁性、磁介質(zhì)、磁化磁性：吸鐵、鈷、鎳磁性：吸鐵、鈷、鎳物質(zhì)的基本屬性之一，即物質(zhì)的磁學(xué)特性吸鐵石天然磁體具有強(qiáng)磁性多數(shù)物質(zhì)一般情況下沒(méi)有明顯的磁性磁介質(zhì)（磁介質(zhì)（magnetic mediummagnetic medium）對(duì)磁場(chǎng)有一定響應(yīng),

2、并能反過(guò)來(lái)影響磁場(chǎng)的物質(zhì)一般物質(zhì)在較強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下都顯示出一定程度的磁 性，即都能對(duì)磁場(chǎng)的作用有所響應(yīng)，所以都是磁介質(zhì)磁化（磁化（magnetizationmagnetization）2.1 2.1 磁介質(zhì)的磁化磁介質(zhì)的磁化鐵芯對(duì)電磁感應(yīng)產(chǎn)生的影響鐵芯對(duì)電磁感應(yīng)產(chǎn)生的影響使線圈中的磁通量大大增加。 分子電流假說(shuō)：分子電流假說(shuō)：磁介質(zhì)的“分子分子”相當(dāng)于一個(gè)相當(dāng)于一個(gè)環(huán)形電流，環(huán)形電流，是電荷的某種運(yùn)動(dòng)形成的，它沒(méi)有像導(dǎo)體中電流所受的阻力，分子的環(huán)形電流具有磁矩分子磁矩分子磁矩，在外磁場(chǎng)的作用下可以自由地改變方向 磁介質(zhì)棒在外磁場(chǎng)中的磁化磁介質(zhì)棒在外磁場(chǎng)中的磁化磁化的微觀機(jī)制與宏觀效果（分子電流

3、觀）磁化的微觀機(jī)制與宏觀效果（分子電流觀）各向同性的磁介質(zhì)只有介質(zhì)表 面處分子電流未被抵銷，形 成磁化電流介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)作用的響應(yīng)產(chǎn) 生磁化電流磁化電流磁化電流不能傳導(dǎo)，束縛在介 質(zhì)表面，也叫束縛電流。它也能產(chǎn)生磁場(chǎng)，滿足畢奧-薩 伐爾定律，可以產(chǎn)生附加場(chǎng)BB附加場(chǎng)反過(guò)來(lái)要影響原來(lái)空間 的磁場(chǎng)分布束縛電流產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)束縛電流產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)鐵芯內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度BBB0比沒(méi)有鐵芯時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大磁化電流與傳導(dǎo)電流磁化電流與傳導(dǎo)電流n傳導(dǎo)電流傳導(dǎo)電流 載流子的定向流動(dòng)，是電荷遷移的結(jié)果，產(chǎn)生產(chǎn)生焦耳熱焦耳熱，產(chǎn)生磁場(chǎng)，遵從電流產(chǎn)生磁場(chǎng)規(guī)律n磁化電流磁化電流 磁介質(zhì)受到磁場(chǎng)作用后被磁化的后果，是大量分子電

4、流疊加形成在宏觀范圍內(nèi)流動(dòng)的電流，是大量分子電流統(tǒng)計(jì)平均的宏觀效果是大量分子電流統(tǒng)計(jì)平均的宏觀效果n相同之處相同之處：同樣可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，遵從電流產(chǎn)生磁場(chǎng)規(guī)律n不同之處不同之處：電子都被限制限制在分子范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，與電荷宏觀遷移引起的傳導(dǎo)電流不同；分子電流運(yùn)行無(wú)阻力，即無(wú)熱效應(yīng)無(wú)熱效應(yīng)2.2 2.2 磁化強(qiáng)度矢量磁化強(qiáng)度矢量M（1 1）定義）定義為了描述磁介質(zhì)的磁化狀態(tài)（磁化方向和強(qiáng) 度），引入磁化強(qiáng)度矢量M M的概念磁化程度越高，矢量和的值也越大M:單位體積內(nèi)分子磁矩的矢量和VmM分子磁化后在介質(zhì)內(nèi)部任取一宏觀體積元，體積元內(nèi)的分子磁矩的矢量和0m 分分子子未磁化時(shí) 0分子m0M磁化時(shí) 0分子m

5、0M（2 2）磁化電流的分布與磁化強(qiáng)度的關(guān)系）磁化電流的分布與磁化強(qiáng)度的關(guān)系磁化強(qiáng)度矢量M沿任意閉合回路L的積分等于通過(guò)以L為周界的曲面S的磁化電流的代數(shù)和，即)()(LLIl dM內(nèi)通過(guò)以L L為界,S S面內(nèi)全部分子電流的代數(shù)和證明證明把每一個(gè)宏觀體積內(nèi)的分子看成是完全一樣的 電流環(huán)即用平均分子磁矩代替每一個(gè)分子的真實(shí)磁矩 aIm分子 設(shè)單位體積內(nèi)的分子環(huán)流數(shù)為n，則單位體 積內(nèi)分子磁矩總和為ManIm分子設(shè)想在磁介質(zhì)中劃出任意一宏觀面S來(lái)考察：令 其周界線為L(zhǎng)，則介質(zhì)中的分子環(huán)流分為三類：n不與S相交An整個(gè)為S所切割，即分子電流與S相交兩次Bn被L穿過(guò)的分子電流，即與S相交一次C A與

6、與B對(duì)穿過(guò)對(duì)穿過(guò)S面總電流無(wú)貢獻(xiàn)，面總電流無(wú)貢獻(xiàn)，只有只有C有貢獻(xiàn)有貢獻(xiàn)在L上取一線元，以dl為軸線，a為底面，作一圓柱體 體積為V=adlcos，凡是中心處在V內(nèi)的分子環(huán)流都為dl所穿過(guò)，V內(nèi)共有分子數(shù)cosNn Vnadlna dl 這這N個(gè)分子對(duì)穿過(guò)以L為邊界的面S的電流的總貢獻(xiàn)：l dMl dmnl danINII分子沿閉合回路沿閉合回路L L積分積分得普遍關(guān)系)()(LLIl dM內(nèi)M與介質(zhì)表面磁化電流密度的關(guān)系與介質(zhì)表面磁化電流密度的關(guān)系nMiiMt磁化電流磁化電流表面磁化電流密度表面磁化電流密度: :單位長(zhǎng)度上的表面磁化電流單位長(zhǎng)度上的表面磁化電流( (線密度線密度) )即即證明

7、：證明：在介質(zhì)表面和里面附近取閉合回路穿過(guò)回路的表面磁化電流liIadLbacbdcl dMl dMl dMl dMl dMdlMbatM=0bc、da ltMlil iMtiMn 即：2.32.3磁介質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量磁介質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B磁介質(zhì)磁化達(dá)到平衡后，一般說(shuō)來(lái)，磁化 強(qiáng)度矢量M應(yīng)由總磁感應(yīng)強(qiáng)度B確定BBB0考慮一根沿軸均勻磁化的磁介質(zhì)圓棒先考慮磁化電流nMiMi 與有限長(zhǎng)密繞螺線管類比inI用計(jì)算載流螺線管內(nèi)磁場(chǎng)的公式計(jì)算磁化面電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)001212coscoscoscos22MB 2221coscosldlld為介質(zhì)棒的長(zhǎng)度， 為棒的直徑所以軸線中點(diǎn)附加場(chǎng)21201dl

8、dlMB對(duì)于無(wú)窮長(zhǎng)的棒ldlMB0MBBBB000對(duì)于很薄的磁介質(zhì)片0dl0B00BBBB隨著棒的縮短，附加場(chǎng)減小，由于附加場(chǎng)與外場(chǎng)方向一致，所以總場(chǎng)也減小。該式也適用于閉合介質(zhì)環(huán)2.4 磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量 , 有磁介質(zhì)時(shí)的安培環(huán)路定理有磁介質(zhì)時(shí)的安培環(huán)路定理H電介質(zhì)中引入輔助矢量電位移電位移PED0電位移引入高斯定理內(nèi)SSqSdD0SSdE內(nèi)內(nèi)SSqq00011電位移通量電電介介質(zhì)質(zhì)磁介質(zhì)磁介質(zhì)安培環(huán)路定理 內(nèi)內(nèi)LLLl dBII00)()(LLIl dM內(nèi) 內(nèi)LLLl dMl dB00I1MBH0引入輔助矢量磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度H定義定義得 矢量所滿足的安培環(huán)路定理 H)()(0LLIl dH內(nèi)真空中 0M0BH或HB0H的單位A/m 或奧斯特（Oe） OemA3104/1mAOe/41013例題例題10 10 用安培環(huán)路定理計(jì)算充滿磁介質(zhì)的螺繞環(huán)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度