大學(xué)物理ppt-磁學(xué)(5)

1、第第5篇篇 磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁磁介質(zhì)介質(zhì)哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院 李春燕李春燕1-14 磁介質(zhì)及其磁化機(jī)制磁介質(zhì)及其磁化機(jī)制一一 .磁介質(zhì)的分類磁介質(zhì)的分類:* 相對(duì)磁導(dǎo)率相對(duì)磁導(dǎo)率:0orBB實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：有、無(wú)磁介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：有、無(wú)磁介質(zhì)的螺旋管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的比值，螺旋管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的比值，可表征它們?cè)诖艌?chǎng)中的性質(zhì)。可表征它們?cè)诖艌?chǎng)中的性質(zhì)。 磁介質(zhì)的分類：磁介質(zhì)的分類：1.順磁質(zhì)順磁質(zhì):1r如氧、鋁、鎢、鉑、鉻等。如氧、鋁、鎢、鉑、鉻等。1r2.抗磁質(zhì)抗磁質(zhì):如氮、水、銅、銀、金、鉍等。如氮、水、銅、銀、金、鉍等。1r3. 鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì):如鐵、鈷、鎳等如鐵、鈷、鎳等超導(dǎo)

2、體是理想的抗磁體超導(dǎo)體是理想的抗磁體BI第第5篇篇 磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁磁介質(zhì)介質(zhì)哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院 李春燕李春燕二二.順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)磁化的微觀機(jī)制順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)磁化的微觀機(jī)制分子電流所對(duì)應(yīng)的磁矩在分子電流所對(duì)應(yīng)的磁矩在外磁場(chǎng)中的行為決定磁介外磁場(chǎng)中的行為決定磁介質(zhì)的特性。質(zhì)的特性。1.原子中電子參與兩種運(yùn)動(dòng)：自旋及繞核的原子中電子參與兩種運(yùn)動(dòng)：自旋及繞核的 軌道軌道運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)有軌道磁矩和自旋磁矩。運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)有軌道磁矩和自旋磁矩。用等效的分子電流的磁效應(yīng)來(lái)表示各個(gè)電子對(duì)外界用等效的分子電流的磁效應(yīng)來(lái)表示各個(gè)電子對(duì)外界磁效應(yīng)的總合，稱為分子電流、分子的固有磁矩。磁效應(yīng)的總

3、合，稱為分子電流、分子的固有磁矩。222ernrIpm pmr第第5篇篇 磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁磁介質(zhì)介質(zhì)哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院 李春燕李春燕 fpm pmB0vmmppp fpm pmB0v* 與與B0反向：反向：而且：而且： 與與B0同方向同方向 則：則： pm與與B0反方向。反方向。 在外電場(chǎng)在外電場(chǎng)B0作用下：作用下：* 與與B0平行且同向：平行且同向：Bvef與與B0同方向同方向 而且：而且： 則：則： pm與與B0反方向。反方向。 第第5篇篇 磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁磁介質(zhì)介質(zhì)哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院 李春燕李春燕結(jié)論：無(wú)論結(jié)論：無(wú)論 與與B0同向，

4、還是反向同向，還是反向,總是與總是與B0同同 向，導(dǎo)致向，導(dǎo)致 pm總與總與B0反向，在理論上可以證反向，在理論上可以證 明當(dāng)明當(dāng) 與與B0 成任意角時(shí)，成任意角時(shí)， 總是與總是與B0的方的方 向一致，從而導(dǎo)致向一致，從而導(dǎo)致 pm總是與總是與B0方向相反。方向相反。2.由于順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)電結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致它由于順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)電結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致它 們產(chǎn)生磁效應(yīng)的根源不同。們產(chǎn)生磁效應(yīng)的根源不同。 磁介質(zhì)的電結(jié)構(gòu)：磁介質(zhì)的電結(jié)構(gòu)： （1）分子中，各電子的磁矩不完全抵消，整個(gè)分）分子中，各電子的磁矩不完全抵消，整個(gè)分 子具有磁矩子具有磁矩Pm （2）分子中，各電子的磁矩完全抵消，整個(gè)分）分子中，各電子

5、的磁矩完全抵消，整個(gè)分 子不具有磁矩，即子不具有磁矩，即Pm=0 第第5篇篇 磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁磁介質(zhì)介質(zhì)哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院 李春燕李春燕構(gòu)成順磁質(zhì)的分子為（構(gòu)成順磁質(zhì)的分子為（1）類分子；）類分子； 抗磁質(zhì)的分子為（抗磁質(zhì)的分子為（2）類分子。）類分子。兩種磁介質(zhì)磁效應(yīng)的來(lái)源：兩種磁介質(zhì)磁效應(yīng)的來(lái)源：順磁質(zhì)：每個(gè)分子都有固有磁矩，在無(wú)順磁質(zhì)：每個(gè)分子都有固有磁矩，在無(wú)B0時(shí)，由時(shí)，由 于分子磁矩取向的無(wú)規(guī)則，所以于分子磁矩取向的無(wú)規(guī)則，所以 pm=0 介質(zhì)處于未磁化狀態(tài)，在有外磁場(chǎng)時(shí)，介質(zhì)處于未磁化狀態(tài)，在有外磁場(chǎng)時(shí)， 每個(gè)每個(gè)pm 將受到一力矩作用，其趨勢(shì)使各將受

6、到一力矩作用，其趨勢(shì)使各 個(gè)個(gè) pm轉(zhuǎn)到外磁場(chǎng)方向上去，在一定程度轉(zhuǎn)到外磁場(chǎng)方向上去，在一定程度 上沿上沿B0排列起來(lái)，此種介質(zhì)排列起來(lái)，此種介質(zhì)pmpm, pm可以忽略，所以可以忽略，所以B= B0+ B B0.第第5篇篇 磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁磁介質(zhì)介質(zhì)哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院 李春燕李春燕抗磁質(zhì)：每個(gè)分子都沒(méi)有固有磁矩，在無(wú)抗磁質(zhì)：每個(gè)分子都沒(méi)有固有磁矩，在無(wú) B0 時(shí)，時(shí)， 則有則有 pm=0， 介質(zhì)處于未磁化狀態(tài)，在介質(zhì)處于未磁化狀態(tài)，在 有外磁場(chǎng)時(shí)，每個(gè)電子有外磁場(chǎng)時(shí)，每個(gè)電子 pm都與都與B0方向相方向相 反，使整個(gè)分子內(nèi)產(chǎn)生與反，使整個(gè)分子內(nèi)產(chǎn)生與 B0 相反的

7、附加相反的附加 磁矩磁矩 pm，使使B= B0+ B B0說(shuō)明說(shuō)明外磁場(chǎng)外磁場(chǎng) 與磁介質(zhì)相互作用，使其與磁介質(zhì)相互作用，使其處于特殊狀態(tài)能產(chǎn)生新的磁矩，或處于特殊狀態(tài)能產(chǎn)生新的磁矩，或者說(shuō)附加的磁場(chǎng)者說(shuō)附加的磁場(chǎng) ,這過(guò)程為磁化。這過(guò)程為磁化。0BB第第5篇篇 磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁磁介質(zhì)介質(zhì)哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院 李春燕李春燕0BBB無(wú)外磁場(chǎng)無(wú)外磁場(chǎng)順順 磁磁 質(zhì)質(zhì) 的的 磁磁 化化分子圓電流和磁矩分子圓電流和磁矩mPI0B有外磁場(chǎng)有外磁場(chǎng)sI第第5篇篇 磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁磁介質(zhì)介質(zhì)哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院 李春燕李春燕qv0B0,B 同同向向時(shí)時(shí)qv0

8、,B 反反向向時(shí)時(shí)0B無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)抗磁質(zhì)無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)抗磁質(zhì)分子磁矩為零分子磁矩為零 0mP0BBB抗磁質(zhì)內(nèi)磁場(chǎng)抗磁質(zhì)內(nèi)磁場(chǎng)FmPFmP抗磁質(zhì)的磁化抗磁質(zhì)的磁化mPmP第第5篇篇 磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁磁介質(zhì)介質(zhì)哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院 李春燕李春燕說(shuō)明：說(shuō)明：1.M是矢量，單位安培是矢量，單位安培/米。米。 2.實(shí)驗(yàn)證明：實(shí)驗(yàn)證明：HBMmm3.M 與與介質(zhì)特性、溫度與統(tǒng)計(jì)規(guī)律有關(guān)。介質(zhì)特性、溫度與統(tǒng)計(jì)規(guī)律有關(guān)。四四.分子電流：分子電流：在均勻外磁場(chǎng)中，各向同性均勻的在均勻外磁場(chǎng)中，各向同性均勻的 磁介質(zhì)被磁化，未被抵消的分子電磁介質(zhì)被磁化，未被抵消的分子電 流沿著柱面流動(dòng)，稱為磁

9、化面電流流沿著柱面流動(dòng)，稱為磁化面電流 m稱為磁化率稱為磁化率.00mm抗磁質(zhì)：順磁質(zhì)：三三 .磁化強(qiáng)度：描述磁介質(zhì)被磁化強(qiáng)弱的物理量磁化強(qiáng)度：描述磁介質(zhì)被磁化強(qiáng)弱的物理量順磁質(zhì)：順磁質(zhì)：VpMm抗磁質(zhì)：抗磁質(zhì)：VpMm第第5篇篇 磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁磁介質(zhì)介質(zhì)哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院 李春燕李春燕ISIS分子電流分子電流設(shè)設(shè) js 為圓柱形磁介質(zhì)表面上為圓柱形磁介質(zhì)表面上“每單位長(zhǎng)度的分子面電每單位長(zhǎng)度的分子面電流流”。（稱分子表面電流的線密度），。（稱分子表面電流的線密度），S為磁介質(zhì)的截面，為磁介質(zhì)的截面，l為所選取的一段磁介質(zhì)的長(zhǎng)度為所選取的一段磁介質(zhì)的長(zhǎng)度ljIss

10、則分子電流：sljSIpssmssmjSlSljVpMnMjsn Msj第第5篇篇 磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁磁介質(zhì)介質(zhì)哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院 李春燕李春燕說(shuō)明：一般情況下，說(shuō)明：一般情況下，分子電流線密度的大小等于磁化強(qiáng)度分子電流線密度的大小等于磁化強(qiáng)度的切向分量。的切向分量。五五. 磁化強(qiáng)度的環(huán)流磁化強(qiáng)度的環(huán)流 在均勻外磁場(chǎng)中，在均勻外磁場(chǎng)中，各向同性順磁質(zhì)均勻的各向同性順磁質(zhì)均勻的 被磁化。被磁化。abcdB0MLssLILjabMl dM磁化強(qiáng)度沿任一回路的環(huán)流，等于穿過(guò)此回路的分子電磁化強(qiáng)度沿任一回路的環(huán)流，等于穿過(guò)此回路的分子電流流 IS的代數(shù)和的代數(shù)和.第第5篇篇

11、磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁磁介質(zhì)介質(zhì)哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院 李春燕李春燕其中：其中：B為總場(chǎng)強(qiáng)為總場(chǎng)強(qiáng);I為傳導(dǎo)電流為傳導(dǎo)電流;Is分子電流分子電流LsLLIIldB00一一.有介質(zhì)存在時(shí)的安培環(huán)路定理有介質(zhì)存在時(shí)的安培環(huán)路定理l dMIl dBLLL00LLIldMB)(01-15 磁介質(zhì)的磁場(chǎng)磁介質(zhì)的磁場(chǎng) 磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度第第5篇篇 磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁磁介質(zhì)介質(zhì)哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院 李春燕李春燕LLIldH表述：沿任一閉合路徑磁場(chǎng)強(qiáng)度的環(huán)流等于該閉合路徑表述：沿任一閉合路徑磁場(chǎng)強(qiáng)度的環(huán)流等于該閉合路徑 所包圍的所包圍的傳導(dǎo)電流傳導(dǎo)電流的代數(shù)和。的代數(shù)和

12、。說(shuō)明：說(shuō)明：H 的環(huán)流僅與傳導(dǎo)電流的環(huán)流僅與傳導(dǎo)電流I有關(guān)有關(guān),與介質(zhì)無(wú)關(guān)。與介質(zhì)無(wú)關(guān)。(當(dāng)當(dāng)I相相 同時(shí)，盡管介質(zhì)不同，同時(shí)，盡管介質(zhì)不同，H 在同一點(diǎn)上也不相同，在同一點(diǎn)上也不相同， 然而環(huán)流卻相同。因此可以求場(chǎng)量然而環(huán)流卻相同。因此可以求場(chǎng)量H，就象求就象求D 那樣。那樣。定義磁場(chǎng)強(qiáng)度定義磁場(chǎng)強(qiáng)度 則有：則有：MBH0第第5篇篇 磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁磁介質(zhì)介質(zhì)哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院 李春燕李春燕三三.磁場(chǎng)強(qiáng)度、極化強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系磁場(chǎng)強(qiáng)度、極化強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系MBH0)(0MHB實(shí)驗(yàn)證明：對(duì)于各向同性介質(zhì)實(shí)驗(yàn)證明：對(duì)于各向同性介質(zhì)HMmHBm)1

13、 (0HHBr0)1 (mr設(shè)設(shè)r 稱為相對(duì)磁導(dǎo)率稱為相對(duì)磁導(dǎo)率r0磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率第第5篇篇 磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁磁介質(zhì)介質(zhì)哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院 李春燕李春燕電介質(zhì)中的高斯定理電介質(zhì)中的高斯定理磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理SSqqSdE)(100LLLiIl dB00l dMIl dBLLL00SSSSdPqSdE00011LLIldMB)(0SSqSdPE00)(MBHdef0PEDdef0LLIldHVeSdVSdD第第5篇篇 磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁磁介質(zhì)介質(zhì)哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院 李春燕李春燕 稱為相對(duì)電容率稱為相對(duì)電容率或相對(duì)介電常

14、量?；蛳鄬?duì)介電常量。EPe0HMm 之間的關(guān)系：之間的關(guān)系：EDP、 之之間的關(guān)系間的關(guān)系MHB,MBHdef0PEDdef0EDe0)1 (HBm)1 (0EEDr0HHBr0rr 稱為相對(duì)磁導(dǎo)率稱為相對(duì)磁導(dǎo)率r0磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)規(guī)律實(shí)驗(yàn)規(guī)律量綱量綱電磁場(chǎng)的電磁場(chǎng)的本構(gòu)方程本構(gòu)方程)1 (mrer1第第5篇篇 磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁磁介質(zhì)介質(zhì)哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院 李春燕李春燕例題例題2：長(zhǎng)直螺旋管內(nèi)充滿均勻磁介質(zhì)：長(zhǎng)直螺旋管內(nèi)充滿均勻磁介質(zhì) 設(shè)勵(lì)磁電流設(shè)勵(lì)磁電流 ， 單位長(zhǎng)度上的匝數(shù)為單位長(zhǎng)度上的匝數(shù)為 n 。求：管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁介質(zhì)表面的面束縛電流密度。求：管內(nèi)的磁

15、感應(yīng)強(qiáng)度和磁介質(zhì)表面的面束縛電流密度。r0I0I0I第第5篇篇 磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁磁介質(zhì)介質(zhì)哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院 李春燕李春燕解：因管外磁場(chǎng)為零，取如圖所示安培回路解：因管外磁場(chǎng)為零，取如圖所示安培回路LLIldH0nlIlH 0nIH 000nIHBrrMBH00) 1(nIMrnMjs0) 1(nIjrs順磁質(zhì)順磁質(zhì)0, 1jr抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)0, 1jr束縛電流與傳導(dǎo)電流反向束縛電流與傳導(dǎo)電流反向cbadBMn 第第5篇篇 磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁磁介質(zhì)介質(zhì)哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院理學(xué)院 李春燕李春燕II例題例題3：長(zhǎng)直單芯電纜的芯是一根半徑為：長(zhǎng)直單芯電纜的芯是一根半徑為R 的金屬導(dǎo)的金屬導(dǎo)體，它與外壁之間充滿均勻磁介質(zhì)，電流從芯流過(guò)再體，它與外壁之間充滿均勻磁介質(zhì)，電流從芯流過(guò)再沿外壁流回。求沿外壁流回。求:介質(zhì)中磁場(chǎng)分布及與導(dǎo)體相鄰的介質(zhì)介質(zhì)中磁場(chǎng)分布及與導(dǎo)體相鄰的介質(zhì)表面的束縛電流。表面的束縛電流。第第5篇篇 磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁磁介質(zhì)介質(zhì)哈