磁场与物质的相互作用共29页文档
第五篇 电磁场与物质的相互作用
电动力学网络课程脚本第四篇狭义相对论一、学习目标和建议我们已经学习了电荷与电流如何激发电磁场的问题。
但是另一方面，场对带电粒子的作用，或者带电粒子与场之间的相互作用却很少讨论。
一般来讲，讨论这些问题不仅是在相对论基础上，而且应该在量子力学基础上，因为涉及带电粒子的问题通常都是高速运动的微观粒子。
在这一篇中，我们仅从经典电动力学的角度了解带电粒子与电磁场的相互作用，并且明确经典电动力学的局限性和适应范围。
二、学习任务任务一、了解带电粒子的势和电磁场；任务二、了解带电粒子和电磁场的相互作用；任务三、了解电磁场与介质的作用；任务四、了解经典电动力学的适用范围。
三、相关学习资源1、电动力学（第二版），郭硕鸿编，高等教育出版社。
这本教材对电磁场理论有比较系统的讲述和推导。
2、简明电动力学，俞允强编，北京大学出版社。
一如书名，该书简明扼要地介绍电磁场的理论，对抓住主要概念是有利的。
3、经典电动力学，美国，J。
D。
杰克逊，的确是一部经典教材，对经典电动力学的理论和问题研究有全面深入的介绍和讨论。
该书有中文版，不过有兴趣的同学建议读这个原文版。
4、电动力学习题解，林旋英，张之翔著，高等教育出版社。
学习电动力学，有一本题解是必要的参考书。
5、电动力学专业性很强，一般只在大学的相关网站上有比较有意义的资料。
/diandong/yusoft/homepage1.htm武汉大学物理科学与技术学院6．相对论-广义及狭义相对论(全译彩图精解本)，爱因斯坦，重庆出版社，2006。
11。
7．改变世界的方程，哈拉尔德·弗里奇，邢志忠江向东黄艳华译。
本书的主要内容是以虚拟的三人讨的形式来表述的，参与者括艾萨克·牛顿、阿尔伯特·爱因斯坦和一位虚构的名叫阿德里安·哈勒尔的理论物理学教授，他们代表了物理学发展的三个不同时代。
通过三人之间生动活泼的对话，读者可以切身领会相论的时空观，比如光速不变性原理、时间延缓和空间收缩。
第十五章磁场与物质的相互作用
为讨论方便，将磁化后的分子电流简化为等效的分子磁矩沿 圆电流面积矢： , a // M a 磁化强度方向的圆电流：分子电流强度：i´， d cos
d
M
d为圆电流的直径
I
M
? M I
磁化电流层 磁介质表面切向
总效果：在磁介质表面 形成磁化电流。
想象从磁介质表面处挖出一个小的斜柱体
d | L | dL 2L dL 0
二、磁场对核外电子轨道运动的影响 感应磁矩
e l L 2m
电子绕磁场方向进动！ dL L ,角动量大小不变,仅方向变化。
l
电子轨道平面法向绕外磁场转动
对比匀速圆周运动:速度微改变量与速度垂直,故速度大小不变,方向改变!
mi i' a
考虑磁 介质表 面法向 与圆电 流法向 确定的 平面
d cos
d
M
d为圆电流的直径
M
? M I
磁化电流层 磁介质表面切向
总效果：在磁介质表面 形成磁化电流。
想象从磁介质表面处挖出一个小的斜柱体
dl : 磁介质表面上垂直于磁化面电流的线元 S : 斜柱体截面积，截面法向沿磁化强度 dI : 沿斜柱体侧面流过的磁化电流 dI N l i
en Mdl cos M dl dI 对磁介质内部任一面元亦如此。 dI ( dl ) e [( M e ) dl ] M dl ? e or dI dl M en dl 非均匀磁化亦如此。 2
r 1
抗磁质，如锌、铜、水银、铅、铋
r 1
为什么? 顺磁质，如锰、铬、铂、氧、氮
磁场与物质的相互作用
en 2
2
P en
对比电介质学习
[例15-1] 求均匀磁化介质球磁化电流及其在球心处产生磁场。
解：
M er
M sin
M
z o R
dI Rd MR sin d
I dI MR sin d 2MR
2 sin d 0 M 3
3
§15-3 介质中磁场的基本规律 B0 ：外磁场 B B0 B B ：磁化电流产生
一、 介质中磁场的高斯定理 B0 dS 0 B dS 0
s s
B dS 0
( 1 ) I r
1
M en
( 1 ) I r 2
2R1 2R2
细长均匀磁化棒,磁化强度M，沿棒长方向。求图中各 2 点的H、B。 4 5 1 M 6 7
3
均匀磁化，只存在磁化面电流， M
长直螺线管
nI M
B1 0 nI 0 M
设电子质量m，运动半径 r，角速度w e e e l l L M l B LB B L 2m 2m 2m L B dL e B L 由角动量定理 dt 2m •e dl e B l l 作旋进，大小不变 l dt 2m e dA B （拉摩圆频率） w A 旋进角速度 w L 由 2m dt
过程：
运动状态改变 产生磁化电流 产生附加磁场
再作用于磁化电流 ••••••达到平衡
§1 物质的磁化
电子运动周期
二、原子的磁矩
电磁场与物质的相互作用
A*+AA+A*,
A*+B 属于横向弛豫过程，虽不会使激发态原子减少，却 会使原子发出的自发辐射波列发生无规的相位突变， 相位突变引起的波列时间的缩短等效于原子寿命的 缩短。
• 由于碰撞的发生完全是随机的，只能了解它们 的统计平均性质。
• 设任一原子与其它原子发生碰撞的平均时间间
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高斯光束的自在现变换
1、定义：高斯光束通过透镜后其结构不发生变化，即参数 w 0 或者f不变
0
1z c 1z c
当 z c1 时 ,0(1cZ)
光源向着光接收器运动时， Z取“+”号， 光源离开光接收器运动时， Z取“-”号。
0
Z
c
为多普勒频移
讨论原子和光波场的相互作用， 即中心频率为0的运动原子和 沿z轴传播的频率为的单色光 相互作用。
• 把单色光波看作是由某一假想光源发出的，而把原子看作 是感受这个光波的接收器。
• 固体工作物质中，激活离子镶嵌在晶体中，周围 的晶格场将影响其能级的位置。由于晶格振动使 激活离子处于随时间变化的晶格场中，激活离子 的能级所对应的能量在某一范围内变化，因而引 起谱线加宽。温度越高，振动越剧烈，谱线越宽。 由于晶格振动对于所有激活离子的影响基本相 同，所以这种加宽属于均匀加宽。
气体工作物质 固体工作物质
• 自然加宽线型函数表示为
N
gN
磁势能与磁力
磁势能与磁力磁势能与磁力是磁学中非常重要的概念，它们影响着磁场的行为和磁性物质之间的相互作用。
下面将详细阐述磁势能与磁力的含义、计算方法以及它们在磁学中的应用。
磁势能是指在磁场中由于磁性物质的位置或方向发生变化而积累的能量。
磁性物质在磁场中的位置和方向决定了它们所具有的磁势能大小。
当磁性物质发生位置或方向变化时，磁势能也发生相应的变化。
磁势能的计算公式为：U = -m•B，其中U表示磁势能，m表示磁矩，B表示磁场强度。
磁力是指磁场对磁性物质产生的作用力。
在磁场中，磁性物质受到的磁力的大小和方向与它们所处的位置和方向密切相关。
磁力的计算公式为：F = m•∇B，其中F表示磁力大小和方向，m表示磁矩，∇B表示磁场强度的梯度。
磁势能和磁力在磁学中有着广泛的应用。
在磁场中，磁性物质的磁势能和磁力之间存在着密切的关系。
通过分析磁势能和磁力的大小和方向，可以确定磁性物质在磁场中的运动轨迹和稳定位点。
利用磁势能和磁力，还可以研究磁性物质之间的相互作用和磁性材料的磁性特性。
在工业中，磁势能和磁力也有着广泛的应用。
例如，在磁性储存器中，利用磁势能和磁力将信息编码成磁性位，实现信息存储和读取。
在电动机和发电机中，利用磁势能和磁力配合，实现电能与机械能之间的转换。
在磁共振成像中，利用磁势能和磁力对人体组织或生物分子的磁性信号进行分析和成像。
综上所述，磁势能和磁力在磁学中都是非常重要的概念。
它们通过计算和分析，可以深入理解磁性物质的行为和磁性相互作用的本质，为工业和科技的发展提供重要的理论和技术基础。
关于磁势能与磁力的概念磁势能和磁力是磁学中的重要概念，用来描述磁性物质在磁场中的行为和相互作用。
磁势能是指在磁场中由于磁性物质的位置或方向发生变化而积累的能量，可以用来解释磁性物质的磁矩与磁场之间的相互关系。
磁势能的计算公式为：U = -m•B，其中U表示磁势能，m表示磁矩，B表示磁场强度。
在磁场中，磁性物质受到的磁力的大小和方向与它们所处的位置和方向密切相关。
第6章.磁场与物质的相互作用
N
中附有荧光屏，电子束打到荧光屏上将发出荧光，这样
之间的夹角
的正负有关
也与电荷q
,
的方向
;
对于负电荷
与成任意夹角θ。
上
合力为零。
但由于力的方向不在同一直线上，故产生力矩作用。
B n
所以合力为零。
a b c
，而交流电动机的调速就不太容易。
因此凡是要用到调
上图为球磨过程示意图
磁极中间，有一圆柱形的软铁芯，用来增强磁极和软铁之
线均匀地沿着径向分布。
在空
螺线管单位表面积受力。
容易求
）
产生的磁场之矢量和，
由前面讨论知，无限长螺线管在管内外沿轴向的B l Id
B
点作一矩形回路ABCDA，应用安培环。
15章 磁场与物质的相互作用
B d l ( I I ) o I o M dl o L L B B ( M ) d l I 令 M H
L
（二）介质中磁场的安培环路定理
H d l I
L
m
θ
M
M cos M sin
或 Mt
数学式表示:
M en
与
dI M dl
参见 P 299 图 15 - 6 en en en en
M1 (1)
en1
(2)
1
en2
2
M2
M
例 15-1 均匀磁化介质球。已知 R，M。求： ⒈ 沿球面流动的 α′与 I′。 2. 磁化电流在 o 点处的 B′。
2、磁滞迴线和磁化曲线 B Bs Br -Hc o Hc a H oa 为初始磁化曲线
Br 剩磁
Hs Hc 为矫顽力 Bs 磁饱和强度
-Br
B 滞后於 H ，称磁滞迴线
（二）铁磁现象的理论解释
1、铁磁质的微观结构 磁畴 －－在小区域内自发磁化到饱和， 且每个分子磁矩都取向一致。 小区域内：V =10-8 米3、N =10 17 ~ 10 21 个分子
B′ 与
Bo
同方向
但 B >> Bo 铁磁质
(一) 原子中电子的磁矩
B r Bo r o nI nI 抗磁质 r 1 r o 称磁导率 顺磁质 r 1 铁磁质 r 1
对螺线管 I r
B r Bo
称相对磁导率
L
ve 1 2 r evr 电子磁矩 l IS 2r 2
2电磁场与物质的相互作用
麦克斯韦 (1831－1879)
麦克斯韦方程组
麦克斯韦方程组
E (r , t ) B(r , t ) t H ( r , t ) D( r , t ) t D(r, t ) (r, t )
B( r , t ) 0
麦克斯韦 (1831－1879)
周期性变化的电场周围产生磁场， 这个磁场也是周期性变化的， 而且变化的频率与电场相同， 这个变化的磁场又会产生同频率变化的电场……
关于电磁场……
中学的课本告诉我们：
变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场， 变化的电场和磁场总是相互联系在一起的， 形成一个不可分离的统一的场
周期性变化的电场周围产生磁场， 这个磁场也是周期性变化的， 而且变化的频率与电场相同， 这个变化的磁场又会产生同频率变化的电场……
受激跃迁
→受激吸收
受激辐射
取决于上下能级 粒子数的差
电磁场与物质的相互作用
- 共振作用 -
泵浦 （抽运）
激射！
受激辐射
Optical Pumping
Towns 发明了氨分子微波量子振荡器
(MASER)
1964年获得诺贝尔物理学奖.
1960：美国休斯公司实验室西奥多.哈罗德.梅曼
1960年5月的某一天.梅曼和往常一样来到实验室.他打 开了泵浦源的开关,让脉冲氙灯的电能馈入红宝石中,此 时,这台装置中发射出了第一束闪光.梅曼平静地写下了 实验记录:红色,波长694.3纳米.这束光,色单纯,所有的 波都在同一个方向上;发射到几千英里以外也不会因发 散而失去作用;聚焦到某一点上可以达到极大的能量,甚 至可以超过太阳表面的温度值.这束光,就是激光;梅曼 做成这个“受激辐射光放大器”就是世界上第一台激 光器.
电磁场和物质的共振相互作用共33页
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
•
29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
•
30、风俗可以造就法律，也可以 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
电磁场和物质的共振相互作用
•
26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。 ——博 莱索
•
27、法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
•
28、好法律是由坏风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
电场和磁场与物质的相互作用wd解读
Ir
Ir
H 2R2 B 2R 2
R
I
0
H
r
51
rR H2rI
H I B 0I
2 r
2 r
H
I R
r 0
B
H
I 2 R
I 2 R
0I 2 R
O
R
rO
R
r
在分界面上H 连续, B 不连续
52
3、 铁磁质
铁磁质的特性
• 磁导率μ不是一个常量， (H)
• 它的值不仅决定于原线圈中的电流，还决定于
自由电荷 极化电荷
SE•dS rq0 q
定义：电位移矢量
0E真空中
D 0rE E
0rE介质中
SD•dSq 自由电荷
29
介质中的高斯定理 D•dS q 自由电荷 S 通过任意闭合曲面的电位移通量，等于该闭 合曲面所包围的自由电荷的代数和。
E 线
D 线
电位移线
方向:切线
D
大小: 电位移线条数
二、电介质中的电场
介质中的场 EE0 E 极化电荷的场 自由电荷的场
无限大均匀 E E 0
电介质中
r
E
a
E0
( r 1)
充满电场空间的各向同性均匀电介质内部的场强大小等
于真空中场强的 1 r 倍，方向与真空中场强方向一致。
28
三、有电介质时的高斯定理
1
SE•dS0
qi
1
0
(qqi )
Idl r dB4 r3
LBdl I L
定义磁场强度
B H
单位：安培/米(A/m)
LHdl I L
——磁介质中的安培环路定理
磁场与电磁相互作用
磁场与 电磁相互作用
第11章 磁场与电磁相互作用 The Magnetic Field and Electromagnetic Reciprocity
第1节 磁性与磁场
第2节 毕奥 — 萨伐尔定律
第3节 磁场的高斯定理和安培环路定理 第4节 电流与磁场 第5节 带电粒子在电磁场中的运动
第1节 磁性与磁场 Magnetism and Magnetic Fields
B
2. 磁通量 （ B 的通量）
定义: 通过一给定曲面的磁力线的总数
——该面的磁通量B 计算非均匀磁场中任意曲 面S上的磁通量:
在曲面S上取面积元dS， 通过dS的磁通量为
n
S
dS
d B B dS B cos dS
S上的总磁通量为:
B d B B dS (韦伯) S
B
v
3º v // B 及v =0 时, F=0 F 大小 B Max q0v B 方向 FMax v
B
FMax
v
单位： SI制 T(特斯拉)
高斯制 G(高斯)
1T = 104G
一、磁通量
B 线） 1. 磁力线 （磁感应线、
S
N
I
B
（1）磁力线是无头无尾的闭合曲线。 （2）不同电流的磁场， 磁力线的形状不同。 （3）磁力线上任一点切线 方向是该点的磁场方向。 （4）可用磁力线的疏密程度 表示磁场的强弱: B N S
l
0
y
2
r
x
dB
0 Idl sin B 4 r2
1
. P
X
sin cos r x sec l xtg dl x sec2 d
第五章磁场与物质的相互作用
第五章磁场与物质的相互作用§ 5.1 磁介质及磁化§5.2 介质中磁场的定理§5.3 磁性材料§5.4 磁场测量§5.1 磁介质及磁化一、磁介质磁体具有吸引铁磁性物质的能力，并把这种能力定义为磁性。
1）不仅磁体具有磁性，而且被吸引着的铁磁性物质也具有磁性。
处于磁场中的其它物质都或多或少具有磁性，只是在多数情况下远不如铁磁性物质的磁性那样强。
2）使物质具有磁性的物理过程叫做磁化，而一切能够磁化的物质叫做磁介质。
分子电流：每个分子都有一个等效的小分子环形电流。
分子磁矩：分子环形电流的磁矩。
大多数原子或分子的合磁矩为零。
有一部分原子或分子的电子合磁矩不为零，因而这种原子或分子就具有固有磁矩。
二、磁化及经典解释磁介质在外场中被磁化会出现磁化电流（等效的宏观电流，不伴随带电粒子的宏观位移），磁化电流也会产生磁场，即磁介质被磁化后会反过来影响磁场的分布。
三、磁化强度根据安培分子电流假说，已磁化物质的磁性来源于物质内部有规则排列的分子电流，即分子磁矩。
定义磁化强度：Vμ∑=∆分子M ΔV 宏观上无限小区域，微观足够大非磁化状态（M =0）：1）分子固有磁矩为零；2）分子有固有磁矩，但取向随机，分子磁矩和为零。
磁化后：均匀磁化：非均匀磁化：0iμ≠∑0iM Vμ=≠∆∑0=∂∂=∂∂=∂∂zMy M x M ),,(z y x M M=处处相等M分子平均磁矩：（I a 磁介质分子平均电流，S a 磁介质分子电流所围的面积）iaa aI S n Vμμ==∆∑S aμaI aia aM nI S Vμ==∆∑磁化强度定义为单位体积内的各分子磁矩之和：三、磁化电流与磁化电流的磁场1. 磁化强度的环量只有从S 内穿过并在S 外闭合的分子电流才对ΣIˊ有贡献；其它分子电流，或者来回穿过S ，或者根本不与S 相交，对ΣIˊ的净贡献为零。
分子磁矩都取平均磁矩，取磁介质中任一闭合有向回路L 和以它为周线的有向曲面S （方向满足右手定则），通过S 的总磁化电流设为ΣIˊ。