磁场中的磁介质

I
m IS
6
物理学
19 有介质时磁场
第五版
3 顺磁质和抗磁质的磁化
顺 磁 质 : 分子具有固有磁矩
表
面
出
B0 B
现
磁 化 电 无外磁场
Is 有外磁场
流
顺磁质内磁场 B B0 B'
I
B0越强，温度越 低（热运动缓慢） 分子磁矩排列越 整齐, 磁化面电流 越大, 磁化越厉害。
7
物理学
19 有介质时磁场
第五版
19 有介质时磁场
有磁介质时计算磁场的分布：
Hdr Iin H（对称性分析)
L
H
B
0r
B
17
物理学
第五版
19 有介质时磁场
例1 有两个半径分别为 R 和 r 的“无限
长”同轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁
导率为 r 的磁介质.当两圆筒
通有相反方向的电流 I 时，
试 求（1）磁介质中任意点 P 的磁感应强度的大小；
I
r
d
（2）圆柱体外面一点Q 的磁感强度.
I
R
r
18
物理学
第五版
19 有介质时磁场
解 rdR
l H dr I
B H 0r I
2π d
d R l H dr I I 0
2πdH I
I
r
2πdH 0, H 0
d
B HΒιβλιοθήκη Baidu 0
同理可求 d r， B 0
I
R
r
19
物理学
19 有介质时磁场
第五版
一 磁介质 磁化强度
电介质的极化
1 磁介质对磁场的影响
E E0
介质中总 真空中的 磁感强度 磁感强度
介质磁 化后的
E E0 E
B B0 B'
附加磁 感强度
E E0
r
E0 E
顺磁质：附加磁场与外磁场同向
抗磁质：附加磁场与外磁场反向
铁磁质：在外磁场中能产生很强的与外场同方向 的附加磁场。
第五版
19 有介质时磁场
• 相同之处：同样可以产生磁场，遵从电流 产生磁场规律
• 不同之处：电子都被限制在分子范围内运 动，与因电荷的宏观迁移引起的传导电流 不同；分子电流运行无阻力，即无热效应
14
物理学
第五版
二
19 有介质时磁场
磁介质中的安培环路定理
B
l
dr
0
Iin 0 (
I I')
第五版
无外磁场时抗磁质分子磁矩为零 m 0
抗
B0
m '
B0
出现
反向
磁 质 的 磁 化
q
m '
F
m '
v
，B0 同向时
q m ' v F
，B0 反向时
表面 束缚 电流
抗磁质内磁场 B B0 B'
8
物理学
19 有介质时磁场
第五版
理论上可以证明：B与 成任意角度时，附
加磁矩总与磁场方向相反。
抗磁质磁化：分子固有磁矩为零。电 子磁矩在外磁场力矩作用下进动产生和外 磁场反向的感生磁矩。
顺磁介质也有抗磁性，但感生磁矩 << 固有磁矩，所以，顺磁介质的抗磁 性被顺磁性掩盖。
10
物理学
第五版
超导体的完全抗磁性
19 有介质时磁场
超导体：在临界温度以下
B0
电阻变为零。
B0
将 体超 内导B 体 0放入外磁场中
1
物理学
第五版
B B0 B'＝rB0
顺磁质（例如铝）
19 有介质时磁场
r —相对磁导率
r 11.65105 1
抗磁质（例如铜）
工程上取 r 1
弱磁质
r 11.0105 1
铁磁质（铁、钴、镍及其合金，铁氧体） r 1
纯铁 硅钢 坡莫合金
r
5103
7102
1105
2
物理学
第五版
物质的磁性起源
电子磁矩的取值，等于玻尔磁子
mB
e 2me
9.271024J/T
的整数倍。
5
物理学
第五版
19 有介质时磁场
原子核的磁矩等于核磁子的整数倍
核磁子
e 2m p
玻尔磁子
e 2m e
原子核的磁矩可以忽略。
分子的固有磁矩
所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和
经典电磁学：用圆电流
S
等效固有磁矩 －“分子电流模型”
在抗磁性物质中，每个分子在整体上无固 有磁矩，这是因为其中各个电子原有的磁矩方 向不同，相互抵消了。在加了外磁场后，每个 电子的感生磁矩却都与外磁场方向相反，从而 整个分子内将产生与外磁场方向相反的的感生 磁矩。这便是抗磁效应的来源。
9
物理学
第五版
19 有介质时磁场
顺磁质磁化：分子具有固有磁矩， 固有磁矩趋向外磁场方向
B
N
应用：
N
B0
制成磁悬浮列
车、无摩擦轴
承等。
7
物理学
第五版
磁化电流
19 有介质时磁场
• 介质对磁场作用的响应——产生磁化电流
• 磁化电流不能传导，束缚在介质内部，也叫 束缚电流。
• 它也能产生磁场，可以产生附加场B’
• 附加场反过来要影响原来空间的磁场分布。
• 各向同性的磁介质只有介质表面处，分子电 流未被抵销，形成磁化电流
19 有介质时磁场
问题的提出
–为什么物质对磁场有响应?
–为什么不同类型的物质具有不同的磁性？
–与物质内部的电磁结构有着密切的联系
安培的分子电流
–磁介质的“分子”相当于一个环形电流， 具有磁矩——分子磁矩，在外磁场的作 用下可以自由地改变方向
3
物理学
第五版
1 分子的磁矩
电子的轨道磁矩
I q e ev
I （传导）
I （磁化） 传导电流 分布电流
S
各向同性磁介质
L
一般情况
B 0r H H
磁介质中的安培环路定理
l
H
dr
I
15
物理学
第五版
➢ 各向同性磁介质
19 有介质时磁场
B 0r H H
相对磁导率 r
磁 导 率 0r
1 顺磁质 r 1 抗磁质
1 铁磁质 （非常数）
16
物理学
T 2r/v 2r
19 有介质时磁 场
O
r
v
e
r
m IS r2
ev evr
2r 2
e 2me
mer
v
e 2me
L
电子自旋磁矩
m
e 2me
S
S:自旋角动量
4
物理学
第五版
磁矩的量子化
19 有介质时磁场
角动量是量子化的，其值只能是普朗克
常数 1.051034 J s 的整数或半奇数倍。
磁矩(轨道、自旋磁矩)和角动量成正 比，因此， 磁矩也是量子化的。
12
物理学
第五版
磁化电流与传导电流比较
19 有介质时磁场
• 传导电流--载流子的定向流动，是电荷迁 移的结果，产生焦耳热，
• 磁化电流--磁介质受到磁场作用后被磁化 的后果，是大量分子电流叠加形成的在宏 观范围内流动的电流，是大量分子电流统 计平均的宏观效果
均匀磁场中均匀介质无体束缚电流。
13
物理学