磁场中的磁介质

§13-4磁场中的磁介质

在磁场中的磁介质要和磁场发生相互作用，结果也会使磁介质和磁场发生相应的改变。

一、磁介质及其磁化机制

1．磁介质

所谓磁介质，是指在考虑物质受磁场的影响或它对磁场的影响时，我们把它们统称为磁介质(magnetic medium)

一个小圆电流所产生的磁场或它受磁场的作用都可以用它的磁偶极

矩（简称磁矩）来说明。以I表示电流，S表示圆面积，则一个圆电流的磁矩为

下面我们用一个简单的模型来估算原子内电子轨道运动的磁矩的大小。假设电子在半径为r的圆周上以恒定的速率绕原子核运动。电子轨

道运动的周期就是。由于每个周期内通过轨道上任一截面的电量为一个电子的电量e，

在一个分子中有许多电子和若干个核，一个分子的磁矩是其中所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩以及核的自旋磁矩的矢量和。有些分子在正常情况下，其磁矩的矢量和为零，由这些分子组成的物质称为抗磁质(diamagnetic medium)。

有些分子在正常情况下其磁矩的矢量和不为零，而是具有一定的值，这个值叫做分子的固有磁矩。由这些分子组成的物质称为顺磁质

(paramagnetic medium )。

2．磁介质磁

化的微观机制

（1）进动与

附加磁矩

将物质放入

一外磁场0中，

在外磁场作用下，

电子的轨道磁矩

和自旋磁矩以及

原子核的自旋磁

矩都要受到磁力

矩的作用。

可以证明：不

论电子原来的磁

矩与磁场方向之

间的夹角是何值，在磁场0中，角动量进动的转向总是和0的方向满足右手螺旋关系。电子的进动也相当于一个圆电流，因为电子带负电，这种等效电流的磁矩的方向永远与0的方向相反(图13-16a、b)。因进动而产

生的等效电流的磁矩称为附加磁矩，用表示。对电子及原子核的自旋，

外磁场也产生相同的效果。

因此，在外磁场的力矩作用下，一个分子内的所有电子和原子核都产生与外磁场方向相反的附加磁矩，这些附加磁矩的矢量和称为该分子在外磁场中所产生的感应磁矩(induced magnetic moment)。感应磁矩的方向总是和外磁场的方向相反的。

[动画—电子进动]

（2）抗磁质的磁化

在抗磁质中，

每个原子或分子

中所有电子的轨

道磁矩和自旋磁

矩以及原子核的自旋磁矩的矢量和等于零（图13-17a、b）。在外磁场0中每个分子都要产生一个感应磁矩，且外磁场越强，所产生的感应磁矩越大。由于感应磁矩要激发一个附加磁场，其方向与外磁场方向相反（这种现象称为抗磁质的磁化），它对外磁场起着抵消的作用，所以抗磁质磁化后使磁介质中的磁场稍小于0。

（3）顺磁质

的磁化

顺磁质分子

具有固有磁矩，

在通常情况下，

由于分子热运动，

各个分子固有磁

矩的方向无规则排列（图13-18 a、b），其磁作用相互抵消，所以整个顺磁质物体不显示磁性。当顺磁质放入磁场中时，其分子固有磁矩就要受到磁场的力矩的作用。这力矩力图使分子的磁矩的方向转向与外磁场方向一致，当然分子的热运动会使各个分子的磁矩的这种取向不可能完全整齐。外磁场越强，温度越低，分子磁矩的排列也越整齐，这些排列较整齐的分子磁矩要产生一个与外磁场同方向的附加磁场，这种现象称为顺磁质的磁化。所以顺磁质对外磁场起着增强的作用。也就是说顺磁质磁化后使磁介质中的磁场大

于0。

二、磁介质的磁

化规律

1．磁化电流

根据上面的

讨论，一块均匀

顺磁质放到外磁

场中时，它的分

子的固有磁矩要

沿着磁场方向取

向。一块均匀抗

磁质放到外磁场中时，它的分子要产生感应磁矩。考虑和这些磁矩相对应的小圆电流，可以发现在磁介质内部各处总是有相反的电流流过，它们的

磁作用相互抵消了。但在磁介质表面上，这些小圆电流的外面部分未被抵消，它们都沿着相同的方向流动，这些表面上的小圆电流的总效果相当于在磁介质表面上有一层电流流过。这种电流叫磁化电流(magnetization current)，也叫束缚电流(dound current)。其面电流密度用j表示。磁化电流是分子内的电荷运动一段段接合而成的，不同于导体中自由电荷定向移动而形成的传导电流，相比之下，导体中的传导电流可称作自由电流(free current)。

一块非均匀的磁介质放入磁场中时，除了在其表面要形成面磁化电流之外，在其内部还可以产生体磁化电流。由于顺磁质分子的固有磁矩在磁场中的定向排列或抗磁质分子在磁场中产生了感应磁矩，因而在磁介质的内部或表面上出现磁化电流的现象叫做磁介质的磁化。顺磁质的磁化电流的方向与磁介质中外磁场的方向满足右手螺旋关系，它产生的磁场要加强磁介质中的磁（图13-19a），抗磁质的磁化电流的方向与磁介质中外磁场的方向满足左手螺旋关系，它产生的磁场要减弱磁介质中的磁场（图13-19 b）。这就是两种磁介质对磁场影响不同的原因。

[动画—磁化电流的形成]

2．磁介质中磁场

将磁介质放到磁场中时，由于磁场的作用，在磁介质中要出现磁化电流，而磁化电流产生的附加磁场反过来又影响磁场的分布。这样，磁介质中的磁场就可以写成

式中0是真空中的磁场的磁感应强度，它可当作是某一自由电流所激发的；是磁化了的磁介质所激发的附加磁感应强度。对于各向同性顺磁质，与0方向相同，B＞B0；对于各向同性抗磁质，与0方向相反，B ＜B0；而对于铁磁质来讲，B＞＞B0。

3．磁化强度

磁介质磁化后，在一个小体积元 V内的各个分子的磁矩的矢量和都将不等于零。顺磁质分子的固有磁矩排列得越整齐，它们的矢量和就越大。抗磁质分子所产生的感应磁矩越大，它们的矢量和也越大。因此可以用单位体积内分子磁矩的矢量和来表示磁介质磁化的程度。单位体积内分子磁矩的矢量和就叫做磁介质的磁化强度(magnetization intensity)。以