磁介质中的磁场

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顺磁质和抗磁质的区别就在于它们的分子或原子的电结构不同. 研究表明，抗磁质分子在没有外磁场作用时，分子的固有磁矩为零. 而顺磁质分子在没有外磁场作用时，分子的固有磁矩却不为零，但由 于分子的热运动，各分子的磁矩取向是杂乱无章的.因此，在没有外 磁场时，不管是顺磁质还是抗磁质，宏观上对外都不呈现磁性.
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前面几节主要研究了真空中运动电荷或电流所激发的 磁场.而在实际情况下，还存在着各种各样的在磁场作用下 能出现响应并能反过来影响磁场的物质，这种物质称为磁 介质.电介质在外电场中将被极化，产生附加电场，使原有 电场发生变化.同样地，磁介质在外磁场的作用下，也会产 生附加磁场，使原有磁场发生变化，这种现象称为物质的 磁化.磁化过程使原来没有磁性的物质变得具有磁性，物质 的磁学特性是物质的基本属性之一.
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图9- 43 磁化电流
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无论是哪一种磁介质的磁化，其宏观效果都是在 磁介质的表面出现磁化电流.磁化电流和传导电流一样 要激发磁场，顺磁质的磁化电流方向与磁介质中外磁 场的方向成右手螺旋关系，它激发的磁场与外磁场方 向相同，因而使磁介质中的磁场加强.抗磁质的磁化电 流的方向与外磁场的方向成左手螺旋关系，它激发的 磁场与外磁场方向相反，因而使磁介质中的磁场减弱.
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自然界所有的实物物质都是磁介质，磁介质对磁场的影响通常
都是通过实验测量的.现有一长直螺线管，在导线中通以电流I，测出
管内真空条件下的磁感应强度B0；然后保持电流I不变，将管内均匀 地充满某种各向同性的磁介质，再测出管内的磁感应强度B.实验结果
表明，B和B0的方向相同，大小不同，它们之间的关系可表示为
在此只讨论弱磁介质的磁化机理.实物物质分子或原子的 微观电结构理论表明，分子或原子中的每个电子都同时参与 了两种运动：一是电子绕核的轨道运动；二是电子本身的自 旋.电子的这些运动形成了微小的圆电流，这样的圆电流对应 有相应的磁矩，把两种对应的磁矩分别称为轨道磁矩和自旋 磁矩.一个分子中所有的电子轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和称 为该分子的固有磁矩，用符号Pm表示，它可以看成是由一个 等效的圆形分子电流产生的.
如图9- 42（a）所示.对抗磁质而言，分子的固有磁矩为零， 只有与B0方向相反的分子附加磁矩，如图9- 42( b )所示.
图9- 42 弱磁介质的磁化 （a）顺磁质 （b）抗磁质
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考虑一长直螺线管内部均匀充满某种顺磁质磁介质的情形，设线 圈中的电流在管内产生匀强外磁场B0，如图9- 43( a 所示.这时，在 磁力矩的作用下，顺磁质中每个分子的磁矩将趋向于B0的方向，与分 子磁矩相对应的分子电流平面将趋向于与磁场方向相垂直，图9- 43( b )给出了磁介质内任一横截面上分子电流的排列情况.由图9- 43( b ) 可以看出，形成沿截面边缘的一个大环形电流，如图9- 43( c )所示. 由于在各个横截面的边缘都出现这种环形电流，宏观上相当于在介质 圆柱体表面上有一层电流流过，这种电流称为磁化电流，也称为束缚 电流，用符号I′表示.
在外磁场B0作用下，顺磁质分子产生附加磁 矩ΔPm，但它比分子的固有磁矩小得多，即对顺 磁质而言，ΔPm>Pm，因而附加磁矩可以忽略不 计.顺磁质分子的固有磁矩将受到外磁场的力矩作 用.在磁力矩作用下，各分子固有磁矩将因受分子 无规则热运动的阻碍而不同程度地沿着B0的方向 排列起来.
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三、 磁介质中磁场的基本定理
下面将进一步讨论有磁介质 时磁场的基本定理，采用处理电 介质问题的类似的方法，将真空 中的安培环路定理和磁场高斯定 理推广到磁介质中，从而得到磁 场更普遍的规律.
在外磁场B0作用下，分子中每个电子的运动将更加复杂，除了保 持上述两种运动外，还要附加一种以外磁场方向为轴线的转动，这种 转动也相当于一个圆电流，因而引起一个附加磁矩，其方向总是与外 磁场B0的方向相反，一个分子内所有电子的附加磁矩的矢量和称为分 子在磁场中所产生的附加磁矩，用符号ΔPm表示.
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一、 磁介质的分类
实验表明，不同的磁介质的磁性特征不同，因
而对磁场的影响不同.假设真空的磁场中某场点的磁
感应强度为B0，若放入磁介质，则磁介质将被原磁 场B0磁化而在空间激发附加磁场，设其磁感应强度 为B′，那么该场点的磁感应强度B应为这两个磁感
应强度的矢量和，即
B=B0+B′
（9- 40）
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一般会认为，如电介质被电场极化后所激发的附加电场总是削 弱原有电场一样，被磁化的磁介质所激发的附加磁场也会削弱原磁 场，即B的大小一定小于B0的大小.事实上，磁介质对磁场的影响比电 介质对电场的影响复杂得多，附加磁感应强度B′的方向随磁介质的不 同而不同.有一些磁介质，其B′的方向与B0的方向相同，使得B>B0， 这种磁介质称为顺磁质，如铝、氧、锰、铂等；还有一种磁介质， 其B′的方向与B0的方向相反，使得B<B0，这种磁介质称为抗磁质， 如水银、铜、铋、硫、氯、氢、金、银、铅、锌等.
磁介质中的磁场
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另外还有一类物质，即处于超导态的超导材 料，当它处于外磁场中并被磁化后，其所激发的 附加磁场在超导材料内能够完全抵消磁化它的外 磁场，使超导材料内部的磁场为零.这说明处于超 导状态下的物质的相对磁导率μr=0，超导材料的 这一性质称为完全抗磁性.
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二、 弱磁介质的磁化
B=μrB0
（9- 41）
式中，μr为磁介质的相对磁导率，它与磁介质的种类有关.对于
顺磁质，B>B0，μr>1；对于抗磁质，B<B0，μr<1；对于铁磁质，
B>B0，μr>1.顺磁质是μr略大于1 的磁介质.自然界中的大多数物质是
顺磁质.抗磁质是μr略小于1的磁介质.
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从表9- 2可以看出，无论是顺磁质还是抗磁 质，它们的相对磁导率与l相差很小.因而，在工程 技术中常不考虑它们的影响，而直接当作μr=1的 真空情况来处理.铁磁质是μr远大于1的磁介质，而 且它的量值还随外磁场B0的大小发生变化.它们对 磁场影响很大，工程技术上的应用也很广泛.