第七章 磁介质 电磁学

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1、第七章磁介质一、教学内容（1）磁介质存在时静磁场的基本规律（2）顺磁性与抗磁性（3）位移电流与麦克斯韦方程组（4）平面电磁波二、教学方式讲授三、讲课提纲这章内容主要与电介质理论对比学习。7-1磁介质存在时静磁场的基本规律采用研究电介质相同的思路来研究磁介质。电介质存在时的静电场：束缚(极化)电荷；电极化强度→电位移矢量→有电介质的高斯定理磁介质存在时静磁场：磁化电流；磁化强度→磁场强度→有磁介质的安培环路定理关于磁介质存在着两套等价的观点：分子电流观点和磁荷观点。这两套理论的微观模型不同，但宏观结果完全一样。本章主要讨论分子电流理论。主要内容：研究磁场与

2、磁介质的相互作用。涉及到以下概念和定理：磁介质、磁化强度、磁场强度、磁场中的安培环路定理、铁磁质。一、磁介质的磁化磁化强度磁介质的磁化可以用安培的分子电流假说来解释。1、分子电流观点：安培认为，由于电子的运动，每个磁介质分子（或原子）相当于一个环形电流，叫做分子电流。其磁矩叫做分子磁矩。（1）无外磁场时一般由于分子的热运动,各分子环流的取向完全是混乱的，各分子磁矩方向杂乱，大量分子的磁矩相互抵消，宏观不显磁性。（2）有外磁场时在外磁场的力矩作用下，分子环流的取向会发生转向,在一定程度上沿着场的方向排列。外磁场越强,转向排列越整齐。（3）结果：当介质均匀时

3、由于分环流的回绕方向一致，在内部任何两个分子环流中相邻的那一对电流元回绕方向总是彼此相反，相互抵消。即在宏观上，这横截面内所有分子环流的总体与沿截面边缘的一个大环形电流等效，就象是一个由磁化电流组成的“螺线管”，它在棒内的方向与外磁化场一致，则增加了原磁场。2、磁化电流和传导电流的定义（1）磁化电流定义：是分子电流因磁化而呈现的宏观电流，它不相应于带电粒子的宏观位移。（2）磁化电流特点：是介质磁化的宏观表现；是分子电流规则排列的宏观结果；不伴随真实的电荷的宏观运动。可以和传导电流一样，激发磁场。（3）传导电流（非磁化电流）：除磁化电流之外的电流。也叫自由

4、电流，如金属中自由电子宏观移动造成的电流、电解液中正、负离子、气体中的离子和电子宏观迁移造成的电流以及各真空管中的电子流等。（4）传导电流的特点：必然相应于带电粒子的宏观移动。3、有磁介质存在时的总磁场有电介质存在时的总场强：，其中为自由电荷产生的场强，为极化电荷产生的场强。有磁介质存在时的总磁场：,其中为没有磁介质(即真空)存在时的磁场，由传导电流产生的。为磁介质放入磁场中被磁化后产生的磁场，是由磁化电流产生的附加场。注：磁介质在均匀磁场中被磁化产生的附加场也是均匀场。为了描写磁介质磁化程度，可以仿照极化强度（，其中代表内第个分子的偶极矩）定义一个磁化

5、强度。4、磁化强度：表征物质的宏观磁性或介质的磁化程度，定义：，其中代表内第个分子的分子磁矩。单位：安培/米(A/m)磁化强度是磁介质中单位体积内分子磁矩的矢量和。处处相同时，为均匀磁化。真空室磁介质的特例，其中各点的为零。二、磁介质的分类：按磁性分为：1、顺磁质（如：锰,铬,铂等）2、抗磁质（如:汞,铜,氢,硫等）3、铁磁质（如：铁,镍,钴等）由于顺磁质、抗磁质的磁特性与铁磁质有很大不同，可合称为非铁磁质，非铁磁质又有各向同性与各向异性之分。三、磁化强度与磁场的关系实验表明，对各向同性非铁磁质中的每一点：方向：其磁化强度与磁场方向平行。顺磁质:平行于，

6、即同向；抗磁质:反平行于，即反向。大小：。与成正比，比例系数与无关，是一个反映磁介质每点磁化特性的量（类似于电介质中的极化率）。的数值可正可负，取决于磁介质的性质。当时，与同向，为顺磁质；当时，与反向，为抗磁质。四、磁化电流1、磁化电流与磁化强度的关系（1）先确定内分子电流的个数：由于很短，可以认为内各点的磁化强度相同（尽管在整个曲线上可以不同）。为简单起见，假定附近各分子磁矩都取与完全相同的方向。以为轴作一斜圆柱体，其两底与分子电流所在平面平行（即与垂直），底的半径等于分子电流的半径。设单位体积的分子数为，则中心在柱体内的分子数为：（是柱底的面积，是与

7、的夹角）。（2）求这些分子贡献的电流是:（是每个分子电流大小）由于每个分子磁矩的大小，磁化强度的大小，得（3）内磁化电流为：（4）整个曲面的磁化电流于是为：上式说明，磁介质中任一曲面的磁化电流等于磁化强度沿这曲面的边线的积分。不难看出，这一关系对应于电介质中某体积内极化电荷与的关系（其中是体积的边界面）。以上讨论的磁化电流也叫做体磁化电流。在研究磁介质时还常常需要面磁化电流的概念。以螺绕环或螺线管为例，图中磁化电流从宏观看来可以充分精确地认为集中在磁介质表面上流动，因而可以看作一种面磁化电流。面电流的分布可用面电流密度描写.图中绘出螺绕环或螺线管中磁介质

8、的一小段，在其表面取一段平行于轴线的直线（长为），则定义流过的磁化电流除以便是该