电磁学讲义16-磁介质.pdf

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1、第六章磁介质•介质在磁场中的磁化现象•磁介质存在下的磁场理论§6.1磁介质的磁化磁介质的磁化现象•一般的，物质在外磁场下作用下都会呈现出一定的磁性，这称为磁化。–有的物质自然状态下不显示磁性，但在外磁场中会受一定的作用力，尽管受力可能比较轻微。•1g物质受力的数据(N)(负号为斥力)(磁场1.8T,17T/Cm)：Fe4HO-2.2e-42Al1.7e-4Cu-2.6e-5Na2e-4Pb-3.7e-4–有铁芯的线圈，电感会增加，磁场会增强。•在我们讨论物质的磁性质时，就把物质称为磁介质。顺磁性和抗磁性•与电介质的极化不同，从磁化规律看有两种性质相反的磁介质：–顺磁质：磁

2、介质在磁化后的等效磁矩和外磁场同向，比如铝、钠–抗磁质：磁介质在磁化后的等效磁矩和外磁场反向，比如铜、铅、水–在外磁场下，顺磁质和抗磁质在磁化后的受力方向相反。–注意：在外磁场中放入磁介质，磁场是增强还是减弱了？和电介质的极化比较一下。磁化现象的解释•最初，物质磁效应的解释是“磁荷”说。磁荷说难以解释抗磁性的存在；迄今也未发现磁荷。•后来，安培提出了磁性的电流说。认为物质的磁性起源于物质体内“分子环流”。•现代观点看，原子中存在电子、原子核运动导致的原子的总磁矩是物质磁性的起源。–自然状态下，如果原子自身磁矩为零，或者尽管有非零的原子磁矩，但大量原子随机取向导致叠加的磁矩

3、为零，则物质不显示宏观磁性。–在自然条件下，或在外磁场的作用下，如果物质中大量原子磁矩的叠加非零，则物质显示宏观磁性。顺磁和抗磁性的解释•外磁场对物质的作用有两方面–分子环流的磁矩在外磁场作用下转向磁场的方向，这就是顺磁性的起源。–外磁场建立的过程中磁介质中的分子环流在电磁感应的作用下出现了附加的感应磁矩。这种感应磁矩的作用是抵抗外磁场的建立，这就是抗磁性的起源（更准确的解释需要量子力学）。•一种物质中顺磁性和抗磁性常常是并存的。顺磁质中的顺磁性为主。铁磁质•在物质中，以铁、镍等为代表的一类物质磁性很强，远远强于一般的物质，这类物质称为铁磁质。•铁磁性起源于量子效应引起的

4、原子间的某种相互作用。由于这种效应，铁磁体中小范围内的原子的磁矩自动定向排列，构成了一个个小磁铁，称为“磁畴”，在外场下，一个个小磁铁再定向排列，使大部分原子磁矩定向排列。•相比之下，在同样外磁场下，普通物质中只有极少的原子磁矩发生定向排列。磁化电流•在磁化的磁介质中，由于分子环流定向排列，分子环流的叠加形成了等效的宏观电流。这种宏观电流称为磁化电流。•磁化电流是一种等效电流；和通常所说的传导电流意义不同。分子环流•磁化电流不能发生传导、转移，磁化电流所以也称为束缚电流。磁化强度矢量•磁介质的模型：将磁介质看做是无数小环流(即分子环流)构成。•单位体积内分子磁矩的矢量和称

5、磁化强度矢量。h–单位是安培每米（A/m）h∑mM=–反映磁介质的磁化程度ΔV–在某小体积元内，设单位体积内分子环流数目为n，分子环路的电流为i，面积为S，则：hmhmm=iSnˆM=niSnˆmmmm–未磁化时，分子磁矩随机排列，则总磁矩为零。磁化后，分子磁矩发生定向排列，总磁矩不为零。•均匀磁化：介质体内各处磁化强度相等。磁化电流与磁化强度(1)•讨论通过介质内任意面的磁化电流–如图所示，取磁介质内任意面S。–只有面的边界线穿过的环流对通过面的净电流有贡献。–如果环流和面S相交但未被S的边界线穿过，则环流两次沿相反方向穿过面S，对总电流贡献为零。–如果环流和面S不相交

6、，不需考虑。不妨设（1）单位体积内的分子环流数为n，所有的分子环流都是i，所围面积是S，磁矩方向相同mm（2）在小体积内磁化强度均匀，和所有分子环流的磁矩同向。磁化电流与磁化强度(2)•讨论S边界线上任意线元dr穿过的环流数目N和对面S贡献的电流dIh–以线元矢量dr为轴，以分子环流的有向面dS为drhdS底做斜柱体。被dr穿过的分子环流其中心必位hh于柱体内。则有：N=n⋅dV=ndS⋅drimh–线元穿过的环流构成穿过面S的电流：dShhhhhhdI=i⋅ndS⋅dr=nm⋅dr=M⋅drmdS的方向hh注意积分方向和im成右•通过面S的磁化电流Im=∫M⋅dr手螺旋

7、关L和电流Im的右系•介质体内磁化电流体密度：手螺旋关系！hhI=M⋅drm∫LhhhhI=j⋅dSj=∇×Mm∫∫mmShhhh∫M⋅dr=∫∫∇×M⋅dSLS磁化电流与磁化强度(3)•磁化电流面密度–取磁介质表面的小面元，取垂直表面小扁矩形面abcd，且ab和cd平行表面；

8、ab

9、=

10、cd

11、=l,

12、ad

13、=

14、bc

15、=h;图示的n是表面的外法线方向，t是abcd面的法线方向，也是表面的切向，t’是平行abcd面的切向，和n，t成右手螺旋关系。hhLimIm真空M=0nˆ定义磁化电流面密度的投影：j⋅tˆ=Limh→0dcσm