第十四章 物质的磁性.doc

大学物理电子教案 第十四章 物质的磁性教学时数 4学时教学内容 第一节 磁场中的介质第二节 有介质的环路定理第三节 铁磁质教学要求 （1）熟悉顺磁质和抗磁质的磁化机制。 （2）熟悉铁磁质的磁化规律。（3）掌握磁化强度、磁场强度等概念。（4）会求解磁化强度和介质中的磁场。重点磁介质的磁化机制难点铁磁质的磁化回线教学方法 讲授法、谈话法、启发法、范例教学法教学方案1. 内容安排第一讲完成前两节节，第二讲完成最后一节。2. 活动安排理论讲授、例题讲解、课堂练习、课后练习第一节 磁场中的介质1磁介质的电结构分类：一类是分子中各电子的磁矩不完全抵消而整个分子具有一定的固有磁矩，称为顺磁性物质，如氧、铝等；一类是分子中各电子的磁矩，完全相互抵消而整个分子不具有固有磁矩，称为抗磁性物质，如氢、铜等，但这两类物质都是弱磁性物质。另外还有一类强磁性介质，称作铁磁质，铁、钴、锦及其合金就属于这一类。 2顺磁质和抗磁质的磁化对于顺磁质，当介质被引入外场中之后，分子磁矩Pm和外磁场B0发生相互作用，从而产生一个磁力矩MPmB0，在这个力矩的作用下，各个分子的磁矩将转向外场方向，如图所示。这样各分子磁矩将沿外场方向产生一个附加的磁场B，从而使原磁场加强，这个过程就叫磁化。对于抗磁质，当介质被引入外场中之后，整个分子将产生一个与外磁场方向相反的附加磁矩。如图所示，设一个电子以角速度为半径为r绕原子核作圆周运动，由于外磁场B0的作用，电子将受到洛仑兹力f-evB。为简单起见，设电子轨道面与外磁场垂直。当与B同向时，洛仑兹力指向中心，角速度增大了，磁矩 PmISn-er2/2Pmer2，Pm与方向相反，物质在外磁场B中就被磁化了。应当指出，上述的抗磁效应在具有固有磁矩的顺磁性物质中也存在，只是在顺磁物质中，顺磁效应要比抗磁效应强得多，因此主要体现出的是顺磁效应；而抗磁性物质在外场中根本就没有顺磁效应，所以只有抗磁效应了。由此看来，无论是什么磁介质，当引入于外磁场B中时，都会被磁化，产生磁化电流，进而产生附加的磁化磁场B，这样介质中的磁场 B = B 0 + B,对于顺磁质B与B0方向的相同，BB,总磁场略增强；对于抗磁质B和B方向相反，BB0，总磁场略减弱；对于铁磁质B极大，BB0，总磁场极强。第二节 有介质的环路定理一.磁化规律对于介质磁化的程度和方向，可以用磁化强度矢量M来描述，它是某点处单位体积内因磁化而产生的分子磁矩之和，即MPm分子V在介质中，任取一线元dl，以dl为高，S为底面积作以柱体，若dl与S的夹角为，则柱体的体积为Sdlcos，这样凡中心在该柱体内的分子环流都被dl所穿过，共有nSdlcos个，设每个分子的电流为i，则dl穿过的分子电流dI,niSdlcosniSdlnPmdlMd，对整个环路l积分得 MdlI, 式中I为l内包围的磁化电流，与电介质的(7.31)式相对应。对于介质表面，可取一个紧靠表面的矩形框，则由(19)式可得j M n式中j为面磁化电流密度，n为介质表面的外法线单位矢量。二. 有介质的环路定理将(19)式代入环路定理，有 Bdl0(0I,)(0Mdl) 令 H = B/0 M称作磁场强度，它像电介质中引入D一样，是一个辅助矢量，这样便可得到更为普遍的磁介质中(包括真空介质)的磁环路定理Hdl I它表明：沿任意闭合曲线的磁场强度的线积分环量，等于这个闭合曲线所包围的传导电流的代数和，而与曲线包围的磁化电流和未包围的传导电流无关。它的意义和注意事项与真空的磁环路定理完全相同。实验证明，在各向同性介质中，磁化强度M与磁场强度H成正比，M mH式中m叫介质的磁化率，是一个纯数。代入(921)式中得B(1m)0H令r1m，r0，则B H式中叫磁导率，而r叫相对磁导率，是一个纯数，真空的r1。介质中的磁环路定理为求解磁感应强度B提供了又一种方法，即先由(7.22)式求出H，再用(7.24)式求得B.第三节 铁磁质1铁磁质及其磁化铁磁质是一种特殊的磁介质，其突出表现为磁化后产生的附加磁场特别强，其r的数量级为102103，甚至106以上，而且随外场的不同而发生变化。铁磁质的磁性用前面的弱磁性物质的理论是无法解释的，正确的解释需要用量子力学理论，这个已超出本书的范围，故在此不作介绍。下面简要介绍一下铁磁质的磁化规律和技术磁化过程。2.铁磁质的磁化规律磁滞现象表明，铁磁质的磁化过程是不可逆过程，在磁化过程中有能量损失，这种损失称为磁滞损耗。理论计算表明，铁磁质在缓慢磁化情况下，沿磁滞回线经历一个循环过程的磁滞损耗正比于磁滞回线的面积。磁滞回线表明B和H间不仅不是线性关系，而且不是单值关系，对应于一个H，有几个不同的B值，B值等于多少，取决于磁化经历的过程，即磁化的“历史”。当H0时，B0，而BBr，这种现象叫剩磁现象。剩磁现象使制造永久磁铁成为可能，同时利用这种现象还可构成各种具有记忆功能的器件，如磁带、磁盘、磁鼓等。使剩磁现象消失的反向磁场Hc，称为铁磁质的 “矫顽力”，按照Hc的不同，将铁磁质分为硬铁磁质和软铁磁质。其中Hc小者易磁化也易去磁，叫软磁质，它适宜于制作电机、变压器和收录机磁头的磁芯等；Hc大者，不易磁化也不易