大学物理课件：第八章 恒定电流的磁场4

1、通 知请尽快上网选大学物理实验课！请尽快上网选大学物理实验课！磁介质：磁介质：在磁场作用下，其内部状态发生变化，并反在磁场作用下，其内部状态发生变化，并反过来影响磁场分布的物质。过来影响磁场分布的物质。轨道磁矩轨道磁矩自旋磁矩自旋磁矩分子分子 电电子子磁效应磁效应总和总和等效圆电流等效圆电流分子磁矩分子磁矩nmISeomIm磁磁介质分类：介质分类：1 1）顺磁质）顺磁质 分子分子的固有磁矩不为零。的固有磁矩不为零。 2 2）抗磁质）抗磁质 分子分子的固有磁矩为零。的固有磁矩为零。 mmmBBB0总磁感总磁感强度强度附加磁附加磁感强度感强度外加磁外加磁感强度感强度磁化磁化后介质内部的磁场与附加磁

2、场和外磁场的关系：后介质内部的磁场与附加磁场和外磁场的关系：磁化磁化：磁介质在磁场作用下磁介质在磁场作用下内部状态的内部状态的变化变化。1) 1) 顺顺磁质的磁化磁质的磁化顺磁质：顺磁质：0分子分子m0)(Vm分子分子无外磁场时无外磁场时：分子的固有磁矩：分子的固有磁矩 杂乱无章排列。杂乱无章排列。由于热运动由于热运动宏观上不显磁性。宏观上不显磁性。有外磁场时有外磁场时：分子磁矩：分子磁矩 转向转向外磁场的方向。外磁场的方向。磁力矩磁力矩0B外磁场撤消：外磁场撤消：由于热运动破坏分子磁矩的定向排列，由于热运动破坏分子磁矩的定向排列， 所以宏观上又不显磁性。所以宏观上又不显磁性。 宏观上表现：宏

3、观上表现：在磁介质表面出现磁化电流在磁介质表面出现磁化电流。在磁介。在磁介质内的质内的磁感磁感应强度增大。顺磁质产生磁化电流很小，应强度增大。顺磁质产生磁化电流很小，因此因此顺磁质为弱磁质。顺磁质为弱磁质。顺磁质顺磁质( (锰、铬、铂、氧、氮等锰、铬、铂、氧、氮等) )0BB 2 2）抗磁质的）抗磁质的磁化磁化 无外磁场时：无外磁场时：抗磁质不显磁性。抗磁质不显磁性。mm加外磁场时加外磁场时: :抗磁质分子在外磁场的作用下，将产生抗磁质分子在外磁场的作用下，将产生和外磁场方向相反的附加磁场。和外磁场方向相反的附加磁场。ff01020BmIB0B0分子m抗磁质：抗磁质：mm外磁场撤消：外磁场撤消

4、：宏观上又不显磁性。宏观上又不显磁性。 宏观上表现：宏观上表现：在磁介质表面出现磁化电流。在磁介质表面出现磁化电流。在磁介在磁介质内的质内的磁感磁感应强度减小。抗磁质产生磁化电流很小，应强度减小。抗磁质产生磁化电流很小，因此因此抗磁质也为弱磁质。抗磁质也为弱磁质。说明说明任何磁介质都有抗磁性。但在顺磁质中，以固任何磁介质都有抗磁性。但在顺磁质中，以固有磁矩有磁矩的转的转向为主，抗磁性被掩盖了。向为主，抗磁性被掩盖了。抗磁质抗磁质( (铜、铋、硫、氢、银等铜、铋、硫、氢、银等) )0BB 3 3）铁铁磁磁质的质的磁化磁化 磁滞回线eocdBaHcHbfcHrBrB 铁磁质中B 和r 随H 的变化

5、曲线HrHB cHBr、sHO铁铁磁质的主要特点可归纳为磁质的主要特点可归纳为1 1 ) ) 相对磁导率高。相对磁导率高。 2 2 ) ) 磁化曲线的非线性；磁化曲线的非线性；3 3 ) ) 磁滞。磁滞。 4 4）存在居里温度。）存在居里温度。磁化规律：磁化规律：铁铁磁质磁质的分类及应用的分类及应用3) 3) 电子计算机中的记忆元件电子计算机中的记忆元件 矩磁材料。矩磁材料。1) 1) 做变压器、电机的铁心做变压器、电机的铁心 磁滞回线窄、剩磁小磁滞回线窄、剩磁小的材料的材料 软磁性材料软磁性材料。 2) 2) 制造永磁铁制造永磁铁 磁滞回线宽、剩磁大的材料磁滞回线宽、剩磁大的材料硬硬磁性材料

6、。磁性材料。抗磁质抗磁质( (铜、铋、硫、氢、银等铜、铋、硫、氢、银等) )0BB 铁磁质铁磁质( (铁、钴、镍等铁、钴、镍等) )0BB 4 4）磁）磁介介质的磁化特性质的磁化特性 抗磁质抗磁质和大多数的顺磁质的一个共同特点：它和大多数的顺磁质的一个共同特点：它们所激发的们所激发的。顺磁质顺磁质( (锰、铬、铂、氧、氮等锰、铬、铂、氧、氮等) )0BB BBB0说明说明 反映反映磁介质磁化程度磁介质磁化程度( (大小与方向大小与方向) )的的物理量。物理量。1)1)均匀均匀磁化磁化2)2)非非均匀磁化均匀磁化VmmM分子分子VmmMV分子分子0lim1 1、磁化强度、磁化强度：单位体积内所有

7、单位体积内所有分子固有磁矩的矢量分子固有磁矩的矢量和和 加加上上附加磁矩的矢量附加磁矩的矢量和和 , ,用用 表示。表示。 M分子m分子m单位单位：A/m1)1)对顺磁质对顺磁质 可以忽略可以忽略2)2)对抗磁质对抗磁质0分子m0M4 4）外）外磁场为磁场为零零: :磁化强度磁化强度为零。为零。5)5)外外磁场不为零磁场不为零: :顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质同向、0BM反向、0BM分子m3)3)对于真空对于真空1)1)各向同性各向同性的的均匀介质在均匀介质在匀强磁场匀强磁场中被磁化后，中被磁化后，各分子电各分子电流平面转到与磁场的方向垂直流平面转到与磁场的方向垂直。 磁化电流磁化电流 B2)2)

8、介质介质内部任一点总有两个方向相反的分子电流通过内部任一点总有两个方向相反的分子电流通过，各，各分子电流相互抵消，而在介质表面，各分子电流相互叠加，分子电流相互抵消，而在介质表面，各分子电流相互叠加，在磁化圆柱的在磁化圆柱的表面出现一层电流表面出现一层电流，好象一个载流螺线管，好象一个载流螺线管，称为称为磁化面电流磁化面电流（安培（安培表面电流）。表面电流）。特例：长直螺线管内充满均匀特例：长直螺线管内充满均匀 磁化电流磁化电流 B磁化面电流lIssS lSImss分子VmM分子ssSlSlMABCDlsII设设介质表面沿轴线方向单位长度上的磁化电流为介质表面沿轴线方向单位长度上的磁化电流为

9、(磁化面电流线密度磁化面电流线密度),则则长为长为l 的一段介质上的的一段介质上的磁化电磁化电流流强度强度IS为为s总磁矩总磁矩分子m：忽略BAlMlMddABM MlsMssdIllM注注: :磁化强度磁化强度对闭合回路的线积分等于对闭合回路的线积分等于通过回路所包围的面积内的通过回路所包围的面积内的总总磁化电流。磁化电流。取取一长方形闭合回路一长方形闭合回路ABCD，AB边在磁介质内部，平行边在磁介质内部，平行与柱体轴线，长度为与柱体轴线，长度为l，而，而BC、AD两边则垂直于柱面。两边则垂直于柱面。柱外各点柱外各点 等于零等于零，内部则平行于，内部则平行于AB边，边， 对整个回路对整个回

10、路积分积分MMMABCDlsII内）（LiLIlB00d1 1）无）无磁介质时安培环路定理磁介质时安培环路定理2 2）有）有磁介质时磁介质时)(d0siIIlBlMIds)d(d0lMIlBiiIlMBd)(01 1、磁、磁场强度场强度l定义定义磁场强度磁场强度：MBH0磁介质磁介质中的安培环路定理：中的安培环路定理：磁场强度沿任意闭合路磁场强度沿任意闭合路径的线积分等于穿过该路径的所有径的线积分等于穿过该路径的所有的代数的代数和，而与和，而与磁化电流磁化电流无关。无关。有磁介质时的有磁介质时的安培环路定理安培环路定理iIlMBd)(0iIlHd1)1)磁场强度磁场强度矢量的环流只和矢量的环流

11、只和传导电流传导电流I 有关，而在形式有关，而在形式上与磁介质的磁性无关。上与磁介质的磁性无关。2)2)利用利用有磁介质时的有磁介质时的安培环路定理计算安培环路定理计算具有高度对称性具有高度对称性分布的磁场。分布的磁场。MBH0介质介质中任一点磁场强度、磁感应强中任一点磁场强度、磁感应强度、磁化强度之间的度、磁化强度之间的普遍关系普遍关系，不，不论介质是否均匀。论介质是否均匀。 3)4)4) 为为研究介质中的研究介质中的磁场方便而引入的物理量磁场方便而引入的物理量， 才是才是反映磁场性质的基本物理量。反映磁场性质的基本物理量。HBiIlHdMBH0MHB00实验证明：对于各向同性的实验证明：对

12、于各向同性的介质介质HMm 称为称为磁介质的磁介质的磁化率磁化率m( (成正比成正比) )HMHB)1 ()(m00mr1HHBr0r0相对磁导率相对磁导率磁导率磁导率0m1、磁场强度、磁场强度矢量的环流只和矢量的环流只和传导电流传导电流I 有关，而有关，而在形式上与磁介质的磁性无关。在形式上与磁介质的磁性无关。有无磁介质不影响磁场强度有无磁介质不影响磁场强度 的值的值H无磁介质无磁介质( (真空真空) )：HB00有磁介质：有磁介质：HHBrm00)1 (0m0BBr2 2、磁化率仅与、磁化率仅与磁介质的性质磁介质的性质有关：有关：1)1)磁介质均匀磁介质均匀: :常量常量2)2)磁介质不均

13、匀磁介质不均匀: :空间位置函数空间位置函数3、铁磁质铁磁质中中B与与H以及以及M与与H之间没有线性正比关系，之间没有线性正比关系，甚至不存在单值关系，式甚至不存在单值关系，式 成立成立，但磁化率，但磁化率不在是常数。不在是常数。HB顺磁性、抗磁性材顺磁性、抗磁性材料的磁化率很小料的磁化率很小1)1)顺磁质顺磁质: :1r0m2)2)抗磁质抗磁质: :1r0m00(1)rmBBB例例8-9在在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质，已均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质，已知螺绕环中的传导电流为知螺绕环中的传导电流为 ，单位长度内匝数，单位长度内匝数 ，环的，环的横截面半径比环的平均半径小得多，

14、磁介质的相对磁横截面半径比环的平均半径小得多，磁介质的相对磁导率和磁导率分别导率和磁导率分别为为 和和 。求。求环内的磁场强度和磁环内的磁场强度和磁感应强度。感应强度。InrNIlHd解：解：在环内任取一点，过该点在环内任取一点，过该点作一和环同心、半径为作一和环同心、半径为 的圆的圆形回路。形回路。r式式中中 为螺绕环上为螺绕环上线圈的线圈的总匝数。由总匝数。由对称性对称性可知，可知，在所取圆形回路上各点的在所取圆形回路上各点的磁场强磁场强度的大小相等，方度的大小相等，方向都沿切线。向都沿切线。NrNIrH2nIrNIH2当环内是真空当环内是真空时时HB00当环内充满均匀介质时当环内充满均匀

15、介质时HHBr0r0BB1r1)1)环环内内磁感应强度为磁感应强度为环内是真空时的环内是真空时的 倍倍。rr说明2)2)磁场强度的值与环内有无磁介质无关。磁场强度的值与环内有无磁介质无关。例例8-13 如如图所示图所示，半径，半径为为R1的无限长圆柱体（导体的无限长圆柱体（导体 0）中中均匀均匀地通有电流地通有电流I，外面，外面有半径为有半径为R2的无限长同轴圆柱面，的无限长同轴圆柱面，两者之间充满着磁导率为两者之间充满着磁导率为 的均匀磁介质，在的均匀磁介质，在圆柱面圆柱面上通有上通有相反方向的电流相反方向的电流I。试求（。试求（1）圆柱体外圆柱面内一点的磁）圆柱体外圆柱面内一点的磁场；（场

16、；（2）圆柱体内一点磁场；（）圆柱体内一点磁场；（3）圆柱面外一点的磁场。）圆柱面外一点的磁场。解解: :( (1)1)当当两个无限长的同轴圆柱体和两个无限长的同轴圆柱体和圆柱面中有电流通过时圆柱面中有电流通过时，激发磁场轴激发磁场轴对称分布对称分布，磁介质，磁介质亦呈轴对称分布亦呈轴对称分布，不会不会改变场的这种对称分布。设圆柱改变场的这种对称分布。设圆柱体外圆柱面内一点到轴的垂直距离是体外圆柱面内一点到轴的垂直距离是r r1 1，以，以r r1 1为半径作一圆为半径作一圆，为，为积分回路，积分回路，根据安培环路定理有根据安培环路定理有IIIR1R2r2r1r312 rIHBIlHlHr120dd2)设设在圆柱体内一点到轴的垂直距在圆柱体内一点到轴的垂直距离是离是r2，则以，则以r2为半径作一圆，根据为半径作一圆，根据安培