电介质与磁介质

1、9 电介质与磁介质电介质与磁介质 r 电介质的相对介电常数电介质的相对介电常数1r电介质电介质: :能够对外电场产生影响的绝缘物质能够对外电场产生影响的绝缘物质实验实验0uucrEE0比值与电源电压无关比值与电源电压无关磁介质磁介质: :能够在磁场中显示磁性的物质。能够在磁场中显示磁性的物质。电介质电介质云母、纸张、蒸云母、纸张、蒸馏水等。馏水等。磁介质磁介质铝、锰、铜、铋、铝、锰、铜、铋、铁、镍、硅钢等。铁、镍、硅钢等。1. 1. 电介质极化现象：电介质极化现象：v充电充电插入电介质插入电介质uuc更换电源更换电源ruu0更换介质更换介质比值与介质性质有关比值与介质性质有关 充电后极板上电荷

2、未变，而插入介质后电场变化充电后极板上电荷未变，而插入介质后电场变化. .分析分析在外电场作用下，介质中出现电荷集聚的现象在外电场作用下，介质中出现电荷集聚的现象极化现象极化现象。聚集起来的电荷称为聚集起来的电荷称为极化电荷。极化电荷。说明说明介质中产生了电荷集聚，其电场削弱了介质中的电场。介质中产生了电荷集聚，其电场削弱了介质中的电场。2. 2. 电介质的极化机理：电介质的极化机理：无极分子与有极分子无极分子与有极分子无极分子：无极分子：正负电荷中心重合。正负电荷中心重合。有极分子：有极分子：正负电荷中心不重合。正负电荷中心不重合。特点：特点：无固有的电偶极子。无固有的电偶极子。特点：特点：

3、有固有的电偶极子。有固有的电偶极子。无极分子无极分子有极分子有极分子 + + - -lqp0pHHHHC4CH0104HHOOH2v无外场时无外场时(无极分子电介质无极分子电介质)(有极分子电介质有极分子电介质)整体对外不显电性整体对外不显电性（热运动）（热运动）位移极化与取向极化位移极化与取向极化v有外场时有外场时0Ep位位移移极极化化0Ep取取向向极极化化 无极分子电介质无极分子电介质 有极分子电介质有极分子电介质束束缚缚电电荷荷束束缚缚电电荷荷r说明说明两种极化的宏观效果一样。两种极化的宏观效果一样。极化电场与外电场方向相反。极化电场与外电场方向相反。各向同性的均匀介质中极化电荷仅出现在

4、介质的表面处。各向同性的均匀介质中极化电荷仅出现在介质的表面处。00 0EEE极化电荷的电场不能完全抵消外电场，除非介质被击穿。极化电荷的电场不能完全抵消外电场，除非介质被击穿。取向极化中也有位移极化。取向极化中也有位移极化。3.3.电介质中的高斯定理电介质中的高斯定理v各向同性介质各向同性介质01EEr内qSE0001d内001dqSEr01d内qSEr0电介质的介电常数或电容率电介质的介电常数或电容率1r2r0r定义定义 电位移矢量：电位移矢量：inSSqSD0d说明说明 ：(介质中高斯定理的一般性公式。介质中高斯定理的一般性公式。)ED(2) 公式公式2适用任何电介质。适用任何电介质。(

5、3) D不受极化电荷影响不受极化电荷影响, ,在介质内连续。在介质内连续。+- - - - - - - - -+- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -DE r 公式公式1 1适用各向同性的均匀电介质适用各向同性的均匀电介质. .并且要求电介质充满并且要求电介质充满 电场所在的整个空间电场所在的整个空间, ,或介质面为等势面的情况。或介质面为等势面的情况。（各向同性介质）（各向同性介质）ED（各向异性介质）（各向异性介质）PED0解：解：此题为各向同性均匀介质，介质此题为各向同性均匀介质，介质面为等势面，应用高斯定理时，将面为等势面，应用高斯定理时，将 换

6、为高斯面所在的介质中换为高斯面所在的介质中 ，就无须考虑束缚电荷的存在。就无须考虑束缚电荷的存在。例例 导体球壳置于均匀各向同性介质中导体球壳置于均匀各向同性介质中, ,如图示如图示. .求求 (1)电电场的分布场的分布 (2)紧贴导体球表面处的极化电荷紧贴导体球表面处的极化电荷R1R21r2rR0+Q0rPV每个分子的电每个分子的电偶极矩偶极矩VpPii定义：定义：极化强度矢量极化强度矢量电偶极子排列愈有序，极化强度愈强。电偶极子排列愈有序，极化强度愈强。0) (100QQSES d) (14002QQEr ) (41020QQrE 01)11(QQr R1R21rR0+Q0rE)(4102

7、100RrRrQr )(4212200RrRrQr )(42200rRrQ )11(1r )(00Rr 例例 平行板电容器，其中充有两种均匀电介质。平行板电容器，其中充有两种均匀电介质。求求 各电介质层中的场强各电介质层中的场强AB1d2d1S2S12解解 做一个圆柱形高斯面做一个圆柱形高斯面1S内）11(dSiSqSD111SSD1D同理，做一个圆柱形高斯面同理，做一个圆柱形高斯面2S2D11E22E222SSDBArEud1211021ddddddrErE2211ddroro(1) 各电介质层中的场强不同各电介质层中的场强不同(2) 相当于电容器的串联相当于电容器的串联122121ddSu

8、qC11uqC11dS22uqC22dS21111CCC122121ddSCr讨论讨论电介质放入外场电介质放入外场roIN0E0EEE0EErEE10相对介电常数相对介电常数磁介质放入外场磁介质放入外场0B0BBB0BB?rBB0相对磁导率相对磁导率r 反映磁介质对原场的影响程度反映磁介质对原场的影响程度 4.4.磁介质的磁化磁介质的磁化磁介质放入外磁场中，产生附加磁场，使介质内的总磁场发磁介质放入外磁场中，产生附加磁场，使介质内的总磁场发生变化的现象叫做生变化的现象叫做磁介质磁化。磁介质磁化。 1r抗磁质抗磁质1r顺磁质顺磁质1r铁磁质铁磁质抗、顺磁质为抗、顺磁质为弱磁弱磁性物质。性物质。铁

9、磁质为铁磁质为强磁性物质强磁性物质抗磁质抗磁质0mp对外不显磁性对外不显磁性顺磁质顺磁质0mp由于热运动，对外也不显磁性由于热运动，对外也不显磁性v无外磁场作用时无外磁场作用时5.5.磁介质磁化的微观机理磁介质磁化的微观机理分子中电子分子中电子绕核运动绕核运动和和电子本身电子本身自旋运动自旋运动等效圆电流等效圆电流（分子电流分子电流）（分子磁矩分子磁矩）顺磁质与抗磁质顺磁质与抗磁质铁磁质铁磁质磁性物质的组合体磁性物质的组合体（磁畴磁畴）铁磁质铁磁质由于热运动，对外也不显磁性由于热运动，对外也不显磁性每个磁畴区的每个磁畴区的0mp束缚电流束缚电流0B以无限长螺线管为例以无限长螺线管为例顺顺磁磁质

10、质0I0ISI在磁介质内部的任一处，在磁介质内部的任一处，相邻的分子环流的方向相相邻的分子环流的方向相反，互相抵消。反，互相抵消。在磁介质表面处各点，分在磁介质表面处各点，分子环流未被抵消，形成沿子环流未被抵消，形成沿表面流动的面电流表面流动的面电流束缚电流束缚电流(磁化电流磁化电流)结论：结论：介质中的磁场由传导电流和束缚电流共同产生。介质中的磁场由传导电流和束缚电流共同产生。sI6.6.磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理介质内可能有磁化电流。介质内可能有磁化电流。lLIlB000d由由0BBr定义定义lrLIlB00d00uurr- 介质磁导率。介质磁导率。0dIulBL各向同性

11、的磁介质（弱磁性物质）各向同性的磁介质（弱磁性物质）各向异性的磁介质（弱磁性物质）各向异性的磁介质（弱磁性物质）0BBr介质上的束缚电流和磁化程度有关。介质上的束缚电流和磁化程度有关。 0IlHLdBH磁场强度磁场强度VpMm磁偶极子排列愈有序，磁化强度绝对值越大。磁偶极子排列愈有序，磁化强度绝对值越大。理论可证明：理论可证明：slIldMMBH0由由M定义：定义：磁化强度矢量磁化强度矢量oslIIldB000IldMBl）（定义：定义：磁场强度：磁场强度：0IldHl历史上对磁场强度和磁历史上对磁场强度和磁感应强度命名虽不大合感应强度命名虽不大合适，但一直沿用至今。适，但一直沿用至今。每个分

12、子磁矩每个分子磁矩MBH0r讨论讨论各向同性磁介质：各向同性磁介质：BH上式是介质中安培环路定理的一般性公式。上式是介质中安培环路定理的一般性公式。各向异性磁介质：各向异性磁介质：H线不受磁介质的影响。定义磁场强度后，应用安培环路定线不受磁介质的影响。定义磁场强度后，应用安培环路定理时，无须考虑磁介质和磁化电流的存在。理时，无须考虑磁介质和磁化电流的存在。铁磁质中铁磁质中HB 不是线性关系。不是线性关系。HB HrBHor比较比较 磁介质的磁化所产生的附加磁场磁介质的磁化所产生的附加磁场可以与原磁场方向相同，也可以相可以与原磁场方向相同，也可以相反。而电极化产生的附加电场只能反。而电极化产生的附加电场只能与原电场方向相反。与原电场方向相反。 磁介质有磁滞现象，电介质磁介质有磁滞现象，电介质无此概念。无此概念。例例 如图所示的环形螺线管内，充满相对磁导率为的磁介质，如图所示的环形螺线管内，充满相对磁导率为的磁介质，以以I0表示传导电流，管上均匀地绕有表示传导电流，管上均匀地绕有N匝线圈。试求螺线管内匝线圈。试求螺线管内各点的磁感应强度。各点的磁感应强度。 ro0IN解解 以半径以半径R作一圆形闭合回路，根据对作一圆形闭合回路，根据对称性及磁介质中的安培环路定