第13章 磁介质中的磁场

第13章磁介质中的磁场◆本章学习目标1．了解磁介质对磁场的影响。2．理解磁介质中安培环路定理的意义。3．了解铁磁质的一些特性。◆本章教学内容1．磁介质顺磁质和抗磁质的磁化2．磁场强度磁介质中的安培环路定理3．铁磁质◆本章教学重点了解磁介质磁化的微观机制的基础上理解磁场强度的定义及其环路定理的意义。◆本章教学难点在磁介质中的安培环路定理的实际应用。◆本章学习方法建议及参考资料本章的重点在于了解磁介质磁化的微观机制的基础上理解磁场强度的定义及其环路定理的意义。要强调注意H是一个辅助物理量没有直接的物理意义，H的环流只与传导电流有关，但H本身一般不是仅由传导电流决定；有介质存在时安培环路定理是描述磁场性质的基本定理之一，也是普遍的电磁场方程之一，要着重讲解；对于铁磁性介质的讨论以介绍磁化曲线的磁滞回线为主，适当介绍磁畴。要求学生明确铁磁质的磁化率和磁导率不是常数。参考资料：程守洙《普通物理学》（第五版）、张三慧《大学物理基础学》及马文蔚《物理学教程》等教材。

§13.1磁介质、顺磁质和抗磁质的磁化一、磁介质的磁化顺磁质（）、抗磁质（）、铁磁质（）二、顺磁质的磁化分子磁矩，在分子中运动电子对外磁效应的总和可以用一个等效的圆电流表示，称为分子电流，其磁矩称为分子磁矩。B0B在外场作用下顺磁质的磁化对于顺磁性物质，因为其每个分子具有一不定期的固有磁矩，当在外磁场作用时，各分子磁矩受到磁力矩的作用，固有磁矩将力图转动外场方向来，这样，其产生的与外场方向相同，B0B在外场作用下顺磁质的磁化当分子的固有磁矩为零时，物质显示为抗磁性，当分子的固有磁矩不为零时，因为>>（固有磁矩远大于附加磁矩），虽然有抗磁性存在，但其作用太小，因而显示为顺磁性，所以说，抗磁性存在于一切磁介质中。三、抗磁质的磁化抗磁性是由于分子或原子内部的电子轨道运动在外场的作用下进动的结果，抗磁性存在于一切磁介质当中。在外磁场作用下，电子除绕原子核运动和自旋外，还要以外场方向为轴转动，称为电子的进动，不论电子的原来运动情况如何，如果面对着的方向来看，进动的转向（电子动量绕转动的方向）总是反时针的，电子的进动相当于一个圆电流，因电子带负电，其产生的附加磁矩的方向永远与反向，这即是抗磁性的机制。如下图。iipmpPmB0epmpPmB0图1在外磁场中电子的进动和附加磁场四、磁化强度矢量定义：单位体积内分子磁矩的总和，即：；为分子磁矩单位：安培·米-1，代号安·米-1（A·m-1）

§13.2磁场强度介质中的安培环路定理一、磁场强度磁介质中的安培环路定理ILCDILCDAB（1）；Is为分子电流元引起的穿过闭合回路的分布电流。CDABa321设分子园电流的半径为aCDABa321；则；（1）式可写为：改写为：（2）记为磁场强度，单位与相同。有：（3）（3）式即为磁介质中的安培环路定律，它说明：磁场强度沿任何回路的线积分，等于通过该回路的电流之和。根据实验可知：（4）xm为介质的磁化率，xm>0为顺磁质，xm<0为抗磁质。为相对磁导率，为磁导率。在介质中，毕-萨定律形式为：和（4）说明：与一样，是引进的一个物理量。例如图，求无限长同轴圆柱体问P和外面Q点的磁感强度。解：对介质中的P点，作如图所示回路有：RIIQPRIIQPr即：对介质外的Q点，作回路2：有

§13.3铁磁质一、铁磁质的磁化性能1．磁畴在铁磁质内部，原子问相互作用是非常强烈的，内部形成一些小区域，叫做磁畴，在磁畴中，原子的磁矩排列的很整齐，因此它具有很强的磁性，称为自发磁化，当加上外场时，各磁畴中的磁矩沿外场取向，显示出很强的磁性，其形状如下图。无外磁场对外不显磁性有外磁场对外显强磁性根据实验观察，磁畴的体积约为10-12m3，其中含有1012～1015无外磁场对外不显磁性有外磁场对外显强磁性2．磁化曲线：HBB=f(HHBB=f(H)O但对铁磁质，其线性关系即不存在了，下图为铁磁质的磁化曲线，也叫初始磁化曲线。BHO12BHO1234Bmax由实验知，铁磁质的磁化和温度有关，磁化能力与温度升高而减小，当达到某一温度时，铁磁质就近化为顺磁质，这个温度叫居里温度或居里点，这是因为，剧烈的分子热运动破坏了磁畴。3．磁滞回线Br为剩余磁感强度，称为剩磁（即H=0时，B=Br），Hc为矫顽力（B=0时，H=Hc）代表铁样质抵抗去磁的能力。HBBmBrHmHcOabab磁滞现象是铁磁质的一个重要特性。如右图所示，当磁场从Hm开始减小时，B并不沿起始曲线0a减小，而是沿另一条曲线ab缓慢地减小，这种B的变化落后于H的变化现象叫做磁滞现象。由于磁滞的原因，当磁场强度H减小到0时，B仍有一定的数值Br，Br称为剩余磁感强度，简称剩磁。当反向磁场增加到H=-Hc时，B等于0，这时铁磁质的剩磁消失了，HHBBmBrHmHcOabab铁磁质在交变电场中被反复磁化时，磁滞效应是损耗能量的，所损耗的能量与磁滞回线所包围的面积成正比。二、铁磁质的性质和分类根据上面的实验可以看出铁磁质具有三条重要的性质：性质1：高值，即铁磁质的磁导率远大于真空中的磁导率。性质2：非线性，即铁磁质B与H之间不存在线性关系。性质3：磁滞。三、铁磁质的应用磁屏蔽在两种介质的交界面上，磁感应强度经折射发生变化，即发生磁感线（B线）折射，从而可能发生磁屏蔽，如图为A为一个磁