4.磁场中的磁介质分析

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,college physics,第四节,磁场中的磁介质,一、磁介质及其磁化机制,1. 磁介质,在磁场作用下能发生变化并能反过来影响磁场的媒质叫做磁介质。,在一个通电流I的长直螺线管中有一个均匀磁场B0,将磁介质布满该磁场保持电流不变。试验觉察:不同磁介质中的磁场不同，有的比B0略小,有的比B0略大，有的比B0大很多倍。,该磁介质的相对磁导率,1定义,2分类,磁介质的分类,铝,顺磁质,抗磁质,铁磁质,磁介质的分类及举例,1+10,1-10,-5,10,-4,college physics,分子磁矩,分子是一个简单的带电系统。原子中电子参与两种运动：自旋及绕核的轨道运动，对应有轨道磁矩和自旋磁矩。一个分子对应一个等效电流i , 相应有一个 分子等效磁矩。,是各个的电子轨道磁矩、电子自旋磁矩、原子核磁矩的总和。,分子电流所对应的磁矩在外磁场中的行为打算介质的特性。,2 磁介质磁化的微观机制,college physics,在外磁场作用下磁介质消失磁性或磁性发生变化的现象称为磁化。,无外磁场作用时，由于分子的热运动，分子磁矩取向各不一样,整个介质不显磁性。,1 顺磁质的磁化,分,子,磁,矩,顺磁质分子的固有磁矩不为零，即：,college physics,这一力矩使分子磁矩转向外磁场的方向。,有外磁场时，分子磁矩要受到一个力矩 的作用。,M,B,0,p,m,顺磁质磁化结果，使介质内部磁场增加。,B,0,B,0,2 抗磁质的磁化,抗磁质分子的固有磁矩为零，即分子中全部电子自旋磁矩和轨道磁矩的矢量和为零。但是在外磁场中会产生分子感应磁矩。,college physics,以分子中某个电子的轨道运动为例（分子固有磁矩为零,分子中某个电子的轨道磁矩不见得为零）,电子的轨道运动角动量 与轨道磁矩 如图所示,该磁矩在外磁场中要受力矩 , 所以 的方向即 的方向， 要发生,进动,（俯视为顺时针方向进动）。,进动附加的进动角动量,是与 的方向一致的。与这一进动相应的磁矩 ，称感应磁矩，它是 与反向的。,反向磁矩对应的磁场,使介质内部磁场减弱。,虽然顺磁质分子也会产生感应磁矩,但由于它远小于固有磁矩相差五个数量级,所以顺磁质中主要是固有磁矩起作用。,顺磁质磁化微观机制,真空中,的磁场,介质的分子磁矩,(分子中的电子自旋和绕核运动,形成的电子磁矩的矢量和),无外场,磁矩随机取向,相互抵消.,顺磁质的磁化微观机制,施加,顺磁质的,同向.,抗磁质磁化微观机制,真空中,的磁场,抗磁质的磁化微观机制,抗磁质的分子磁矩矢量和近乎零.,(顺磁质亦有此效应,其影响相对较小).,施加 ,引起感应分子电流(无阻),所形成的 与 反向.,college physics,二、磁介质的磁化规律,1. 磁化电流,顺磁质在磁场中,它的分子固有磁矩沿外磁场排列起来,如下图。,对均匀的顺磁介质，内部各点处的小分子电流会相互抵消；外表上的小分子电流没有抵消，它们方向一样，相当在外表上有一层外表电流。,这种未被抵消的外表电流称为磁化电流或束缚电流其大小反映了磁化的强弱。,顺磁质的磁化电流使磁介质内部原磁场得到加强，抗磁质的磁化电流使磁介质内部原磁场被减弱。,磁化电流,表面形成磁化电流,磁化电流与磁化电流密度,磁化电流密度,内部分子电流抵消,1. 磁化强度与磁化电流,1磁化强度,三、磁介质的磁化规律,=,p,M,m,V,p,m,+,对于顺磁质,p,m,p,m,1，BB0,对各向同性均匀磁介质：,一、磁介质的磁化曲线,1. 试验方法如图,2 . 磁化曲线 HB曲线,1弱磁质顺磁质、,抗磁质， 为常量。,2铁磁质， 是变量。,college physics,H,B曲线斜率：,3. 铁磁向顺磁质的转化 当温度到达肯定时，铁磁质转变为顺磁质。这一温度被称为“居里点”。,B,m,是饱和磁感应强度,college physics,二、铁磁质的磁化过程与磁滞回线,1. 过程：,初始磁化曲线0a,磁滞回线：,a,b,c,a,b ,c,a,2. 特征值：Br剩磁 (H=0时的B值)；Hc矫顽力使B= 0 的,反向磁场强度H值3. 磁滞：B的变化总是滞,后于H的变化。,在交变电磁场中，,铁磁质的反复磁化，将引起介质的发热，称为磁滞损耗与磁质回线所包围的面积成正比。,P. 居里Pierre Curie,1859 1906,M. 居里(居里夫人), Marie Sklodowska,Curie 18671934,法国科学家P.居里和M.居里夫妇，女儿I.约里奥-居里和女婿F.约里奥-居里。他们先后获得 3 次诺贝尔奖，主要以其放射性争论在近代科学技术进展中所作的奉献而著名于世。,1895年与夫人一起争论放射性，觉察了钋和镭两种元素。1903年他们夫妇和A.-H.贝可勒尔见贝可勒尔家族共同获得诺贝尔物理学奖。1904年任巴黎大学教授。1905年被选为法国科学院院士。1906年4月19日在巴黎死于车祸。,一P. 居里Pierre Curie彼埃尔1859 年 5 月 15 日生于巴黎，1906年4月19日卒于同地。16岁入巴黎大学理学院 ，毕业后任该校试验室助理，1880年与其兄J.居里共同觉察晶体的压电现象 。 1895 年觉察顺磁体的磁化率与热力学温度成反比，即居里定律见磁性物理学、磁介质。他的不同温度下磁性的论文，使他获得科学博士学位。为了纪念他在磁性方面的争论成果，后人将铁磁性转变力顺磁性时的温度，称为居里温度或居里点。,二M. 居里 Marie Sklodowska Curie 玛丽娅 习称居里夫人。1867年11月7日生于波兰华沙 ，1934年7月4日卒于萨拉西沃四周 。1891年到法国深造 ，1893年以优异成绩毕业于巴黎大学理学院物理系，1894年毕业于数学系。1895 年和 P.居里结婚。在贝可勒尔觉察铀盐的放射现象以后，M.居里决心查找其他物质是否也具有铀盐的这种性质，乃首创放射性一词。她觉察钍也具有放射性，沥青铀矿则有着比铀盐高得多的放射性。她认为在沥青铀矿中肯定存在着某种未知的、放射性很强的元素。于是她和P.居里在试验室中，用化学方法和测定放射性的手段，从数以吨计的沥青铀矿中提取少量的未知元素 ，结果在1898年觉察了钋和镭 。,钋Polonium的命名是为了纪念M.居里的祖国波兰。M.居里所开创的、用放射性进展化学分别与分析的方法奠定了放射化学的根底 。因对放射性争论的奉献，他们和贝可勒尔共同获得1903年诺贝尔物理学奖，同年她获科学博士学位。1906年P.居里去世后 ，她接替了丈夫的工作 ，成为巴黎大学第一位女教授 。1910年又提炼出金属态的纯镭 。1911年 ，因觉察元素镭和钋、分别出纯镭和对镭的性质及化合物的争论，又再获得诺贝尔化学奖 。在第一次世界大战期间 ，她和她的长女I.居里婚后称I.约里奥-居里一起参与战地医疗效劳 ，担负伤员的X射线透视工作 。她乐观提倡把镭用于医疗方面 ，使辐射治疗得到推广和提高，以造福于人类。,college physics,2. 磁化强度,磁化的强弱还可以用磁化强度来描述。其定义为单位体积内分子磁矩的矢量和。单位：安培/米 (,A/m,)。,分子固有磁矩矢量和,分子附加磁矩矢量和,对于顺磁质,可忽略,对于抗磁质,试验说明:在各向同性的顺磁质、抗磁质内,有 ：,对顺磁质: 平行于 。,对抗磁质: 反平行于 。,解释局部,college physics,3. 磁化电流与磁化强度的关系,以顺磁质为例，设其内部p点处的 、 如下图所示。,等效分子电流,为,i,半径为,r,分子磁矩为 ,任取一微小矢量元 ,它与 的夹角为,，则,与 套住的分子电流的中心都是位于以 为轴、以,r,2,为底面积的小柱体内。,假设单位体积内的分子数为n，则与套连的总分子电流为：,college physics,磁介质上任一点处的磁化电流,与该点处磁化强度之间的关系。,在磁介质内部任取一面积,S,其周界为,L，,则通过,S,面的磁化电流为：,穿过任一回路的束缚电流 I,的代数和，等于磁化强度沿此回路的环流。,假设磁介质被均匀磁化, 则,即通过均匀磁化的磁介质内部任意面积的磁化电流为零。,磁介质安培环路定理,(剖面),磁介质中的安培环路定理,回路 的环流:,载流螺线环,N匝,导线中的,传导电流,介质表面的,磁化电流,能有更方便的表达吗,college physics,若 选在磁介质的表面上,可以看出表面会有磁化面电流。,定义:,垂直磁化面电流方向的单位长度上的磁化面电流,称为,磁化面电流密度。,它与磁化强度的关系为：,在如图磁介质的侧面上，与磁介质的外表平行, =0,有,二者的矢量关系为：,续7,磁介质中的安培环路定理(续),载流螺线环,N匝,回路 的环流:,能有更方便的表达吗,其中,磁场强度,A m,-1,磁介质中的安培环路定理,1922年由于她在放射性物质的化学及其在医学上的应用的奉献而选为法国医学科学院院士。由于长期从事放射性工作，得了恶性贫血白血病，于 1934 年7月4日在萨拉西沃四周逝世。,