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1、第十五章 磁介質(zhì) (Magnetic Medium),§1 順磁性和抗磁性§2 磁化強(qiáng)度和磁化電流§3 介質(zhì)中的磁場 磁場強(qiáng)度§4 鐵磁性,在電學(xué)中曾研究過電場使電介質(zhì)極化, 極化的電介質(zhì)又產(chǎn)生附加電場的過程本章將討論發(fā)生在磁現(xiàn)象中的相似過程,§1 順磁性和抗磁性,一、磁介質(zhì)及其分類,磁介質(zhì): 凡處于磁場中與磁場發(fā)生作用的物質(zhì)都稱為
2、磁介質(zhì),磁化電流:磁介質(zhì)物質(zhì)分子中的原子核和電子都在運(yùn)動(dòng),它們受到外磁場的作用力要改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài),其結(jié)果是使磁介質(zhì)中出現(xiàn)宏觀的電流——磁化電流,磁化:磁介質(zhì)響應(yīng)外磁場而產(chǎn)生磁化電流的過程——磁化物質(zhì)的這種性質(zhì)被稱為磁性,磁介質(zhì)應(yīng)用:制造磁芯材料作為功率器件應(yīng)用于發(fā)電和電機(jī)等領(lǐng)域制造信息存儲器件如磁帶、磁盤等,與電介質(zhì)相似,放入磁場中的磁介質(zhì)要和磁場發(fā)生相互作用,其情形是這樣的:,磁介質(zhì)在磁場 中被磁化,產(chǎn)生磁化電流,
3、磁化電流產(chǎn)生一附加磁場,那么,空間任意一點(diǎn)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度 應(yīng)該是附加磁場與原磁場的迭加,由于不同磁介質(zhì)有不同的磁化特性,它們磁化后所激發(fā)的附加磁場會有所不同,根據(jù) B 與 B0 大小關(guān)系將磁介質(zhì)進(jìn)行分類:,—— 相對磁導(dǎo)率,反映磁介質(zhì)對原場的影響程度,1、順磁質(zhì):,2、抗磁質(zhì):,3、鐵磁質(zhì):,特點(diǎn):激發(fā)的附加磁場極其微弱,與 相差很小,如錳、鉻等,如銅,汞、金等,如鐵、鎳、鈷等,在磁場中引入鐵磁質(zhì),能顯著增強(qiáng)磁場強(qiáng)
4、度,4、超導(dǎo)體:,完全抗磁性物質(zhì),磁介質(zhì)的分類,處在磁場中的不同磁介質(zhì)為什么會呈現(xiàn)上述不同的磁性?,,,,,通過前面的學(xué)習(xí),知道任何物質(zhì)所表現(xiàn)的宏觀特性都是物質(zhì)內(nèi)部大量原子或分子特性的平均效果,因此研究物質(zhì)磁性應(yīng)該從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)去探討磁性的根源。,二、磁介質(zhì)磁性的微觀本質(zhì),首先研究物質(zhì)中單個(gè)原子的磁性,原子中電子的磁矩,原子內(nèi)的電子有著雙重運(yùn)動(dòng),即整體的繞核運(yùn)動(dòng)和電子本身的自旋運(yùn)動(dòng),電子的這兩種運(yùn)動(dòng)都會產(chǎn)生磁效應(yīng),電子繞核運(yùn)動(dòng)——軌
5、道運(yùn)動(dòng),當(dāng)電子以速率 v 在半徑為 r 的圓周上繞核旋轉(zhuǎn)時(shí),猶如原子中存在一個(gè)閉合的小圓電流,是電子作軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁矩,—電子軌道磁矩,小圓電流可用磁矩來描述,記作,,L:電子軌道角動(dòng)量,電子為負(fù)電荷,電流繞向與電子運(yùn)動(dòng)方向相反,所以電子軌道角動(dòng)量方向與電子軌道磁矩的方向相反,,為電子軌道磁矩與電子軌道角動(dòng)量的一個(gè)重要關(guān)系,,表明:對于一個(gè)電荷系統(tǒng),如果它具有角動(dòng)量, 就一定具有磁矩,這是因?yàn)榻莿?dòng)量是描述系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)的物理量,一個(gè)電荷系
6、統(tǒng)在轉(zhuǎn)動(dòng),它就等效于一個(gè)圓電流,也就具有相應(yīng)的磁矩,電子自旋運(yùn)動(dòng),對于電子的自旋運(yùn)動(dòng),也有相應(yīng)的角動(dòng)量和磁矩,分別稱為自旋角動(dòng)量和自旋磁矩,用 和 表示,實(shí)驗(yàn)證明:,磁場中的核外電子,設(shè)想將一個(gè)正在繞核作圓周運(yùn)動(dòng)的電子放在外磁場中,,外磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為,電子軌道角動(dòng)量,電子軌道磁矩,與電子作軌道運(yùn)動(dòng)所對應(yīng)的圓電流在磁場中受到的磁力矩為,用圖來表示,可見, 與 垂直,,由質(zhì)點(diǎn)的角動(dòng)量定理
7、 (外力矩等于固有角動(dòng)量的時(shí)間變化率),意味著:在磁力矩 作用下, 電子的軌道角動(dòng)量 方向不斷發(fā)生變化,由于 始終與 和 決定的平面垂直, 方向繞平行于磁場方向的某一固定軸發(fā)生于轉(zhuǎn)動(dòng),這一磁矩稱為原子在外磁場中的感應(yīng)磁矩從圖上可以看出方向總是逆著外磁場方向,在外磁場作用下,電子的繞核運(yùn)動(dòng)的軌道平面, 整個(gè)地繞外磁場方向發(fā)生進(jìn)動(dòng),即電子軌道平面的法線繞外磁場轉(zhuǎn)動(dòng),其圖象為,
8、,,,,方向繞平行于磁場方向的某一固定軸發(fā)生于轉(zhuǎn)動(dòng),——進(jìn)動(dòng),其結(jié)果,使電子產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)動(dòng),從而形成附加的磁矩,由磁矩定義,感應(yīng)磁矩也對應(yīng)一電流,這一電流產(chǎn)生的附加磁場 其方向也總是逆著外磁場方向,,,總是對應(yīng)一電流,,,,,,,L,,,,,,,,B,0,,在外磁場作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),電子軌道平面,,,,,,,L,,,,,,,,B,0,,在外磁場作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),,電子軌道平面,,,,,,,L,,,,
9、,,,,B,0,,在外磁場作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),,電子軌道平面,,,,,,,L,,,,,,,,B,0,,在外磁場作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),,電子軌道平面,,,,,,,L,,,,,,,,B,0,,在外磁場作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),,電子軌道平面,,,,,,,L,,,,,,,,B,0,,在外磁場作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),,電子軌道平面,,,,,,,L,,,,,,,,B,0,,在外磁場作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),,電子軌道平面,,,,,,L,,,,,
10、,,,B,0,,,在外磁場作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),,電子軌道平面,,,,,,L,,,,,,,,B,0,,,在外磁場作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),,電子軌道平面,,,,,,L,,,,,,,,B,0,,,在外磁場作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),,電子軌道平面,,,,,,,L,,,,,,,,B,0,,在外磁場作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),,電子軌道平面,,,,,,L,,,,,,,,B,0,,,在外磁場作用下電子軌道的進(jìn)動(dòng),,電子軌道平面,,磁介質(zhì)的順磁性和抗磁
11、性,a. 順磁質(zhì)的磁化機(jī)制 (順磁性),若磁介質(zhì)的分子磁矩不為零,在未加外磁場時(shí),由于各個(gè)分子磁矩的方向是完全混亂的,彼此抵消,宏觀上不產(chǎn)生磁效應(yīng)。,,,加上外磁場后,分子磁矩將不同程度地沿著外磁場方向排列起來,在宏觀上呈現(xiàn)出附加磁場,附加磁場與外磁場有相同方向。,,主要是由分子磁矩規(guī)則取向形成——取向磁化,b. 抗磁質(zhì)的磁化機(jī)制(抗磁性),,若磁介質(zhì)的分子磁矩為零未加磁場,宏觀不現(xiàn)磁性,,,加外磁場,在外磁場作用下介質(zhì)中的每個(gè)分子中
12、的電子因發(fā)生進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)磁矩,產(chǎn)生的附加磁場方向與外磁場方向相反故削弱了外磁場,主要是由分子產(chǎn)生感應(yīng)磁矩形成——感應(yīng)磁化,從導(dǎo)體橫截面看,導(dǎo)體內(nèi)部分子電流兩兩反向,相互抵消。導(dǎo)體邊緣分子電流同向,未被抵消的分子電流沿著柱面流動(dòng) 。,分子電流可等效成磁介質(zhì)表面的磁化電流 Is, Is產(chǎn)生附加磁場。,磁介質(zhì)在外磁場中發(fā)生的上述微觀過程,會使介質(zhì)內(nèi)或介質(zhì)表面出現(xiàn)宏觀電流,這個(gè)電流不是自由電子的長距離漂移運(yùn)動(dòng)所致,而是由規(guī)則排列的分子電流組成,
13、就好象是不同分子中的束縛電子的“接力”運(yùn)動(dòng),故稱束縛電流,也稱磁化電流。,以上就是所討論的磁介質(zhì)磁性的微觀機(jī)制,以后研究介質(zhì)磁性和介質(zhì)中磁場的規(guī)律,可以不再分析介質(zhì)磁化的微觀細(xì)節(jié),而是將每個(gè)介質(zhì)分子用具有相同磁矩的“分子圓電流”來代替。并假設(shè)“分子圓電流”的電流強(qiáng)度為I,截面積為S,對應(yīng)的分子磁矩為,為“分子圓電流”平面的法向單位矢量,其方向與“分子圓電流”方向構(gòu)成右手螺旋系,,§2 磁化強(qiáng)度和磁化電流,在研究電介質(zhì)
14、極化時(shí),不涉及電極化的微觀過程,引入一個(gè)宏觀物理量——極化強(qiáng)度 來描述介質(zhì)的極化程度,仿照在研究介質(zhì)極化時(shí)采用的方法,對于磁介質(zhì),同樣不涉及磁化的微觀過程,只引用一個(gè)宏觀物理量來描述介質(zhì)的磁化程度,1、磁化強(qiáng)度,定義: 磁介質(zhì)中單位體積內(nèi)分子磁矩的矢量和,記作,在介質(zhì)中任取一體積元,代表 內(nèi)第個(gè) i 分子的磁矩,說明,單位:安/米,A/m,方向:與分子磁矩矢量和同向。,a.
15、 體積元宏觀足夠小,微觀足夠大,b. 可以反映介質(zhì)中任一點(diǎn)磁化程度,所以 應(yīng) 是磁介質(zhì)內(nèi)空間各點(diǎn)的位置函數(shù),若在某介質(zhì)內(nèi)各點(diǎn)的都相同,則稱為均勻磁化,c. 對于順磁質(zhì):,方向與 同,方向與 反,對于抗磁質(zhì):,(ii) 真空中,d. 注意 (i) 無外磁場 時(shí),介質(zhì)中,是指分子附加磁矩,,方向與 反,2、磁化電流,在電介質(zhì)極化時(shí)出現(xiàn)附加電場,是由極化電荷貢獻(xiàn)的,極化電荷面密度
16、與極化強(qiáng)度有關(guān)。,在磁介質(zhì)磁化時(shí)出現(xiàn)附加磁場,是由磁化電流產(chǎn)生的,磁化電流是如何分布的?磁化電流線密度與磁極化強(qiáng)度有什么關(guān)系呢?,總效果:在磁介質(zhì)表面形成磁化電流,:代表分子圓電流,均勻、各向同性的順磁質(zhì),?,斜柱體總磁矩:,想象從磁介質(zhì)表面處挖出一小的斜柱體,根據(jù)定義:,磁化電流線密度,,或,,已知磁化強(qiáng)度求磁化電流:,在兩種磁介質(zhì)的界面處情況如何?,對比電介質(zhì)學(xué)習(xí),磁化強(qiáng)度,磁化強(qiáng)度與磁化電流的關(guān)系,極化強(qiáng)度,,電介質(zhì),磁介質(zhì)
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