磁介质响应外磁场而产生磁化电流的过程

1、第十五章 磁介质 (Magnetic Medium),1 顺磁性和抗磁性 2 磁化强度和磁化电流 3 介质中的磁场 磁场强度 4 铁磁性,在电学中曾研究过电场使电介质极化， 极化的电介质又产生附加电场的过程 本章将讨论发生在磁现象中的相似过程,1 顺磁性和抗磁性,一、磁介质及其分类,磁介质： 凡处于磁场中与磁场发生作用的物质都称为磁介质,磁化电流： 磁介质物质分子中的原子核和电子都在运动，它们受到外磁场的作用力要改变运动状态，其结果是使磁介质中出现宏观的电流磁化电流,磁化： 磁介质响应外磁场而产生磁化电流的过程磁化 物质的这种性质被称为磁性,磁介质应用： 制造磁芯材料作为功率器件应用于发电和电机等领域 制造信息存储器件如磁带、磁盘等,与电介质相似，放入磁场中的磁介质要和磁场发生相互作用，其情形是这样的：,磁介质在磁场 中被磁化，产生磁化电流，磁化电流产生一附加磁场,那么，空间任意一点磁场的磁感应强度 应该是附加磁场与原磁场的迭加,由于不同磁介质有不同的磁化特性，它们磁化后所激发的附加磁场会有所不同，根据 B 与 B0 大小关系将磁介质进行分类：, 相对磁导率,反映磁介质对原场的影响程度

2、,1、顺磁质：,2、抗磁质：,3、铁磁质：,特点：激发的附加磁场极其微弱,与 相差很小,如锰、铬等,如铜，汞、金等,如铁、镍、钴等,在磁场中引入铁磁质，能显著增强磁场强度,4、超导体:,完全抗磁性物质,磁介质的分类,处在磁场中的不同磁介质为什么会呈现上述不同的磁性？,通过前面的学习，知道任何物质所表现的宏观特性都是物质内部大量原子或分子特性的平均效果，因此研究物质磁性应该从物质的微观结构去探讨磁性的根源。,二、磁介质磁性的微观本质,首先研究物质中单个原子的磁性,原子中电子的磁矩,原子内的电子有着双重运动， 即整体的绕核运动和电子本身的自旋运动,电子的这两种运动都会产生磁效应,电子绕核运动轨道运动,当电子以速率 v 在半径为 r 的圆周上绕核旋转时， 犹如原子中存在一个闭合的小圆电流,是电子作轨道运动产生的磁矩,电子轨道磁矩,小圆电流可用磁矩来描述，记作,L:电子轨道角动量,电子为负电荷，电流绕向与电子运动方向相反，所以电子轨道角动量方向与电子轨道磁矩的方向相反,为电子轨道磁矩与电子轨道角动量的一个重要关系,表明：对于一个电荷系统，如果它具有角动量， 就一定具有磁矩，这是因为角动量是描述

3、系统转动的物理量，一个电荷系统在转动，它就等效于一个圆电流，也就具有相应的磁矩,电子自旋运动,对于电子的自旋运动，也有相应的角动量和磁矩，分别称为自旋角动量和自旋磁矩,用 和 表示,实验证明：,磁场中的核外电子,设想将一个正在绕核作圆周运动的电子放在外磁场中，,外磁场的磁感应强度为,电子轨道角动量,电子轨道磁矩,与电子作轨道运动所对应的圆电流在磁场中受到的磁力矩为,用图来表示,可见， 与 垂直，,由质点的角动量定理 (外力矩等于固有角动量的时间变化率),意味着：在磁力矩 作用下， 电子的轨道角动量 方向不断发生变化，由于 始终与 和 决定的平面垂直， 方向绕平行于磁场方向的某一固定轴发生于转动,这一磁矩称为原子在外磁场中的感应磁矩 从图上可以看出方向总是逆着外磁场方向,在外磁场作用下，电子的绕核运动的轨道平面， 整个地绕外磁场方向发生进动，即电子轨道平面的法线绕外磁场转动,其图象为,方向绕平行于磁场方向的某一固定轴发生于转动,进动,其结果，使电子产生附加转动，从而形成附加的磁矩,由磁矩定义,感应磁矩也对应一电流,这一电流产生的附加磁场 其方向也总是逆着外磁场方向,总是对应一电流,L,B

4、,0,在外磁场作用下 电子轨道的进动,电子轨道平面,L,B,0,在外磁场作用下 电子轨道的进动,电子轨道平面,L,B,0,在外磁场作用下 电子轨道的进动,电子轨道平面,L,B,0,在外磁场作用下 电子轨道的进动,电子轨道平面,L,B,0,在外磁场作用下 电子轨道的进动,电子轨道平面,L,B,0,在外磁场作用下 电子轨道的进动,电子轨道平面,L,B,0,在外磁场作用下 电子轨道的进动,电子轨道平面,L,B,0,在外磁场作用下 电子轨道的进动,电子轨道平面,L,B,0,在外磁场作用下 电子轨道的进动,电子轨道平面,L,B,0,在外磁场作用下 电子轨道的进动,电子轨道平面,L,B,0,在外磁场作用下 电子轨道的进动,电子轨道平面,L,B,0,在外磁场作用下 电子轨道的进动,电子轨道平面,磁介质的顺磁性和抗磁性,a. 顺磁质的磁化机制 （顺磁性）,若磁介质的分子磁矩不为零，在未加外磁场时，由于各个分子磁矩的方向是完全混乱的，彼此抵消，宏观上不产生磁效应。,加上外磁场后，分子磁矩将不同程度地沿着外磁场方向排列起来，在宏观上呈现出附加磁场，附加磁场与外磁场有相同方向。,主要是由分子磁矩规则取向形成

5、取向磁化,b. 抗磁质的磁化机制（抗磁性）,若磁介质的分子磁矩为零 未加磁场，宏观不现磁性,加外磁场，在外磁场作用下介质中的每个分子中的电子因发生进动产生感应磁矩，产生的附加磁场方向与外磁场方向相反故削弱了外磁场,主要是由分子产生感应磁矩形成感应磁化,从导体横截面看，导体内部分子电流两两反向，相互抵消。导体边缘分子电流同向,未被抵消的分子电流沿着柱面流动 。,分子电流可等效成磁介质表面的磁化电流 Is， Is产生附加磁场。,磁介质在外磁场中发生的上述微观过程，会使介质内或介质表面出现宏观电流，这个电流不是自由电子的长距离漂移运动所致，而是由规则排列的分子电流组成，就好象是不同分子中的束缚电子的“接力”运动，故称束缚电流，也称磁化电流。,以上就是所讨论的磁介质磁性的微观机制,以后研究介质磁性和介质中磁场的规律， 可以不再分析介质磁化的微观细节， 而是将每个介质分子用具有相同磁矩的“分子圆电流”来代替。 并假设“分子圆电流”的电流强度为I，截面积为S， 对应的分子磁矩为,为“分子圆电流”平面的法向单位矢量,其方向与“分子圆电流”方向构成右手螺旋系,2 磁化强度和磁化电流,在研究电介质极化时

6、，不涉及电极化的微观过程， 引入一个宏观物理量极化强度 来描述介质的极化程度,仿照在研究介质极化时采用的方法， 对于磁介质，同样不涉及磁化的微观过程， 只引用一个宏观物理量来描述介质的磁化程度,1、磁化强度,定义: 磁介质中单位体积内分子磁矩的矢量和，记作,在介质中任取一体积元,代表 内第个 i 分子的磁矩,说明,单位：安/米，A/m,方向：与分子磁矩矢量和同向。,a. 体积元宏观足够小，微观足够大,b. 可以反映介质中任一点磁化程度，所以 应 是磁介质内空间各点的位置函数,若在某介质内各点的都相同，则称为均匀磁化,c. 对于顺磁质：,方向与 同,方向与 反,对于抗磁质：,(ii) 真空中,d. 注意 (i) 无外磁场 时，介质中,是指分子附加磁矩，,方向与 反,2、磁化电流,在电介质极化时出现附加电场， 是由极化电荷贡献的， 极化电荷面密度与极化强度有关。,在磁介质磁化时出现附加磁场， 是由磁化电流产生的， 磁化电流是如何分布的？ 磁化电流线密度与磁极化强度有什么关系呢？,总效果：在磁介质表面形成磁化电流,：代表分子圆电流,均匀、各向同性的顺磁质,?,斜柱体总磁矩：,想象从磁介质表面处挖出一小的斜柱体,根据定义：,磁化电流线密度,或,已知磁化强度求磁化电流：,在两种磁介质的界面处情况如何？,对比电介质学习,磁化强度,磁化强度与磁化电流的关系,极化强度,电介质,磁介质,例 求均匀磁化介质球磁化电流及其在球心处产生磁场。,球带状圆电流在 球心处产生磁场,

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