电介质和磁介质.ppt

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,*,1,电介质,一、电介质的极化实验现象,+,-,+,-,玻璃板,电压：,电容：,充电后的电容器：,电压：,电容：,插入玻璃板后：,为什么插入玻璃板后，电位差减小？插入同样大小的金属板呢？,1,绝缘介质，与导体相比是另一个极端,实验现象的解释,为什么插入玻璃板后，电位差减小？,电场：,插入玻璃板前：,电压：,+,-,+,-,+,-,电场：,插入玻璃板后：,电压：,为什么玻璃板出现电荷分布？,电场,电介质,2,二、极化的微观机制,1.,电介质分子的两种基本电结构模型,无极分子（氢、甲烷、石蜡等）电介质,：,有极分子（水、有机玻璃等）电介质：,3,2.,两种基本极化模式,1,）无极分子的位移极化,产生分子电偶矩（电偶极子）,加外电场,：,无外电场,：正负电荷重心重合，介质不带电,极化电荷,极化电荷,极化的效果,：,介质内分子偶极子定向排列，,出现,束缚电荷（极化电荷）,注：在非均匀极化时，介质内也可能出现极化电荷,4,2,）有极分子的取向极化,无外电场,：固有偶极矩杂乱排列，介质不带电,加外电场,：,分子偶极子转向与电场平行的方向,极化电荷,极化电荷,极化的效果,：,介质内分子偶极子定向排列，,出现,束缚电荷（极化电荷）,5,3.,极化现象的应用,极化电荷,极化电荷,退极化场,电介质内的总电场,6,如果外电场太强，介质的绝缘性被破坏而导电，称为介质的,击穿,；介质能承受的最大电场强度称为介质的,介电强度,。,模型：,极化介质、均匀、,分子密度为,n,；分子电偶矩均为,四、极化电荷分布与极化强度的关系,1.,体内极化电荷分布与,P,的关系,位于小柱体内的分子，极化后其电偶矩的正电荷将穿出,d,S,，即通过,d,S,的正电荷量为,h,取小柱体如图所示,母线长度,=,分子偶极矩长度,体积：,由于：,9,Q,P,与,P,的关系,由,S,穿出的电荷总量为,留在,S,内的电荷总量为,Q,P,与,P,的关系,结论：介质极化后，介质中任意闭合面,S,内的极化电荷等于极化强度在,S,上的通量的负值。,10,均匀极化：,极化后介质内极化强度处处相等，在均匀极化状态下，极化电荷仅分布于介质表面,2.,介质表面的极化电荷与极化强度的关系,取扁平小柱体如图所示,小柱体内的极化电荷量为,介质表面极化电荷面密度为,11,五,.,电介质极化和导体静电感应的区别,感应电荷是自由电子的宏观运动的结果，感应电荷可以宏观分离；极化电荷是分子正负电荷发生微观位移或者取向的结果，是束缚电荷，不能宏观运动和分离。,电介质内部场强只是减小，并不为零。,电介质在非均匀极化的时候，内部可能出现极化电荷。,12,例题,1-1,解：,极化强度：,将半径为,R,、绝对介电常数为,的介质球放在均匀外电场中,E,0,，球外为真空。若已知介质球内电场强度为,，求球面上的极化电荷的分布。,（,均匀极化,）,介质球表面极化电荷面密度：,13,五、电位移矢量、介质中的高斯定理,1.,高斯定理在有介质时的表述形式,其中：,自由电荷,极化电荷,代入高斯定理有：,在介质内任取闭合面,S,，由高斯定理：,令：,电位移矢量,电感应强度矢量,高斯定理在有介质时的表述形式,14,2.,电位移矢量与电场强度的关系,对线性、各向同性电介质：,电位移与电场强度的关系为：,其中：,（绝对介电常数）,对非线性各向异性电介质，电位移与电场强度的关系是非线性关系，并且与方向有关！,15,电介质在非均匀极化的时候，内部,可能,出现极化电荷。,对于均匀介质极化，在介质内任意取一个闭合曲面,S,，那么,又因为,对于均匀介质极化，在介质内任意取一个闭合曲面,S,，那么,对均匀介质,由于电介质内部处处没有自由电荷,=0,，所以均匀介质内部,Q,P,=0,。,16,17,例题,1-2,P131/,例题,5,P133/,例题,6,P135/,例题,7,例题,1-5,球形电容器两极之间充满介电常数为,的电介质，若电容器带电量为,Q,，求：,1,）介质中的,E,、,D,2,）电容器的电容,解：,极板间电压：,Q,R,A,R,B,-Q,过,P,取球面,S,P,r,根据高斯定理：,电容：,18,例题,1-6,求：,1,）介质中的,E,、,D,、,P,2,）极板上的电荷,3,）电容器的电容,解：,极板与介质间隙的电场：,由于：,+,-,-,+,+,过介质中某点,P,取柱面，根据高斯定理,P,（,介质内的电场,）,极板间电压：,19,例题,1-6,（续）,极板上的电荷密度：,+,-,-,+,+,（,极化强度,）,（,极板上的电荷,）,20,无电介质时，高斯定理,有电介质后，高斯定理,？,从以上的例题，好像可以得到此结论？,注意，此结论只在,（,1,）均匀电介质充满电场空间；,（,2,）均匀电介质未充满电场空间，但是介质表面为等势面。,时成立！,21,2,磁介质,一、磁介质的磁化,22,区别于电介质，考虑磁场中的介质为磁介质,1.,实验观察：,管内是真空或空气,:,均匀充满各相同性物质：,B,长直螺线管，通电流,I,介质被磁化的机理？,有关磁介质磁化的理论，有两种不同的观点：,分子电流观点,和,磁荷观点,。两种观点假设的微观模型不同，但是最后得到的宏观规律的表达式完全一样，在这种意义下两种观点是等效的。本节介绍分子电流观点。,2.,安培分子电流假说,每个磁介质分子可以等效的看作一个小的闭合电流环,分子电流,（磁偶极子）,磁介质受磁场作用后产生的磁感应强度,附加磁场,磁化电流,I,，分子环流的宏观表现。,束缚电流,区别于传导电流,23,24,此时，介质内部的总磁感应强度,附加磁场,磁化场,根据介质内部总磁感应强度和磁化场强度大小比较，可以将磁介质分为三类：,顺磁质,抗磁质,铁磁质,定义为介质内部某点附近单位体积内分子磁矩的矢量和,式中,m,i,代表小体积元,V,内第,i,个分子的磁矩，求和遍及,V,内所有分子。,1.,磁化强度,二,.,磁化的定量描述,单位：安培,/,米,(A/m),。,如果介质中各点的 相同称为,均匀磁化,，否则称为,非均匀磁化,。,25,2.,磁化强度与磁化电流的关系,26,(1),在磁介质,内部,任取一个面,S,，计算有多少分子电流通过该面。,L,显然只有被,L,穿过的分子环流才对,S,面内总电流有贡献。,在,L,上取线元,dl,，设每个分子环流面积为,s,，环流为,i,分子,，分子密度为,n,，环流法向为,穿过,dl,的分子环流必定在以,dl,为轴，以,s,为底面的柱体内。线元,dl,段对,S,面总电流贡献为：,因此通过,S,面的总磁化电流为：,磁化电流密度,27,(2),磁化强度和,磁介质表面,磁化电流关系？,面磁化电流密度,i,：在介质表面，与磁化电流方向垂直的单位长度上通过的面磁化电流强度。,在介质表面取一个,非常窄的,矩形回路，长为,l,，与表面平行，且,垂直于,该处的磁化电流。,磁介质表面外法向单位矢,注意,：（,1,）,只有介质表面附近磁化强度,M,有切向分量时，,i,不为零。,（,2,）如果介质为均匀磁化的介质，那么介质内部处处没有磁化电流，磁化电流只能分布在介质表面。,1.,有磁介质存在时的高斯定理,三,.,恒定磁场高斯定理和安培环路定理（有磁介质）,磁化电流激发的附加磁场仍旧遵守毕萨定律，是无源有旋场。,28,2.,有磁介质存在时的安培环路定理,I,0,：传导电流,I:,磁化电流，未知量,引入辅助物理量,:,磁场强度,由于磁化强度与磁化电流的关系,所以有磁介质存在时的安培环路定理,-,有磁介质存在时的安培环路定理（,H,的环路定理）,29,在恒定磁场中沿任一闭合路径，,H,的环流等于穿过该闭合路径的传导电流的代数和。,四,.,磁化率和磁导率,实验表明,：对各向同性线性磁介质，磁化强度,M,磁场强度,H,，,即,m,：,磁化率,（介质性质，与场无关，反映了介质对磁场的响应能力）,r,=1,+,m,：,相对磁导率,=,0,r,：,磁导率,30,由于,均匀磁介质,非均匀磁介质,由,m,，,r,或,判断,有磁介质存在时磁场分布的求解,例,2.1,一无限长直螺线管，单位长度上匝数为,n,，管内均匀充满磁介质，,r,，传导电流,I,，求管内磁场分布及介质表面的面束缚电流密度。,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,a,b,c,d,31,例,2.2,半径为,R,的金属导体，和导电外壁之间充满均匀磁介质，,r,电流,I,均匀流过金属导体横截面并沿外壁流回。求磁介质中磁感应强度的分布以及紧贴金属导体的磁介质表面上的束缚电流。,I,I,32,5,磁介质的分类,一、物质磁性分类,33,根据介质内部总磁感应强度和磁化场强度大小比较，可以将磁介质分为三类：,顺磁质,抗磁质,铁磁质,r,1,，如氧、铝、钨、铂、铬等。,m,0,r,1,，如氮、水、铜、银、金、铋等。,m,1,如铁、钴、镍等。,这三类磁介质被磁化的机理？,安培分子电流假说是将每个分子看成一个分子环流，实际物质的分子环流？,二,.,原子磁矩,1.,轨道磁矩,从经典模型出发（实际为电子云）,34,原子磁矩,核外电子磁矩,原子核磁矩,轨道磁矩,自旋磁矩,与电子磁矩相比是小量，一般可以忽略不计。,-e,r,电子沿轨道运动形成电流,所以轨道磁矩为,另外，电子的轨道角动量,回转磁比率，回磁比,2.,自旋磁矩,由电子自旋引起的,35,自旋角动量为,自旋磁矩为,自旋回磁比是轨道回磁比的两倍。,3.,原子磁矩,是所有电子轨道和自旋磁矩的矢量和,电子总角动量为,原子磁矩为,注意：满壳层电子磁矩矢量和为零，只有未满壳层电子对原子磁矩有贡献。,g,是朗德因子，介于,1,和,2,之间，,g,1,，,J,主要由轨道磁矩贡献,2,，,J,主要由自旋磁矩贡献,磁介质的分子也能分成两类,三,.,顺磁质和抗磁性,1.,顺磁性物质,36,分子中各电子磁矩不完全抵消，因而整个分子具有一定的固有磁矩。,分子中各电子磁矩相互抵消，整个分子不具有固有磁矩。,分子固有磁矩不为零，在外磁场作用下，分子固有磁矩将沿着外磁场的方向排列起来，称为,顺磁质的磁化,。,显然 和 同向，所以,r,1,m,0,因为热运动对磁矩的排列有影响，所以温度越高，顺磁效应越微弱,居里定律,C,为居里常数，由材料本身性质决定。,2.,抗磁性,37,设一个电子以角速度,0,，半径,r,绕原子核做圆周运动。,原子核带电,+Ze,，电子带电,-e,，所以电子受库仑力,-e,r,此时，加上一个外磁场,B,0,，电子受到洛伦兹力,角速度增加到,当外磁场,B,0,不太强时，,0,，,在磁化场作用下，电子产生一个附加磁矩,电子的附加磁矩,3.,抗磁性物质,38,在抗磁性物质中，分子没有固有磁矩。在外磁场作用下，每个电子的附加磁矩总与外磁场相反，这就是,抗磁质的来源,。,宏观表现就是 和 反向，所以,r,1,m,0,注意：,抗磁效应在所有的物质中都存在。只是因为太微弱，所以对顺磁物质来说，固有磁矩规则排列的效果比抗磁效应强得多，所以抗磁性被掩盖，表现不出来。,抗磁效应与原子中的电子数有关，与温度无关。,几种特殊材料的抗磁性,1,、,超导材料,：在超导态，磁通密度,B,总是,0,，即使存在外磁场,H,，也是如此,(,迈斯纳效应，完全抗磁体,),。,2,、一些有机化合物，例如苯环中的,p,电子像轨道电子那样做圆周运动，苯环相当于闭合壳层。当磁场垂直于环作用时，呈现很强的抗磁性，磁场平行于环面时没有抗磁性。,3,、在生物体内的血红蛋白中，同氧的结合情况与铁的电子状态有关。同氧结合的状态下，铁离子显示顺磁性；而在如动脉血那样与氧相结合的状态却显示抗磁性。,例如血红蛋白中的,Fe,2+,无氧配位,(,静脉血,),是高自旋态，显现顺磁性；有氧配位,(,动脉血,),是低自旋态，显現抗磁性。,39,四,.,铁磁质的磁化特性,1.,铁磁质的特性,40,（,1,）强磁性（,M/H,的比值很大，可以达到,10,2,10,5,数量级）；,（,2,）,M-H,关系为非线性，磁化率,m,和,H,有关；,（,3,）剩余磁性（铁磁质在去掉磁化场后仍能不同程度的保持磁化状态）,硬磁质：永久磁铁，电机,软磁质：电磁铁的铁芯，传感器,信磁质：信息存储和记录,几代不同永磁材料对马达、扬声器设计的影响（非阴影部分为永磁体、阴影部分为软磁体）,41,2.,铁磁质的磁化机理,42,铁磁性物质的基本特点是自发磁化和畴结构。由于原子中电子与相邻原子之间电子的静电交换作用，使得电子自旋平行排列形成自发磁化，而这种自发磁化又局限在一个个被称为畴的小区域中。由于各个畴内自发磁化方向不同，因此无外磁场时它们相互抵消不显示宏观磁性。,3.,技术磁化,磁性样品在磁场增加或反向加磁场都有一些特殊的磁化过程，在材料的研究和应用中都是极其重要的。重要的磁性参数有：,磁滞回线：,d e f,g,h,i,j,起始磁化曲线：,o a b c d,矫顽力：,o g -H,c,剩余磁感应强度：,oe ,o,i,-B,r,磁导率,起始磁导率,i,最大磁导率,m,饱和磁化强度,I,s,，剩余磁化强度,I,r,，,饱和磁感应强度：,od -B,M,B=H+4,I ,B,s,=H+4,I,s,B=H,=1+4,磁化率,=,I/H,微分磁导率,d,=,B/,H,可逆磁导率,A,(H0),43,介质,1,，,2,相对磁导率分别为 ，试证明在两介质分界面处：（,1,）磁感应强度的法向分量 ；（,2,）磁场强度的法向分量 ；（,3,）磁场强度的切向分量,（,4,）磁感应强度的切向分量 。,补充：磁介质界面上的边界条件,介质,1,介质,2,44,