大学物理电磁学部分15 磁介质的磁化和介质中的安培环路定理.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,*,磁介质的磁化 磁介质中的高斯定理和安培环路定理,(第九章第14节),1,磁场中放入磁介质,磁介质发生磁化,出现磁化电流,一、磁介质的磁化现象,磁介质的分类,凡是能与磁场发生相互作用的物质叫磁介质。,在各向同性均匀介质中：,磁介质内部的总场强,介质中的磁感应强度是真空中的,r,倍。,顺磁介质：,抗磁介质:,铁磁介质:,即,称为相对磁导率。,产生附加磁场,2,整个分子磁矩是其中各个电子的,轨道磁矩,和,自旋磁矩,以及,核的自旋磁矩,的矢量和（核自旋磁矩常可忽略）,顺磁质：,由具有固有磁矩的分子组成。分子中各电子的磁矩不完全抵消，整个分子具有一定的固有磁矩。,抗磁质：,分子中各电子的磁矩完全抵消，整个分子不具有固有的磁矩。,1.顺磁质的磁化机制,磁介质是由大量分子或原子组成，无外场时，顺磁质分子的磁矩排列杂乱无章，介质内分子磁矩的矢量和 。,2.磁介质的磁化机制,类似电介质的讨论，从物质电结构来说明磁性的起源。,N,S,相当于一,磁偶极子,3,有外磁场,时，这些分子固有磁矩就要受到磁场的力矩作用,，,等效,I,s,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,I,s,，,I,s,产生附加磁场,。,分子磁矩的矢量和,:,力矩的方向力图使,分子磁矩的方向沿外场转向,。各,分子磁矩都在一定程度上沿外磁场方向排列起来.,4,加外磁场后，电子受的向心力为核力和洛仑兹力的叠加，,i,e,i,产生反向电子附加磁矩,2.抗磁质的磁化机制,磁化电流,Is,可产生附加磁场,，,但无热效应，因为无宏观电荷的移动，磁化电流束缚在介质表面上，不可引出，因此，磁化电流也称为束缚电流。,对抗磁介质来说，无外磁场时，各电子的磁矩矢量和为 0，分子磁矩,分子不显磁性。,5,综上所述：,不论电子的轨道磁矩方向如何，附加磁场总与外场反向，,e,i,i,产生反向电子附加磁矩,同理，分子电流可等效成磁介质表面的磁化电流,I,s,，I,s,产生附加磁场,。,I,s,等效,e,i,6,.对于顺磁介质分子磁矩电子附加磁矩，顺磁效应 抗磁效应 ；,.,抗磁介质中电子附加磁矩起主要作用，显抗磁性。,.抗磁性是一切磁介质固有的特性，它不仅存在于抗磁介质中，也存在于顺磁介质中；,明确几点：,7,1,.定义：,单位体积内分子磁矩的矢量和。,单位：,安/米，,A/m,方向：,与分子磁矩矢量和同向。,表征物质的宏观磁性或介质的磁化程度的物理量。,注意：,因为,它与介质特性、温度与统计规律有关。,是第,i,个分子的磁矩；,宏观无限小微观无限大；,.真空中 。,.无外磁场,B,o,时，介质中,。,顺磁质 与 同向，,所以 与 同方向,抗磁质 与 反向，,所以 与 反方向,其中：,二、磁化强度,8,2,.磁化强度与磁化电流,I,s,的关系,定义：,沿磁介质轴线方向上单位长度的磁化电流称为,磁化电流密度,j,s,。,结论,1,：,磁化强度大小数值上等于磁化电流密度。,普遍情况下可以证明：,束缚电流线密度的大小等于磁化强度的切向分量。,电介质有,束缚电荷面密度的大小等于电极化强度的法向分量。,在 外磁场,作用下，介质中的分子电流可等效成介质表面的磁化电流,I,s,，,它,产生附加磁场,，,但无热效应。,微分关系,9,磁化强度沿任一回路的环流，等于穿过此回路的束缚电流,I,S,的代数和。,I,S,与,L,环绕方向成右旋者为正，反之为负。物理意义,与电介质中对比的公式,结论,2,：,磁化强度沿闭合路径的线积分，等于环路内磁化电流的代数和。,束缚面电流,磁化强度,电极化强度,束缚电荷,积分关系,10,三、磁介质中的高斯定理,磁介质放在磁场中，磁介质受到磁场的作用要产生磁化电流，磁化电流又产生附加磁场。,任一点的总磁强为：,磁力线无头无尾。穿过任何一个闭合曲面的磁通量为零。,四、磁介质中的安培环路定理,由于束缚电流和磁介质磁化的程度有关，而磁化的程度又决定于总磁场，所以磁介质和磁场的相互影响呈现一种比较复杂的关系。,1.问题的提出,11,可以象研究电介质与电场的相互影响一样，通过引入适当的物理量加以简化。,在真空中的安培环路定理中：,将其应用在磁介质中时，,I,为所有电流的代数和；,2.磁介质中的安培环路定理,束缚电流,传导电流,有磁,介质的总磁场,定义：,磁场强度,12,定义：,磁场强度,物理意义：,磁场强度沿闭合路径的线积分，等于环路所包围的传导电流的代数和。,的环流仅与传导电流,I,有关,与介质无关。(当,I,相同时，尽管介质不同，,在同一点上也不相同，然而环流却相同。因此可以用它求场量 ，就象求 那样。,.,是一辅助物理量，描述磁场的基本物理量仍然是 。,是为消除磁化电流的影响而引入的，,3.明确几点：,和 的名字张冠李戴了。,磁介质中的环路定理,13,.,既与磁感应强度,有关，又与磁化强度,有关，所以,又是混合物理量。,.磁场强度的单位与磁化强度相同，,安培/米，,A/m,.若 ，,不一定环路内无电流。,.若 ，,因为,是环路内、外电流共同产生的。,不一定环路上各点的,为 0，,在各向同性的均匀磁介质（非铁磁介质）中，磁化强度与磁场强度具有线性关系：,为磁化率。,由 ，,有：,14,介质中的磁感应强度是真空中的,r,倍。,顺磁介质：,抗磁介质:,铁磁介质:,在真空中,即,在,各向同性介质中,关系：,相对磁导率。,为磁导率,电介质中,15,电介质中的高斯定理,磁介质中的安培环路定理,16,称为相对电容率,或相对介电常量。,之间的关系：,之,间的关系,称为相对磁导率,磁导率,介电常数,17,4,.由求,H,；,由,求,B,；,由,求,M,；,由,求,j,s,；,或由,求,I,s,；,由,求,I,s,；,1,.场对称性分析；,2,.选取环路；,3,.求环路内传导电流的代数和,I,c,；,4.应用介质中安培环路定理解题方法,18,例,1,：,长直螺线管半径为,R,，,通有电流,I,，,线圈密度为,n,管内插有半径为,r,相对磁导率为,r,磁介质，求介质内和管内真空部分的磁感应强度,B,。,解：,由螺线管的磁场分布可知，管内的场各处均匀一致，管外的场为零,；,R,I,B,H,r,a,b,c,d,1,.介质内部,作,abcda,矩形回路。,在环路上应用介质中的环路定理：,在,bc,和,da,段路径上,回路内的传导电流代数和为：,19,因为,cd,段处在真空中，真空中的,M,=0,；,B,=0,，,有,I,B,H,a,b,c,d,2,.管内真空中,作环路,abcda,;,在环路上应用介质中的安培环路定理，同理有：,真空中,a,b,c,d,20,例题2：如图载流无限长磁介质圆柱其磁导为,r1,，,外面有半径为,R,2,的无限长同轴圆柱面，该面也通有电流,I,，,圆柱面,外为真空，在,R,1,r,r1,。,求,B,和,H,的分布,?,解：,根据轴对称性，以轴上一点为圆心在垂直于轴的平面内取圆为安培回路：,同理,21,