第15章电子教案.ppt

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1、115.1 磁介质的磁化磁介质的磁化 磁化强度矢量磁化强度矢量15.2 磁场强度磁场强度 有磁介质时的安培环路定理有磁介质时的安培环路定理15.3 铁磁质铁磁质15.4 磁路定理磁路定理第第15章章 磁介质的磁化磁介质的磁化作业：作业：练习册练习册选择题：选择题：1 5填空题：填空题：1 6计算题：计算题：1 421.磁介质磁介质磁介质磁介质:实体物质在磁场作用下呈现磁性实体物质在磁场作用下呈现磁性,该物体称磁介质。该物体称磁介质。1 磁介质的磁化磁介质的磁化 磁化强度矢量磁化强度矢量电介质极化：电介质极化：EEE0磁介质磁化：磁介质磁化：BBB0总磁感强度总磁感强度外加磁感强度外加磁感强度附

2、加磁感强度附加磁感强度磁化磁化:磁介质在磁场中呈现磁性磁介质在磁场中呈现磁性(在磁场的作用下产生附加在磁场的作用下产生附加磁场磁场)的现象称为磁化。的现象称为磁化。磁介质的三种类型：磁介质的三种类型：顺磁质、抗磁质、铁磁质顺磁质、抗磁质、铁磁质。电学与磁学电学与磁学类比：类比：3实验发现实验发现：有、无磁介质的螺旋管：有、无磁介质的螺旋管内磁感应强度的比值，可表征它们内磁感应强度的比值，可表征它们在磁场中的性质。在磁场中的性质。相对磁导率相对磁导率:0BBr顺磁质：顺磁质：,1r如氧、铝、钨、铂、铬等。如氧、铝、钨、铂、铬等。0BII磁介质磁介质BII0BB,1r抗磁质：抗磁质：,1r铁磁质：

3、铁磁质：如氮、水、铜、银、金、铋等。如氮、水、铜、银、金、铋等。如铁、钴、镍等，如铁、钴、镍等，0BB 0BB 超导体是理想的抗磁体。超导体是理想的抗磁体。B 与与B0 同方向，同方向，B 与与B0 反方向，反方向，B 与与B0 同方向，同方向，BBB042.2.分子电流模型和分子磁矩分子电流模型和分子磁矩 原子中电子参与两种运动：自原子中电子参与两种运动：自旋及绕核的轨道运动，对应有轨道旋及绕核的轨道运动，对应有轨道磁矩和自旋磁矩。磁矩和自旋磁矩。用等效的分子电流的磁效应来用等效的分子电流的磁效应来表示各个电子对外界磁效应的总合，表示各个电子对外界磁效应的总合，称为分子固有磁矩。称为分子固有

4、磁矩。Imp抗磁质抗磁质：顺磁质：顺磁质：0mPmP0mP未加外磁场时未加外磁场时:在抗磁质中，原子或分子中在抗磁质中，原子或分子中所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩矢量和为零。矢量和为零。类比：类比：电介质电介质的微观图象的微观图象有极分子、无极分子。有极分子、无极分子。在外电场作用下，分别有在外电场作用下，分别有取向取向极化极化、位移位移极化。极化。电偶极子模型：电偶极子模型：l qPeB5加外磁场时加外磁场时:BPMm顺磁质：顺磁质：0mP当外磁场存在时，各分子当外磁场存在时，各分子固有固有磁矩受磁场力矩的作用，磁矩受磁场力矩的作用，或多或少地转向磁场方向或多或少地

5、转向磁场方向 顺磁质顺磁质的磁化。的磁化。怎么解释抗磁质：怎么解释抗磁质：B B0，B 与与B0 反方向反方向!BBB054 顺磁质的磁化1ok.swf6*电子的进动：电子的进动：在外磁场作用下，每个电子除了保持环绕原在外磁场作用下，每个电子除了保持环绕原子核的运动和电子本身的自旋以外，还要附加电子磁矩子核的运动和电子本身的自旋以外，还要附加电子磁矩以以外磁场方向为轴线的转动外磁场方向为轴线的转动。mp0BLpeL进动进动 可以证明：可以证明：不论电子原来的磁矩与磁场方向之间的夹角不论电子原来的磁矩与磁场方向之间的夹角是何值，这种是何值，这种进动进动等效圆电流等效圆电流附加磁矩附加磁矩 Pm的

6、方向永远与的方向永远与B0 的方向相反。的方向相反。LLdLLdBPMLMtLddML、d方向一致!0BLpeLmp进动进动BB753 电子的拉莫进动.swf8 抗磁材料在外磁场的作用下，磁体内任意体积元中大量抗磁材料在外磁场的作用下，磁体内任意体积元中大量分子或原子的分子或原子的附加磁矩的矢量和附加磁矩的矢量和 有一定的量值，结有一定的量值，结果在磁体内激发一个和外磁场方向相反的附加磁场，这就是果在磁体内激发一个和外磁场方向相反的附加磁场，这就是抗磁性的起源。抗磁性的起源。mp 在顺磁体内任意取一体积元在顺磁体内任意取一体积元 V，其中各，其中各分子固有磁矩分子固有磁矩的矢量和的矢量和 将有

7、一定的量值，因而在宏观上呈现出一个将有一定的量值，因而在宏观上呈现出一个与外磁场同向的附加磁场，这就是顺磁性的起源。与外磁场同向的附加磁场，这就是顺磁性的起源。mp3.3.抗磁质的磁化抗磁质的磁化4.4.顺磁质的磁化顺磁质的磁化抗抗磁质：磁质：00mmPP对顺磁质，对顺磁质，可以忽略可以忽略mP92010年首个诺贝尔奖+搞笑诺贝尔奖双料得主诞生荷兰科学家Andre Geim。十年前他因磁悬浮青蛙获得搞笑诺贝尔奖。十年后他因石墨烯（graphene）的结构获诺贝尔奖。青蛙属于抗磁质。当青蛙属于抗磁质。当青蛙被放到磁场中，青蛙被放到磁场中，青蛙的每个原子都像青蛙的每个原子都像一个小磁针，外界磁一个

8、小磁针，外界磁场对这些小磁针作用场对这些小磁针作用的结果产生了向上的的结果产生了向上的力，如果磁场的强度力，如果磁场的强度适当，这力与青蛙受适当，这力与青蛙受的重力达到平衡，它的重力达到平衡，它们就能悬在空中。们就能悬在空中。实际上动物都属于抗磁质，只要用足实际上动物都属于抗磁质，只要用足够强的磁场，就有可能使人悬浮起来。够强的磁场，就有可能使人悬浮起来。10反映磁介质磁化程度反映磁介质磁化程度(大小与方向大小与方向)的物理量。的物理量。均匀磁化均匀磁化VppMmmM磁化强度：磁化强度：单位体积内所有分子固有磁矩的矢量和单位体积内所有分子固有磁矩的矢量和 加上附加磁矩的矢量和加上附加磁矩的矢量

9、和 ，称为磁化强度。，称为磁化强度。mpmp磁化强度的单位：磁化强度的单位：mA/4.4.磁化强度磁化强度注意注意：对对顺磁质顺磁质，可以忽略；可以忽略；对对抗磁质抗磁质 ，对于真空，对于真空，。mp0mp0M外磁场为零，磁化强度为零。外磁场为零，磁化强度为零。外磁场不为零外磁场不为零:顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质同向、0BM反向、0BM115.磁化电流磁化电流II0B 对于各向同性的均匀介质，介质内部各分子电流相互抵对于各向同性的均匀介质，介质内部各分子电流相互抵消，而在介质表面，各分子电流相互叠加，在磁化圆柱的表消，而在介质表面，各分子电流相互叠加，在磁化圆柱的表面出现一层电流，好象一个载流螺

10、线管，称为面出现一层电流，好象一个载流螺线管，称为磁化面电流磁化面电流。58 磁化电流的产生2ok.swf12ljImmSljSIPmmmVpMmmmjSlSljM设介质表面沿轴线方向设介质表面沿轴线方向单位长度单位长度上的磁化电流为上的磁化电流为jm（磁化面（磁化面电流密度），则长为电流密度），则长为l 的一段介质上的磁化电流强度的一段介质上的磁化电流强度I Im为为 取一长方形闭合回路取一长方形闭合回路ABCD，AB边在磁介质内部，平行边在磁介质内部，平行与柱体轴线，长度为与柱体轴线，长度为l，而，而BC、AD两边则垂直于柱面。两边则垂直于柱面。BAlMlMddABM MlmjM mmIl

11、jlMd 磁化强度对闭合回路的线积分等于通过回路所包围的面磁化强度对闭合回路的线积分等于通过回路所包围的面积内的总磁化电流。积内的总磁化电流。IImAlABCDnPqSPSd对比13内）（LLIlB000d无磁介质时无磁介质时有磁介质时有磁介质时)(d0mLIIlBlMILmd)d(d0LLlMIlBIlMBLd)(0或2 有磁介质时的安培环路定理有磁介质时的安培环路定理定义磁场强度定义磁场强度MBH0 磁介质中的安培环路定理：磁介质中的安培环路定理：磁场强度沿任意闭合磁场强度沿任意闭合路径的线积分等于穿过该路径的所有传导电流的代数路径的线积分等于穿过该路径的所有传导电流的代数和，而与磁化电流

12、无关。和，而与磁化电流无关。IlHLdSqSD0d对比14MBH0MHB00 实验证明：对于各向同性的介质，在磁介质中实验证明：对于各向同性的介质，在磁介质中任意一点磁化强度和磁场强度成正比。任意一点磁化强度和磁场强度成正比。HMm 式中式中m只与磁介质的性质有关，称为磁介质的只与磁介质的性质有关，称为磁介质的磁化磁化率率，是一个纯数。如果磁介质是均匀的，它是一个常量；，是一个纯数。如果磁介质是均匀的，它是一个常量；如果磁介质是不均匀的，它是空间位置的函数。如果磁介质是不均匀的，它是空间位置的函数。顺磁质0m抗磁质0mEPe0对比15MHB00HMmmr1令HBm)1(0HHBr0 值得注意：

13、值得注意：H 的引入为研究介质中的磁场提的引入为研究介质中的磁场提供了方便，但它不是反映磁场性质的基本物理量，供了方便，但它不是反映磁场性质的基本物理量，B 才是反映磁场性质的基本物理量。才是反映磁场性质的基本物理量。磁导率磁导率=0 rEEDr0对比16B0I0I例：长直螺旋管内充满均匀磁介质例：长直螺旋管内充满均匀磁介质 r，设电流设电流 I0 0，单位长度单位长度上的匝数为上的匝数为 n。求管内的磁感应强度求管内的磁感应强度。解：因管外磁场为零，取如图所示解：因管外磁场为零，取如图所示安培回路安培回路LLIlHd0dnlIlHlHba0nIH 000nIHBrrcbadBladdccbb

14、alHlHlHlHdddd17例例:在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质，已知螺绕环中在均匀密绕的螺绕环内充满均匀的顺磁介质，已知螺绕环中的传导电流为的传导电流为I，单位长度内匝数单位长度内匝数n，环的横截面半径比环的平环的横截面半径比环的平均半径小得多，磁介质的相对磁导率和磁导率分别为均半径小得多，磁介质的相对磁导率和磁导率分别为 r r和和，求求环内的磁场强度和磁感应强度。环内的磁场强度和磁感应强度。NIlHd解：解：在环内任取一点，过该点作在环内任取一点，过该点作一和环同心、半径为一和环同心、半径为 r 的圆形回的圆形回路。路。式中式中N为螺绕环上线圈的总匝数。由对称性可知，在所取圆形

15、为螺绕环上线圈的总匝数。由对称性可知，在所取圆形回路上各点的磁感应强度的大小相等，方向都沿切线。回路上各点的磁感应强度的大小相等，方向都沿切线。rNIrH2nIrNIH2当环内充满均匀介质时当环内充满均匀介质时HHBr0nIBr018例：如图所示，一半径为例：如图所示，一半径为R1的无限长的无限长圆柱体圆柱体（导体（导体 0）中）中均匀地通有电流均匀地通有电流I，在它外面有半径为在它外面有半径为R2的无限长同轴圆柱面，的无限长同轴圆柱面，两者之间充满着磁导率为两者之间充满着磁导率为 的均匀磁介质，在圆柱面上通有相的均匀磁介质，在圆柱面上通有相反方向的电流反方向的电流I。试求试求(1)(1)圆柱

16、体外圆柱面内一点的磁场；圆柱体外圆柱面内一点的磁场；(2)(2)圆柱体内一点磁场；圆柱体内一点磁场；(3)(3)圆柱面外一点的磁场。圆柱面外一点的磁场。解解:(1)(1)当两个无限长的同轴圆柱体和圆柱面当两个无限长的同轴圆柱体和圆柱面中有电流通过中有电流通过时，它们所激发的磁场是轴对时，它们所激发的磁场是轴对称分布的，而磁介质亦呈轴对称分布，因而称分布的，而磁介质亦呈轴对称分布，因而不会改变场的这种对称分布。设圆柱体外圆不会改变场的这种对称分布。设圆柱体外圆柱面内一点到轴的垂直距离是柱面内一点到轴的垂直距离是r1，以，以r1为半径为半径作一圆，取此圆为积分回路，根据安培环路作一圆，取此圆为积分回路，根据安培环路定理有定理有IrHlHlHr102dd12IIIR1R212 rIH12 rIHB)(21RrRr119IIIR1R2r1r2(2)设在圆柱体内一点到轴的垂直距离是设在圆柱体内一点到轴的垂直距离是r2，则以，则以r2为半径作一为半径作一圆，根据安培环路定理有圆，根据安培环路定理有2222220121222ddRrIRrIrHlHlHr2221RIrH220012RIrHB)(1R