第七章-磁介质(新)课件.ppt
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- 第七 介质 课件
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1、第七章 磁介质1第七章第七章 磁介质磁介质学习目标1、了解了解顺磁质,抗磁质及铁磁质的特点及其微观解释。顺磁质,抗磁质及铁磁质的特点及其微观解释。2、领会领会磁化强度,磁化电流的概念,并掌握二者关系。磁化强度,磁化电流的概念,并掌握二者关系。3、理解理解引入磁场强度引入磁场强度H H的意义,介质中磁场的基本方程的的意义,介质中磁场的基本方程的实质,明确实质,明确M M、B B、H H三个矢量的联系。三个矢量的联系。4、熟练运用熟练运用有介质存在时的安培环路定理计算一些特殊电有介质存在时的安培环路定理计算一些特殊电流分布所产生的磁场。流分布所产生的磁场。5、了解了解磁路定理,会运用它对简单磁路进
2、行计算。磁路定理,会运用它对简单磁路进行计算。6、掌握掌握介质中电磁场的能量密度与能流密度表达式。介质中电磁场的能量密度与能流密度表达式。第七章 磁介质2学习重点学习难点1 1、介质中磁场的安培环路定理、介质中磁场的安培环路定理2 2、磁场强度、磁场强度3 3、介质中的电磁场的能量密度与能流密度、介质中的电磁场的能量密度与能流密度 1、磁化电流的面密度与体密度、磁化电流的面密度与体密度 2、铁磁性、铁磁性 第七章 磁介质3本章主要讲本章主要讲两个问题两个问题,一是介绍,一是介绍磁介质的性质磁介质的性质,二是讨论,二是讨论磁磁介质与磁场的相互作用规律介质与磁场的相互作用规律。磁介质磁介质指的是放
3、入磁场后会受到磁场指的是放入磁场后会受到磁场的影响,反过来又会影响磁场分布的物质。从这个意义上说,的影响,反过来又会影响磁场分布的物质。从这个意义上说,所有所有实物质都可以说是磁介质实物质都可以说是磁介质,只不过不同物质受磁场影响和对磁场影,只不过不同物质受磁场影响和对磁场影响有所不同。本章首先从实验事实出发,对磁介质进行分类,定性响有所不同。本章首先从实验事实出发,对磁介质进行分类,定性地介绍他们的一些性质以及地介绍他们的一些性质以及微观解释微观解释,然后引入,然后引入磁化强度矢量磁化强度矢量M M来来描述磁介质的磁化状态(磁化方向和磁化程度),研究描述磁介质的磁化状态(磁化方向和磁化程度)
4、,研究磁化电流与磁化电流与磁化强度之间的关系磁化强度之间的关系,导出,导出有磁介质时的安培环路定理有磁介质时的安培环路定理。还特别介。还特别介绍绍铁磁质铁磁质的一般性质,它是在实际中应用最多的一类磁介质,对它的一般性质,它是在实际中应用最多的一类磁介质,对它不作过多的理论探讨。不作过多的理论探讨。本章的基本内容及思路本章的基本内容及思路 第七章 磁介质4一、顺磁性和抗磁性一、顺磁性和抗磁性 1 1、顺磁性和抗磁性、顺磁性和抗磁性 在磁场的作用下能发生变化,反过来又能对磁场发生影响的物质称为在磁场的作用下能发生变化,反过来又能对磁场发生影响的物质称为磁介质磁介质。与磁场发生。与磁场发生相互作用强
5、相互作用强的磁介质主要是的磁介质主要是铁磁物质铁磁物质,与磁场发生相,与磁场发生相互作用弱的磁介质又可分为互作用弱的磁介质又可分为顺磁质和抗磁质顺磁质和抗磁质。在非均匀磁场中,被吸引至。在非均匀磁场中,被吸引至磁场较强区域的磁性物质称为磁场较强区域的磁性物质称为顺磁质顺磁质(如钠,铝,锰,铬,硫酸铜,氧及(如钠,铝,锰,铬,硫酸铜,氧及空气等);被斥离磁场较强区域的磁性物质称为空气等);被斥离磁场较强区域的磁性物质称为抗磁质抗磁质(如铜,铅,铋,(如铜,铅,铋,银,水及氮等)。银,水及氮等)。2 2、顺磁性和抗磁性的起源、顺磁性和抗磁性的起源(1)分子电流与分子磁矩)分子电流与分子磁矩 按经典
6、理论,分子或原子中的任何一个电子都在绕核运动,同时按经典理论,分子或原子中的任何一个电子都在绕核运动,同时又有自旋运动。电子绕核作圆周运动相当于一个圆电流,具有的磁矩又有自旋运动。电子绕核作圆周运动相当于一个圆电流,具有的磁矩称为称为电子磁矩电子磁矩。分子中所有电子的磁感应的总和可以等效为一个圆电。分子中所有电子的磁感应的总和可以等效为一个圆电流,称为流,称为分子电流分子电流。第七章 磁介质5 分子电流是一个等效圆电流,它具有的磁矩称为分子电流是一个等效圆电流,它具有的磁矩称为分子磁矩分子磁矩,它是由,它是由分子内部电子磁矩叠加而成的,即:分子内部电子磁矩叠加而成的,即:memm(2 2)顺磁
7、性的起源)顺磁性的起源 顺磁性物质由顺磁性物质由具有固有磁矩具有固有磁矩(电子磁矩的合磁矩不为零)的原子或(电子磁矩的合磁矩不为零)的原子或分子组成。组成顺磁质的每个原子或分子虽然都有磁性,但由于分子的分子组成。组成顺磁质的每个原子或分子虽然都有磁性,但由于分子的热运动,分子固有磁矩在空间取热运动,分子固有磁矩在空间取任何方向都有相同的概率任何方向都有相同的概率,所以,就大,所以,就大量分子组成的介质而言,平均说来各分子磁矩的磁效应相互抵消,故在量分子组成的介质而言,平均说来各分子磁矩的磁效应相互抵消,故在宏观上介质并不显示磁性。但是,当介质处在外磁场中时,磁场对分子宏观上介质并不显示磁性。但
8、是,当介质处在外磁场中时,磁场对分子磁矩有力矩作用,使分子磁矩有转向磁感强度磁矩有力矩作用,使分子磁矩有转向磁感强度B B的方向的趋势,于是介的方向的趋势,于是介质呈现出宏观的磁性。质呈现出宏观的磁性。(3 3)抗磁性的起源)抗磁性的起源 组成抗磁性物质的原子或分子组成抗磁性物质的原子或分子没有固有磁矩没有固有磁矩,但由于原子或分子内,但由于原子或分子内部的每个电子都具有电子磁矩,当介质处在外磁场中时,每个电子磁矩部的每个电子都具有电子磁矩,当介质处在外磁场中时,每个电子磁矩都受到力矩的作用,使都受到力矩的作用,使电子绕磁场的方向进动电子绕磁场的方向进动,产生一个与磁场方向相,产生一个与磁场方
9、向相反的附加分子磁矩,使介质呈现抗磁性。反的附加分子磁矩,使介质呈现抗磁性。第七章 磁介质6顺磁质和抗磁质的磁化机制顺磁质和抗磁质的磁化机制0BBB无外磁场无外磁场顺顺 磁磁 质质 的的 磁磁 化化分子圆电流和磁矩分子圆电流和磁矩mI0B有外磁场有外磁场sI第七章 磁介质7qv0B0,B 同同向向时时无外磁场时抗磁质无外磁场时抗磁质分子磁矩为零分子磁矩为零 0m0BBB抗磁质内磁场抗磁质内磁场Fmm抗磁质的磁化抗磁质的磁化第七章 磁介质83 3 分子电流观点分子电流观点(1 1)磁介质的磁化机理磁介质的磁化机理每个分子等效一个圆电流每个分子等效一个圆电流pppmmlms00顺磁质顺磁质抗磁质抗
10、磁质pm0磁畴磁畴mp轨道角动量对轨道角动量对应的磁矩应的磁矩自旋角动量自旋角动量对应的磁矩对应的磁矩铁磁质铁磁质第七章 磁介质9二、磁化强度和磁化电流二、磁化强度和磁化电流1、磁化强度、磁化强度 磁介质的磁化程度磁介质的磁化程度M取决于组成磁介质的每个分子磁矩取决于组成磁介质的每个分子磁矩Pm的大小的大小以及它们排列整齐的程度,用磁化强度来描写介质磁化程度,磁化强以及它们排列整齐的程度,用磁化强度来描写介质磁化程度,磁化强度定义为单位体积内各分子磁矩的矢量和,即度定义为单位体积内各分子磁矩的矢量和,即:VPMmi上式中,分子为上式中,分子为 V内所有各分子的磁矩的矢量和,内所有各分子的磁矩的
11、矢量和,V为物理无限小为物理无限小体积元。体积元。2、磁化电流、磁化电流 磁介质在外磁场的作用下,介质被磁化,在介质内或介质表面磁介质在外磁场的作用下,介质被磁化,在介质内或介质表面出现磁化电流,它是由束缚在原子内的电荷形成的,也称为出现磁化电流,它是由束缚在原子内的电荷形成的,也称为束缚电流束缚电流。磁化电流与磁化强度的关系为:磁化电流与磁化强度的关系为:第七章 磁介质10Ll dMI(该式推导详见教材(该式推导详见教材P P285286)即即通过磁介质内任一面积通过磁介质内任一面积S的磁化电流等于磁化强度沿该面周界的磁化电流等于磁化强度沿该面周界C的线积的线积分,即磁化强度的环流。分,即磁
12、化强度的环流。3、磁化电流的面密度与体密度、磁化电流的面密度与体密度(1)磁化电流的面密度)磁化电流的面密度 介质磁化后,在介质表面上和介质磁化后,在介质表面上和两种不同介质的交界面上,都会有两种不同介质的交界面上,都会有面分布的磁化电流。磁化电流的面面分布的磁化电流。磁化电流的面密度为:密度为:neMM)(12ttMM12或B均匀磁场均匀磁场螺线管截面螺线管截面mpI第七章 磁介质11 即磁化强度沿界面上任一切线方向的分量之差等于磁化电流密度即磁化强度沿界面上任一切线方向的分量之差等于磁化电流密度在垂直该切线方向的分量。在垂直该切线方向的分量。式中式中e en n是由介质是由介质1指向介质指
13、向介质2的分界面的法的分界面的法向单位矢量。向单位矢量。(2)磁化电流的体密度)磁化电流的体密度 对于非均匀介质,其内部存在体分布的磁化电流,磁化电流体密对于非均匀介质,其内部存在体分布的磁化电流,磁化电流体密度为:度为:MjM即即磁化电流体密度等于磁化强度的旋度。磁化电流体密度等于磁化强度的旋度。对于均匀磁化的介质,对于均匀磁化的介质,M M为恒矢量,磁化电流体密度为零。为恒矢量,磁化电流体密度为零。在均匀介质内,除了有体分布的传导电流的地方,介质内无体分在均匀介质内,除了有体分布的传导电流的地方,介质内无体分布的磁化电流,即使磁化是非均匀的。布的磁化电流,即使磁化是非均匀的。第七章 磁介质
14、124 4、磁介质内的磁感应强度、磁介质内的磁感应强度B BBo(1 1)有磁介质时的总场是:)有磁介质时的总场是:传导电流产生传导电流产生与介质有关的电流产生与介质有关的电流产生介质的相对磁导率介质的相对磁导率顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质铁磁质铁磁质rBB0111rrr在介质均匀充满磁在介质均匀充满磁场的情况下场的情况下第七章 磁介质13(2)磁化强度与磁感强度和磁场强度的关系)磁化强度与磁感强度和磁场强度的关系对于各向同性的线性的磁介质,磁化强度对于各向同性的线性的磁介质,磁化强度M M、磁感强度、磁感强度B B和磁场强和磁场强度度H H的关系分别为:的关系分别为:011mmMBHMm式中称为
15、介质的式中称为介质的磁化率磁化率,它是一个与磁场无关的常量,仅取决于,它是一个与磁场无关的常量,仅取决于介质的性质。对于顺磁质介质的性质。对于顺磁质0;对于抗磁质;对于抗磁质0。mmm第七章 磁介质14三三 有磁介质时的安培环路定理和高斯定理有磁介质时的安培环路定理和高斯定理设:设:I0 传导电流传导电流I 磁化电流磁化电流)(00内内IIlBLdlMILd000内磁介磁介质质I 内00)(IlMBLd MBH0定义定义I0L1.安培环路定理安培环路定理第七章 磁介质15LIlH内0dH 的单位:的单位:真空:真空:00 BHM ,A/m(SI););称为称为H的环路定理的环路定理 H的环流仅
16、由传导电流决定的环流仅由传导电流决定,而,而H并不是完全取决于传导电流,还与并不是完全取决于传导电流,还与介质中磁化电流有关。介质中磁化电流有关。一般情况下,一般情况下,B0对封闭曲面的通量为零对封闭曲面的通量为零,即:,即:但对封闭曲面的但对封闭曲面的H H通量不为零通量不为零,即:,即:00SSdBSdMSdHSS H与与D D相似,都相似,都是是描写场的描写场的辅助量辅助量。H称为磁场强度,引入称为磁场强度,引入H后即得:后即得:第七章 磁介质162.M、B与与H的关系的关系 对各向同性线性磁介质对各向同性线性磁介质MBH0HBr0HB HMr)(1r 0 磁导率磁导率令令则有则有将将代
17、入代入得得3.3.高斯定理高斯定理该结论对传导电流或介质中的磁化电流都适用。该结论对传导电流或介质中的磁化电流都适用。0SSdB介质的性能方程介质的性能方程第七章 磁介质174、介质中磁场的基本方程式、介质中磁场的基本方程式 LIlH内0d反映磁场是有旋场反映磁场是有旋场 0SSdB反映磁场是无源场反映磁场是无源场 磁介质的性能方程磁介质的性能方程 B B是描写静磁场的基本量(与是描写静磁场的基本量(与E E对应),对应),H H是辅助量(与是辅助量(与D D对应)对应)LlE0d0qSdDSHBED反映静电场是无旋场反映静电场是无旋场反映静电场是有源场反映静电场是有源场电介质的性能方程电介质
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