介质中的电场和磁场课件.ppt

1、本章内容：本章内容：9.1 电介质的极化电介质的极化 束缚电荷束缚电荷9.2 电介质内的电场强度电介质内的电场强度9.3 电介质中的高斯定理电介质中的高斯定理 电位移矢量电位移矢量D9.4 磁介质的分类磁介质的分类9.5 顺磁性和抗磁性的微观解释顺磁性和抗磁性的微观解释9.6 磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 磁场强度磁场强度H9.8 铁磁质铁磁质*9.7 D、E、P 和和 B、H、M的关系的关系9.1 电介质的极化电介质的极化 束缚电荷束缚电荷9.1.1.电介质电介质 电容器的电容电容器的电容 r 电介质的相对介电常数电介质的相对介电常数0CCr介质中电场减弱介质中电场减弱1r电

2、介质电介质:绝缘体绝缘体(放在电场中的放在电场中的)电介质电介质电场电场实验实验结论结论ruu0rEE0介质中介质中电场减弱电场减弱介质充满电介质充满电场或介质表场或介质表面为等势面面为等势面充有充有电介质的电容器的电容电介质的电容器的电容几种电介质的相对介电常数几种电介质的相对介电常数干燥空气干燥空气1.0006蒸馏水蒸馏水81云母云母69.1.2.电介质分子的电结构电介质分子的电结构无极分子无极分子有极分子有极分子+-lqpv无外场时无外场时(无极分子电介质无极分子电介质)(有极分子电介质有极分子电介质)0p9.1.3.电介质的极化电介质的极化 束缚电荷束缚电荷整体对外不显电性整体对外不显

3、电性HHHHC4CH0104HHOOH2（热运动）（热运动）0Ep0Epv有外场时有外场时(分子分子)位移极化位移极化(分子分子)取向极化取向极化束缚电荷束缚电荷束缚电荷束缚电荷 无极分子电介质无极分子电介质 有极分子电介质有极分子电介质外电场外电场E0 极化极化 介质内电场介质内电场 E 击穿。击穿。r讨论讨论00 0EEE9.2 电介质内的电场强度电介质内的电场强度以充满相对介电常数为以充满相对介电常数为 r 的各向同性均匀电介的各向同性均匀电介质的平行板电容器为例质的平行板电容器为例 0EEE0)11(r000E0E电介质内部的电场强度电介质内部的电场强度 其中其中由实验由实验rEE00

4、00E00 9.3 电介质中的高斯定理电介质中的高斯定理 电位移矢量电位移矢量DSSES)(1d00加入电介质加入电介质(r)000dqSSESr0dqSDSEEDr0S 介电常数介电常数令：令：电位移矢量电位移矢量 通过高斯面的电位移通量等于高斯面所包围的自由电荷通过高斯面的电位移通量等于高斯面所包围的自由电荷 的代数和，与极化电荷及高斯面外电荷无关。的代数和，与极化电荷及高斯面外电荷无关。0)11(r(1)电位移线电位移线由于闭合面的电位由于闭合面的电位移通量等于被包围移通量等于被包围的自由电荷，所以的自由电荷，所以D线发自线发自正自由电荷正自由电荷 止于止于负自由电荷负自由电荷。+-+-

5、DE r(2)各向同性电介质各向同性电介质EDr0E:介电常数介电常数,为决定于电介质种为决定于电介质种 类的常数类的常数r讨论讨论R1R2例例 导体球置于均匀各向同性介质导体球置于均匀各向同性介质 中中,如图示如图示.求求 (1)电电场的分布场的分布 (2)紧贴导体球表面处的极化电荷紧贴导体球表面处的极化电荷1r2rR0+Q0解解 (1)iiSqSD内,0dr024QDrDE1)(00Rr)(4102100RrRrQr)(4212200RrRrQr)(42200rRrQ)(0rR)(1d00QQSES)(14002QQEr)(41020QQrE01)11(QQr(2)R1R21r2rR0+Q

6、0r例例 平行板电容器，其中充有两种均匀电介质。平行板电容器，其中充有两种均匀电介质。AB1d2d求求(1)各电介质层中的场强各电介质层中的场强(2)极板间电势差极板间电势差1S解解 做一个圆柱形高斯面做一个圆柱形高斯面1S内）11(dSiSqSD111SSD1D2S同理，做一个圆柱形高斯面同理，做一个圆柱形高斯面2S内）22(dSiSqSD2D1211roE22roEBArEud1211021ddddddrErE2211ddroro(1)各电介质层中的场强不同各电介质层中的场强不同(2)相当于电容器的串联相当于电容器的串联122121ddSuqC11uqC11dS22uqC22dS21111

7、CCC122121ddSCr讨论讨论1.磁介质磁介质 放入磁场中能够显示磁性的物质放入磁场中能够显示磁性的物质 0E0EEE电介质放入外场电介质放入外场0EE9.4 磁介质的分类磁介质的分类rEE10相对介电常数相对介电常数磁介质放入外场磁介质放入外场roIN0B0BBB0BB?rBB0相对磁导率相对磁导率r 反映磁介质对原场的影响程度反映磁介质对原场的影响程度 相对磁导率相对磁导率0BBr顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质1r减弱原场减弱原场0BB 1r增强原场增强原场0BB 弱弱磁磁性性物物质质顺磁质和抗磁质的相对磁导率都非常接近于顺磁质和抗磁质的相对磁导率都非常接近于1,即即铁磁质铁磁质)1010

8、(421r通常不是常数通常不是常数具有显著的增强原磁场的性质具有显著的增强原磁场的性质强磁性物质强磁性物质1r2.磁介质的分类磁介质的分类(如：如：铬、铀、锰、氮等铬、铀、锰、氮等)(如：铋、硫、氯、氢等如：铋、硫、氯、氢等)(如：铁、钴、镍及其合金等如：铁、钴、镍及其合金等)原子中电子的轨道磁矩原子中电子的轨道磁矩Lmepm2电子的自旋磁矩电子的自旋磁矩Smeps电子自旋磁矩电子自旋磁矩与轨道磁矩有与轨道磁矩有相同的数量级相同的数量级分子固有磁矩分子固有磁矩 所有电子磁矩的总和所有电子磁矩的总和mmpp抗磁质抗磁质0mp对外不显磁性对外不显磁性顺磁质顺磁质0mp由于热运动，对外也不显磁性由于

9、热运动，对外也不显磁性v无外磁场作用时无外磁场作用时9.5 顺磁性和抗磁性的微观解释顺磁性和抗磁性的微观解释0mpv有外磁场作用时有外磁场作用时顺磁质顺磁质 分子的固有磁矩分子的固有磁矩mp受力矩受力矩BpMm的作用，的作用，使分子的固有磁矩使分子的固有磁矩趋于外磁场方向趋于外磁场方向排列。但由于分子热运动的影响，各分子排列。但由于分子热运动的影响，各分子固有磁矩的取向不可能完全整齐，不过外固有磁矩的取向不可能完全整齐，不过外磁场越强，排列越整齐。磁场越强，排列越整齐。正是由于这种取向排列使得原磁场得到加强，正是由于这种取向排列使得原磁场得到加强，但这种加强很小。但这种加强很小。0B1B抗磁质

10、抗磁质 它的分子没有固有磁矩，为什么也能受磁场的影响？它的分子没有固有磁矩，为什么也能受磁场的影响？抗磁质在外磁场的作用下产生抗磁质在外磁场的作用下产生附加磁矩附加磁矩。以电子的轨道运动为例：以电子的轨道运动为例：(如电子如电子沿相反的方向做轨道运动，同样的沿相反的方向做轨道运动，同样的分析方法分析方法)0BimpLMmp无论电子轨道运动如何，外磁场对无论电子轨道运动如何，外磁场对它的力矩总使它产生一个与外磁场它的力矩总使它产生一个与外磁场方向相反的附加磁矩。方向相反的附加磁矩。附加磁矩产生附加磁场附加磁矩产生附加磁场,附加磁场与外场方向相附加磁场与外场方向相反反抗磁质抗磁质9.6 磁介质中的

11、安培环路定理磁介质中的安培环路定理 磁场强度磁场强度H9.6.1磁介质的磁化磁介质的磁化 束缚电流束缚电流0B以无限长螺线管为例以无限长螺线管为例顺顺磁磁质质0I0ISI在磁介质内部的任一处，在磁介质内部的任一处，相邻的分子环流的方向相相邻的分子环流的方向相反，互相抵消。反，互相抵消。在磁介质表面处各点，在磁介质表面处各点，分分子环流未被抵消，形成沿子环流未被抵消，形成沿表面流动的面电流表面流动的面电流SI束缚电流束缚电流(磁化电流磁化电流)结论：结论：介质中磁场由传导和束缚电流共同产生。介质中磁场由传导和束缚电流共同产生。)(20SINIrB9.6.2.磁介质中安培环路定理磁介质中安培环路定

12、理 磁场强度磁场强度H以充满各向同性均匀顺磁质的螺绕环为例以充满各向同性均匀顺磁质的螺绕环为例roIN)(d0SLINIlB在螺绕环未充介质时在螺绕环未充介质时NIrB002由上两式由上两式NIINIBBSr0因而因而NIlBrL0d HHBr0令令H-磁场强度磁场强度-磁导率，磁导率，IlHLd（磁介质的安培环路定理）（磁介质的安培环路定理）磁介质内磁场强度沿所选闭合路径磁介质内磁场强度沿所选闭合路径的环流等于闭合积分路径所包围的的环流等于闭合积分路径所包围的所有所有传导电流传导电流的代数和。的代数和。1.电电极化强度极化强度P电偶极子排列的有序程度反映了介质被极化的程度电偶极子排列的有序程

13、度反映了介质被极化的程度,排列排列愈有序，说明极化愈强烈。愈有序，说明极化愈强烈。PV每个分子的电每个分子的电偶极矩偶极矩VpPii定义定义EPe0实验表明：对于大多数常见的各向同性的电介质，有实验表明：对于大多数常见的各向同性的电介质，有e-电极化率电极化率*9.7 D、E、P 和和 B、H、M的关系的关系00 以充满各向同性均匀电介质的平行板电容器为例以充满各向同性均匀电介质的平行板电容器为例VpPiiSdSdS0)11(rEEEEPrrrr000001111可得可得PED0d2.磁化强度磁化强度 M定义定义VpMm实验表明：对顺磁质和抗磁质实验表明：对顺磁质和抗磁质BHMmm以螺绕环为例

14、以螺绕环为例VpMmSLSISSSiLI)(000000MnIMnIinIBBBS可得可得)(0MHB每个分子的磁矩每个分子的磁矩0ISI9.8.1 铁铁磁质的磁化规律磁质的磁化规律 磁滞回线磁滞回线铁磁质中铁磁质中HB 不是线性关系不是线性关系HB HrBHoabcdef 剩磁剩磁rB矫顽力矫顽力CHHBo实验证明：各种铁磁质的起始曲线都是实验证明：各种铁磁质的起始曲线都是“不可逆不可逆”的，的，磁滞现象磁滞现象nIH 9.8 铁磁质铁磁质r讨论讨论BHoBHoHC 较小较小HC 较大较大易磁化，易退磁易磁化，易退磁剩磁较强，不易退磁剩磁较强，不易退磁变压器、电机、电磁铁的铁芯变压器、电机、

15、电磁铁的铁芯可作永久磁铁可作永久磁铁(4)铁磁质的磁化状态与铁磁质此前的磁化历史有关铁磁质的磁化状态与铁磁质此前的磁化历史有关软磁材料软磁材料硬磁材料硬磁材料(3)不同材料，矫顽力不同不同材料，矫顽力不同(2 2)铁磁质温度高于某一温度铁磁质温度高于某一温度TC 时时,铁磁质转化为顺磁质铁磁质转化为顺磁质,此此临界温度称为居里点。临界温度称为居里点。9.8.2 磁畴磁畴磁畴中分子磁矩自发地磁化达到饱和状态磁畴中分子磁矩自发地磁化达到饱和状态无无0B磁化方向与磁化方向与有有0B 整个铁磁质的整个铁磁质的总磁矩为零总磁矩为零同向的磁畴扩大同向的磁畴扩大0B磁化方向转向磁化方向转向0B的方向的方向0B使磁场大大增强使磁场大大增强当外场撤去，被磁化的铁磁质受体内杂质和内应力的阻碍，当外场撤去，被磁化的铁磁质受体内杂质和内应力的阻碍，并不能恢复磁化前的状态。并不能恢复磁化前的状态。磁畴的磁磁畴的磁化方向化方向（未经磁化的铁磁质）（未经磁化的铁磁质）