1、磁介质磁介质 (研究方法与电介质类似）研究方法与电介质类似）一一 磁场最基本的属性磁场最基本的属性*的定义及特点的定义及特点 相互作用相互作用二二 什么是磁介质什么是磁介质 *实物实物 4%暗物质暗物质 23%暗能量暗能量 73%*实物的组成实物的组成 *怎样认识暗物质怎样认识暗物质三三 磁化现象及描述磁化现象及描述 *表现表现 *本质本质 磁场和运动电荷之间有相互作用磁场和运动电荷之间有相互作用 从以下几个方面进行研究从以下几个方面进行研究B,B I三三 磁化现象及描述磁化现象及描述 *表现表现 *本质本质 磁场和运动电荷之间有相互作用磁场和运动电荷之间有相互作用 例子：电磁感应加铁芯例子：
2、电磁感应加铁芯 *描述：（描述：（1）（2）四四 磁化规律磁化规律 *两种微观模型两种微观模型 分子电流分子电流 磁荷磁荷 *正确认识模型正确认识模型 等效等效 但赋予但赋予 的物理的物理 意义不同意义不同,B I,B B I MJ磁化强度两种微观模型磁极化强度,B H 四四 磁化规律磁化规律 *两种微观模型两种微观模型 分子电流分子电流 磁荷磁荷 *正确认识模型正确认识模型 等效等效 但赋予但赋予 的物理的物理 意义意义不同不同 *分子电流观点中分子电流观点中 *磁介质分类磁介质分类 r 弱弱 强强 铁磁质铁磁质 五五 有介质存在时磁场性质的描述有介质存在时磁场性质的描述 *高斯定理高斯定理
3、 环路定理环路定理 *简化对磁场与介质相互作用的处理简化对磁场与介质相互作用的处理,B H,MBMH00(1)rBHH 五五 有介质存在时磁场性质的描述有介质存在时磁场性质的描述 *高斯定理高斯定理 环路定理环路定理 *简化对磁场与介质相互作用的处理简化对磁场与介质相互作用的处理六六 应用应用 *边界条件边界条件 磁屏蔽磁屏蔽 *磁路定理磁路定理七七 磁场的物质性磁场的物质性 *能量能量 能量密度能量密度 磁性：磁性：物质的基本属性之一，即物质的磁学特性物质的基本属性之一，即物质的磁学特性 吸铁石吸铁石天然磁体天然磁体 具有强磁性具有强磁性 多数物质一般情况下没有明显的磁性多数物质一般情况下没
4、有明显的磁性 磁介质（磁介质（magnetic medium）对磁场有一定响应对磁场有一定响应,并能反过来影响磁场的物质并能反过来影响磁场的物质 一般实物在较强磁场的作用下都显示出一定程度的磁性，一般实物在较强磁场的作用下都显示出一定程度的磁性，即都能对磁场的作用有所响应，所以都是磁介质即都能对磁场的作用有所响应，所以都是磁介质 磁化（磁化（magnetization）在外磁场的作用下，原来没有磁性的物质，在外磁场的作用下，原来没有磁性的物质，变得变得具有磁具有磁性，简称磁化。磁介质被磁化后，会产生性，简称磁化。磁介质被磁化后，会产生附加磁场附加磁场，从，从而而改变改变原来空间磁场的分布原来空
5、间磁场的分布 6-1 分子电流观点分子电流观点习题：习题：6.1-1,6.1-36.1-1,6.1-3 6.1-6 6.1-6问题的提出问题的提出 为什么物质对磁场有为什么物质对磁场有响应响应 为什么不同类型的物质对磁场有不同的为什么不同类型的物质对磁场有不同的响应响应 与物质内部的电磁结构有着密切的与物质内部的电磁结构有着密切的联系联系两种微观模型两种微观模型 磁荷观点磁荷观点 类比电荷类比电荷 分子环流分子环流 物质的磁性起源于原子的磁性物质的磁性起源于原子的磁性原子磁性原子磁性 量子力学量子力学严格的磁学理论必须建立在量子力学基础上严格的磁学理论必须建立在量子力学基础上 一一 分子环流分
6、子环流分子电流分子电流 安培的大胆假设安培的大胆假设 磁介质的磁介质的“分子分子”相当于一个环形电流相当于一个环形电流，由电荷，由电荷的某种运动形成，它没有像导体中电流所受的的某种运动形成，它没有像导体中电流所受的阻力，分子的环形电流具有磁矩，在外磁场的阻力，分子的环形电流具有磁矩，在外磁场的作用下可以自由地改变方向作用下可以自由地改变方向 把种种磁相互作用归结为电流把种种磁相互作用归结为电流电流相互作用，电流相互作用，建立了建立了安培定律安培定律磁作用理论磁作用理论 在安培时代，对于物质的分子、原子结构的认识在安培时代，对于物质的分子、原子结构的认识还很肤浅，电子尚未发现，所谓还很肤浅，电子
7、尚未发现，所谓“分子分子”泛指介质泛指介质的微观基本单元的微观基本单元现代的观点现代的观点 分子磁矩分子磁矩 m分子分子=ml+ms（矢量和矢量和）轨道磁矩轨道磁矩ml：由原子内各电子绕原子核的轨道：由原子内各电子绕原子核的轨道运动决定运动决定 自旋磁矩自旋磁矩ms：由核外各电子的自旋的运动决定：由核外各电子的自旋的运动决定 所谓磁化：所谓磁化：就是在外磁场作用下大量分子电流混乱分布就是在外磁场作用下大量分子电流混乱分布（无序）（无序）整齐排列（有序）整齐排列（有序）每一个分子电流提供一个分子磁矩每一个分子电流提供一个分子磁矩m分子分子 磁化了的介质内分子磁矩矢量和磁化了的介质内分子磁矩矢量和
8、 m分子分子 0 分子磁矩的整齐排列贡献宏观上的磁化电流分子磁矩的整齐排列贡献宏观上的磁化电流I（虽然不同的磁介质的磁化机制不同）（虽然不同的磁介质的磁化机制不同）p“磁荷磁荷”模型要点模型要点 磁荷有正、负，同号相斥，异号相吸磁荷有正、负，同号相斥，异号相吸 磁荷遵循磁的库仑定律（类似于电库仑定律）磁荷遵循磁的库仑定律（类似于电库仑定律）定义磁场强度为单位点磁荷所受的磁场力定义磁场强度为单位点磁荷所受的磁场力 把磁介质分子看作磁偶极子把磁介质分子看作磁偶极子 认为磁化是大量分子磁偶极子规则取向使正、认为磁化是大量分子磁偶极子规则取向使正、负磁荷聚集两端的过程，磁体间的作用源于其负磁荷聚集两端
9、的过程，磁体间的作用源于其中的磁荷中的磁荷 目前没找到单独目前没找到单独存在存在的磁极的磁极？对同性电荷的稳定性、电荷的量子化、轻子结构、轻对同性电荷的稳定性、电荷的量子化、轻子结构、轻子和强子的统一组成、轻子和夸克的对称等难题等，都子和强子的统一组成、轻子和夸克的对称等难题等，都能给以较好的解释。能给以较好的解释。不仅不仅对电磁对电磁理论而且对整个理论而且对整个物理学物理学的基础理论的基础理论都都有有巨大巨大的的影响。影响。二二 磁化的描述磁化的描述 1 1 磁化强度矢量磁化强度矢量 为了描述磁介质的磁化状态（磁化方向和强为了描述磁介质的磁化状态（磁化方向和强度），引入磁化强度矢量的概念度）
10、，引入磁化强度矢量的概念 磁化程度越高，矢量和的值也越大磁化程度越高，矢量和的值也越大VmM分子磁矩分子磁矩的矢量和的矢量和体积元体积元1mA单位（安单位（安/米）米）意义意义 磁介质中单位体积内分子的合磁矩磁介质中单位体积内分子的合磁矩.2 磁化电流磁化电流 介质对磁场作用的响应的结果介质对磁场作用的响应的结果 磁化电流不能传导，束缚在介磁化电流不能传导，束缚在介质内部，也叫束缚电流质内部，也叫束缚电流 能产生附加磁场，满足毕奥能产生附加磁场，满足毕奥-萨伐尔定律萨伐尔定律 附加场反过来要影响原来空间附加场反过来要影响原来空间的磁场分布的磁场分布 磁介质均匀时，只有介质表面磁介质均匀时，只有
11、介质表面处，分子电流未被抵销，有磁处，分子电流未被抵销，有磁化电流化电流p 磁化电流与传导电流磁化电流与传导电流 传导电流传导电流 载流子的定向流动，是电荷迁移的结果，载流子的定向流动，是电荷迁移的结果，产生焦产生焦耳热耳热，产生磁场，遵从电流产生磁场规律，产生磁场，遵从电流产生磁场规律 磁化电流磁化电流 磁介质受到磁场作用后被磁化的后果，是大量分磁介质受到磁场作用后被磁化的后果，是大量分子电流叠加形成的在宏观范围内流动的电流，是子电流叠加形成的在宏观范围内流动的电流，是大量分子电流统计平均的宏观效果大量分子电流统计平均的宏观效果 相同之处相同之处：同样可以产生磁场，遵从电流产：同样可以产生磁
12、场，遵从电流产生磁场规律生磁场规律 不同之处不同之处：电子都被：电子都被限制限制在分子范围内运动；在分子范围内运动；分子电流运行无阻力，即分子电流运行无阻力，即无热效应无热效应 磁化的描述磁化的描述 三者从不同角度定量地描绘同一物理现象三者从不同角度定量地描绘同一物理现象 磁化，磁化，之间必有联系，这些关系之间必有联系，这些关系磁介质磁化遵循的规律磁介质磁化遵循的规律描描绘绘磁磁化化0BBBIM3 磁化强度矢量与磁化电流的关系磁化强度矢量与磁化电流的关系 磁化强度矢量沿任意闭合回路磁化强度矢量沿任意闭合回路L的积分等于的积分等于通过以通过以L为周界的曲面为周界的曲面S的磁化电流的代数的磁化电流
13、的代数和，即和，即LLIldM内通过以通过以L为界为界S面内面内全部分子电流的代全部分子电流的代数和数和证明：证明：l把每一个宏观小体积内的分把每一个宏观小体积内的分子看成完全一样的电流环即子看成完全一样的电流环即用平均分子磁矩代替每一个用平均分子磁矩代替每一个分子的真实磁矩分子的真实磁矩 aIm分子l设单位体积内的分子环设单位体积内的分子环流数为流数为n，则单位体积内，则单位体积内分子磁矩总和为分子磁矩总和为 ManIm分子l在磁介质中划出任意宏观面在磁介质中划出任意宏观面S S来考察：令其来考察：令其边界线为边界线为L L，则介质中的分子环流分为三类，则介质中的分子环流分为三类 l 在在L
14、上取线元上取线元dl为轴线，为轴线，a为底为底作柱体，凡中心处在作柱体，凡中心处在 V内的分子内的分子环流都为环流都为dl所穿过，所穿过，共有分子数共有分子数l dannadlVnNcos对电流的贡献对电流的贡献 不与不与S相交相交 整个为整个为S所切割，即分子所切割，即分子电电 流与流与S相交两次相交两次 被被L穿过的分子电流，即穿过的分子电流，即与与 S相交一次相交一次 只有第三种情形对电流有只有第三种情形对电流有贡献，贡献，dIINnIa dlM dll沿闭合回路沿闭合回路L L积分得普遍关系积分得普遍关系 j：磁化电流密度磁化电流密度表示单位时间通过单位垂直面积的磁化电流表示单位时间通
15、过单位垂直面积的磁化电流 均匀磁化：均匀磁化：M为常数为常数，j=0，介质内部没有磁，介质内部没有磁化电流，磁化电流只分布在介质表面化电流，磁化电流只分布在介质表面LLIldM内通过以通过以L为界为界S面内全部分子面内全部分子电流的代数和电流的代数和()SSMdSj dSMj积分积分形式形式微分形式微分形式M与介质表面磁化电流的关系与介质表面磁化电流的关系 证明证明 在介质表面取闭合回路在介质表面取闭合回路 穿过回路的磁化电流穿过回路的磁化电流 iMinMt或或面磁化电流密度面磁化电流密度 liI Laddccbbal dMl dMl dMl dMldMbatdlMbc、da dlM=0iMl
16、ilMtt4 磁化强度矢量和磁化强度矢量和B的关系的关系 磁介质磁化后，一般说来，磁化强度矢量磁介质磁化后，一般说来，磁化强度矢量应由总磁感应强度确定应由总磁感应强度确定 0BBB 磁介质的磁化规律（通常由实验确定）磁介质的磁化规律（通常由实验确定）磁介质种类繁多，结构性质各异，磁介质磁介质种类繁多，结构性质各异，磁介质中中M和和B的关系很难归纳成一个统一的形式的关系很难归纳成一个统一的形式 线性磁介质线性磁介质 mMk B0mrk 非线性磁介质：不满非线性磁介质：不满足上述关系足上述关系 例例1长为长为L，直径为，直径为d的均匀磁介质圆柱体被的均匀磁介质圆柱体被均匀磁化，磁化强度为均匀磁化，
17、磁化强度为M，其方向与圆柱轴，其方向与圆柱轴线平行，求线平行，求1.圆柱表面的磁化电流圆柱表面的磁化电流 2.轴线中点的附加磁感轴线中点的附加磁感应应 强度强度BiMnMiu与有限长密绕螺线管类比与有限长密绕螺线管类比 inI u可以用计算载流螺线管内磁场的公式计算可以用计算载流螺线管内磁场的公式计算)cos(cos2120iB2212coscosdll所以轴线中点附加场所以轴线中点附加场 220dllMBn讨论讨论 n无限长磁介质圆柱体无限长磁介质圆柱体n l,d有限，中点有限，中点MB0n薄磁介质圆片薄磁介质圆片 nl/d 00)/(1/20220dldlMdllMBn如果已知外磁场为如果
18、已知外磁场为B B0 0,则中点的总磁场应为则中点的总磁场应为0BBB中点三三 有磁介质时的磁场性质有磁介质时的磁场性质 高斯高斯 环路定理环路定理 传导电流产生传导电流产生 +磁化电流产生磁化电流产生00000SLLBdSBdlI内BIBMBI|00产生附加场产生附加场使介质磁化使介质磁化产生产生+00SLLB dSB dlI内 总磁场遵从的规律总磁场遵从的规律 用上述公式计算磁场比较麻烦用上述公式计算磁场比较麻烦 磁化电流和磁化电流和B互相牵扯，难于测量和控制，通互相牵扯，难于测量和控制，通常也是未知的常也是未知的 B-S定律和安培环路定理以已知电流分布为前定律和安培环路定理以已知电流分布
19、为前提提 解决的办法解决的办法补充补充或附加有关磁介质或附加有关磁介质磁磁化性质的已知条件化性质的已知条件 000()SLLB dSB dlII内有介质时的安培环路定理有介质时的安培环路定理LLIldB内000IIl dMIl dMIldBLL000内内LLIldMB00)(传导电流传导电流0BHM0Il dHL定义：定义：磁场强度磁场强度有磁介质时的安培有磁介质时的安培环路定理环路定理 磁场强度沿任意闭合环路的线积分总等于磁场强度沿任意闭合环路的线积分总等于穿过以闭合环路为周界的任意曲面的传导穿过以闭合环路为周界的任意曲面的传导电流强度的代数和。电流强度的代数和。磁场强度是一个辅助矢量磁场强度是一个辅助矢量 单位为安培每米，用单位为安培每米，用A/m表示表示0LH dlI
