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1、上章我們學(xué)習(xí)了真空中穩(wěn)恒電流激發(fā)的磁場及其規(guī)律。當(dāng)空間有介質(zhì)(導(dǎo)體、絕緣體)存在時(shí)，磁場將與介質(zhì)發(fā)生相互作用，我們把磁場中的介質(zhì)稱為磁介質(zhì)。磁介質(zhì)在外加磁場作用下自身產(chǎn)生附加磁場的過程稱為磁化。 本章簡要介紹磁介質(zhì)的性質(zhì)、磁化的機(jī)制、以及磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理。,第十一章 磁場中的磁介質(zhì),與電介質(zhì)的情況類似，穩(wěn)恒磁場中的磁介質(zhì)因磁化而產(chǎn)生磁化電流和附加磁場；磁介質(zhì)內(nèi)的總場為原磁場B0 與附加磁場B的矢量和。,一、磁介質(zhì)對(duì)磁場的影響,11.1 磁介質(zhì)對(duì)磁場的影響,但附加磁場并不總是削弱原磁場（這一點(diǎn)和介質(zhì)的極化不同），B 的方向，隨磁介質(zhì)的材料構(gòu)成而不同。大致可以分為三類：,順磁質(zhì) B與B0同向

2、，B B0抗磁質(zhì) B與B0反向，B B0，,順磁質(zhì)：r 1 如金屬鋁、錳、鉻等?？勾刨|(zhì)：r 1 如金屬金、銀、銅等。鐵磁質(zhì)：r 1 如金屬鐵、鈷、鎳等。,順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的磁性很弱，統(tǒng)稱弱磁質(zhì)，它們的相對(duì)磁導(dǎo)率一般是常數(shù)；鐵磁質(zhì)的磁性很強(qiáng)，且具有非線性和磁滯特性，屬于強(qiáng)磁場物質(zhì)，常常是制作磁鐵的材料，它們的相對(duì)磁導(dǎo)率往往是變化的。,實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，均勻磁介質(zhì)磁化后，磁介質(zhì)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度與無介質(zhì)時(shí)(真空中)的磁感應(yīng)強(qiáng)度有比例關(guān)系，這就是介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率；（可用均勻介質(zhì)充滿長直螺線管驗(yàn)證）。,任何物質(zhì)皆由原子或分子構(gòu)成。原子（分子）中的電子同時(shí)參與兩種運(yùn)動(dòng)：自旋及繞核的軌道運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)有軌道磁矩和自旋磁

3、矩。,二、介質(zhì)的磁化 magnetization,這就是安培提出的分子電流假設(shè)。,分子電流分子磁矩產(chǎn)生的磁效應(yīng)可以用一等效的圓電流的磁效應(yīng)來表示。,分子磁矩分子所有軌道磁矩與自旋磁矩之和，稱為分子固有磁矩，簡稱為分子磁矩 m。分子磁矩的方向與電子運(yùn)動(dòng)的角速度方向相反。,順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的磁化可用安培分子電流假說解釋，而鐵磁質(zhì)的磁化很復(fù)雜，后面我們將用磁疇的概念解釋。,1. 順磁質(zhì)的磁化機(jī)理順磁性,順磁質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：,無外磁場時(shí)，順磁質(zhì)中的每個(gè)分子雖然具有磁矩m0，但由于分子熱運(yùn)動(dòng)而使其取向無規(guī)則，物質(zhì)分子的總分子磁矩m=0，物質(zhì)對(duì)外不顯磁性。有外磁場時(shí)，各分子磁矩在外磁場力矩的作用下，向外

4、場方向偏轉(zhuǎn)取向，物質(zhì)分子的總分子磁矩m=m0，從而產(chǎn)生附加磁場B。m 和B及Bo同向順磁性。,無外場Bo時(shí)，分子的磁矩排列雜亂無章，介質(zhì)內(nèi)分子磁矩的矢量和m=m=0,有外場Bo時(shí)，分子磁矩沿外場轉(zhuǎn)向，分子磁矩的矢量和m=m0,對(duì)各向同性（均勻）磁介質(zhì)，從導(dǎo)體橫截面看，導(dǎo)體內(nèi)部分子電流兩兩反向，相互抵消。導(dǎo)體邊緣分子電流同向。,等效,對(duì)各向同性（均勻）磁介質(zhì)，分子電流可等效成磁介質(zhì)表面的磁化電流Is，Is產(chǎn)生附加磁場B。,Is,對(duì)各向同性（均勻）磁介質(zhì)，磁化電流Is只出現(xiàn)在介質(zhì)表面，介質(zhì)內(nèi)部無磁化電流。,磁化電流 Is 可產(chǎn)生附加磁場 B ，但無熱效應(yīng)，因?yàn)闊o宏觀電荷的移動(dòng)，磁化電流束縛在介質(zhì)表

5、面上，不可引出，因此，磁化電流也稱為束縛電流。,Is,在無外磁場時(shí)，抗磁質(zhì)中分子的軌道和自旋磁矩均不為零，但其和分子磁矩為零m=0 ，物質(zhì)不顯磁性。,2. 抗磁質(zhì)的磁化機(jī)理抗磁性（電子進(jìn)動(dòng)）,有外場時(shí)，外磁場使分子中作軌道運(yùn)動(dòng)的電子的角速度變化（當(dāng)電子軌道運(yùn)動(dòng)角速度與外磁場同向時(shí)，角速度增加；當(dāng)電子軌道運(yùn)動(dòng)角速度與外磁場反向時(shí)，角速度減?。?，產(chǎn)生一總是與外磁場B0反向的附加磁矩m 0，從而產(chǎn)生與外場B0反向的附加磁場B。,角速度與外磁場同向時(shí),i,產(chǎn)生與B0反向的附加電子磁矩m,抗磁質(zhì)的總磁矩m=m 0與B0反向,產(chǎn)生與B0反向的附加磁場B,角速度與外磁場反向時(shí)，可作類似分析而得到相同的結(jié)論。

6、,超導(dǎo)體是理想的抗磁體，具有超導(dǎo)性和完全抗磁性。,抗磁性是一切磁介質(zhì)固有的特性，它不僅存在于抗磁介質(zhì)中，也存在于順磁介質(zhì)中；只不過對(duì)于順磁介質(zhì)，磁化產(chǎn)生的磁矩電子附加磁矩，順磁效應(yīng) 抗磁效應(yīng)。抗磁介質(zhì)中電子附加磁矩起主要作用，顯抗磁性。,說明：,磁化的宏觀效果：（1）在外磁場下，總的分子磁矩不為零， m0；（2）介質(zhì)某些表面出現(xiàn)磁化電流I（束縛電流）；（3）磁化電流會(huì)產(chǎn)生附加的磁場B，總的磁場B=B0+B=urB0；,有磁介質(zhì)時(shí)，安培環(huán)路定理是：,磁介質(zhì)的總場,傳導(dǎo)電流,磁化電流,三、磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理,無磁介質(zhì)時(shí)：,根據(jù)實(shí)驗(yàn)規(guī)律,所以,由于磁化電流的計(jì)算很繁，所以我們從無磁介質(zhì)時(shí)出發(fā)。,

7、定義磁場強(qiáng)度：,則有磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理成為：,即：磁場強(qiáng)度沿任意閉合路徑的線積分（環(huán)流），等于穿過以該回路為邊界的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和。,H 是為消除磁化電流的影響而引入的輔助物理量。 H 的環(huán)流僅與傳導(dǎo)電流I 有關(guān),與介質(zhì)無關(guān)。(當(dāng)I相同時(shí)，盡管介質(zhì)不同，H在同一點(diǎn)上也不相同，然而環(huán)流卻相同。因此可以用它求場量H ，就象求D 那樣。H的單位：安培/米(A/m),說明：,例1、長直單芯電纜的芯是一根半徑為R 的金屬導(dǎo)體，它與外壁之間充滿均勻磁介質(zhì)，電流從芯流過再沿外壁流回。求介質(zhì)中磁場分布。,方向沿圓的切線方向,解：取如圖所示安培回路,例2：P140, 例11.1。,電介質(zhì)中的高斯定理,磁介質(zhì)

8、中的安培環(huán)路定理, 11.2 鐵磁質(zhì),在工程技術(shù)上常用的磁介質(zhì)是鐵磁質(zhì)，如電機(jī)、變壓器和電表等。鐵磁質(zhì)有如下特點(diǎn)：1在外磁場作用下能產(chǎn)生很強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；12當(dāng)外磁場停止作用時(shí)，仍能保持其磁化狀態(tài)；3B與H之間不是簡單的線性關(guān)系（與順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)不同）；4鐵磁質(zhì)都有一臨界溫度。在此溫度（居里溫度）之上，鐵磁性 完全消失而成為順磁質(zhì)。 Fe(1040K) Co(630K) Ni(1390K),磁化曲線磁介質(zhì)內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨磁場強(qiáng)度H的變化關(guān)系曲線。,一、鐵磁介質(zhì)的磁化機(jī)理磁疇,1.磁疇,磁疇鐵磁質(zhì)中因電子自旋而引起的強(qiáng)烈相互作用，在鐵磁質(zhì)內(nèi)形成磁性很強(qiáng)的小區(qū)域 。磁疇的體積約為 10-12 m3

9、 。,在無外磁場時(shí)，各磁疇排列雜亂無章，鐵磁質(zhì)不顯磁性；在外磁場中，各磁疇沿外場轉(zhuǎn)向，介質(zhì)內(nèi)部的磁場迅速增加，在鐵磁質(zhì)充磁過程中伴隨著發(fā)聲、發(fā)熱。,2.磁疇的形成,按照量子理論, 鐵磁質(zhì)內(nèi)電子間存在著很強(qiáng)的由電子自旋引起的相互作用電子交換作用, 使各電子的自旋磁矩排列整齊，從而形成磁疇。每個(gè)磁疇內(nèi)的電子自旋磁矩整齊排列，磁性很強(qiáng)自發(fā)磁化。,3.磁疇與外磁場的關(guān)系,無外磁場時(shí), 各個(gè)磁疇由于熱運(yùn)動(dòng)其方向排列無序, 因而整體對(duì)外不顯磁性。有外磁場時(shí), 各個(gè)磁疇的磁矩在外磁場的磁力矩作用下以整體的形式趨向外磁場方向排列, 從而對(duì)外顯示很強(qiáng)的磁性。出現(xiàn)高m 值。,具體過程: 與外磁場方向一致和相同的磁

10、疇范圍擴(kuò)大, 磁疇磁矩方向同時(shí)盡力轉(zhuǎn)向外磁場的方向。,4. 磁疇與溫度的關(guān)系: 當(dāng)溫度持續(xù)升高到某值時(shí), 由于劇烈的熱運(yùn)動(dòng), 磁疇瓦解, 鐵磁質(zhì)的鐵磁性消失, 過渡到順磁質(zhì)。此溫度叫做居里溫度或居里點(diǎn)。,二、鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律磁滯回線,1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 確定鐵磁質(zhì)內(nèi)的B隨外場H 的變化關(guān)系, 確定其磁導(dǎo)率m 的特點(diǎn)和鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律。,a,2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果,oa : 起始磁化曲線，未經(jīng)磁化的鐵磁質(zhì), 起始時(shí), B 隨H 而增大, 到a點(diǎn)達(dá)到飽和。,b,Br,a b :當(dāng)外磁場減小時(shí)，介質(zhì)中的磁場并不沿起始磁化曲線返回，而是滯后于外磁場變化磁滯現(xiàn)象, 當(dāng)H = 0時(shí), B = Br 0，Br剩磁。,

11、b c : 加上反向外磁場，則B 繼續(xù)減小,當(dāng)H=-Hc時(shí)，B=0，Hc稱為矯頑力, 即為了消除剩磁所需加的反向外磁場Hc 。,Br,Hc,B,H,o,a,cd：繼續(xù)增加反向磁場，介質(zhì)達(dá)到反向磁飽和狀態(tài)。,def：改變外磁場為正向磁場，不斷增加外場，介質(zhì)又達(dá)到正向磁飽和狀態(tài)。,b,c,d,e,f,磁滯回線閉合曲線abcdefa。,實(shí)驗(yàn)結(jié)論,鐵磁質(zhì)具有非線性，其m 值具有非單值性，與磁化的歷史有關(guān)。鐵磁質(zhì)會(huì)出現(xiàn)磁滯和剩磁現(xiàn)象。,超導(dǎo)體,1911年，荷蘭物理學(xué)家HK 昂納斯及其助手首先發(fā)現(xiàn)在溫度降至液氦的沸點(diǎn)（4.2K）以下時(shí)，水銀的電阻為0。超導(dǎo)體在低溫下電阻為零的物質(zhì)。1913年昂納斯因他在低

12、溫物理和超導(dǎo)領(lǐng)域所做的杰出貢獻(xiàn)，獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,1.超導(dǎo)體的基本性質(zhì),零電阻率,超導(dǎo)體在臨界溫度以下時(shí)，電阻為零，所以它可以通過很大的電流，而幾乎無熱損耗。有人曾用超導(dǎo)體做成一個(gè)圓環(huán)，當(dāng)把它冷卻到臨界溫度以下后，突然去掉磁場，由于電磁感應(yīng)，在超導(dǎo)體環(huán)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)強(qiáng)的電流，這個(gè)電流在持續(xù)兩年半的時(shí)間內(nèi)仍沒發(fā)現(xiàn)可觀的變化。,由于超導(dǎo)體內(nèi)電阻為0，超導(dǎo)電流不會(huì)產(chǎn)生熱量，超導(dǎo)電流也就不會(huì)消失，超導(dǎo)體一直會(huì)懸浮在磁場中。,利用這種現(xiàn)象可制成超導(dǎo)重力儀，用來預(yù)測地震，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生之前，地表面的重力場會(huì)發(fā)生變化，超導(dǎo)球的位置也會(huì)發(fā)生變化，由此來預(yù)測地震。還可制造超導(dǎo)磁懸浮列車，世界上最快的磁懸浮列車時(shí)速

13、超過500公里/小時(shí)。,2.超導(dǎo)體的應(yīng)用,無損耗輸電。傳統(tǒng)輸電過程中總要產(chǎn)生一部分焦耳熱損耗，一般在 10%20%，如果采用超導(dǎo)體輸電，幾乎沒有電能損失，而且不需要升壓，可以不用變壓器設(shè)備，也不必架設(shè)高壓線，可以在地下管道中。甚至可以直接傳輸直流電。產(chǎn)生強(qiáng)磁場。因超導(dǎo)體無熱損耗，可通過很大電流，如用超導(dǎo)芯線為Nb3Sn。其最大電流密度為 109 A/m2, 在承受相同電流的情況下，超導(dǎo)芯線可以細(xì)得多，超導(dǎo)磁鐵不僅效率高，而且可以做得很輕便。例如，一個(gè)能產(chǎn)生 5T 的中型電磁鐵的重量可達(dá) 20 噸，而超導(dǎo)磁鐵的重量不過幾公斤。 美國在 磁譜儀中，將采用超導(dǎo)磁鐵產(chǎn)生強(qiáng)磁場，2003 年再次送入地球軌道，觀察暗物質(zhì)和反物質(zhì)。,