第5章 磁與物質(zhì)作用2016

1、第五章第五章 磁場(chǎng)與物質(zhì)相互作用磁場(chǎng)與物質(zhì)相互作用物質(zhì)中的磁場(chǎng)與磁性材料物質(zhì)中的磁場(chǎng)與磁性材料5.1 磁化強(qiáng)度、磁化電流及磁場(chǎng)強(qiáng)度磁化強(qiáng)度、磁化電流及磁場(chǎng)強(qiáng)度1. 磁化強(qiáng)度q 分子環(huán)流和分子磁矩分子環(huán)流和分子磁矩安培：安培：物質(zhì)磁性起源于物質(zhì)內(nèi)部有規(guī)則排列的分子電流。物質(zhì)磁性起源于物質(zhì)內(nèi)部有規(guī)則排列的分子電流。分子電流環(huán)分子電流環(huán) 分子磁矩分子磁矩aasIm分子磁化：使物質(zhì)具有磁性的過(guò)程磁化：使物質(zhì)具有磁性的過(guò)程分子（原子）磁矩分子（原子）磁矩 = 電子軌道磁矩電子軌道磁矩 + 電子自旋磁矩，電子自旋磁矩，核磁矩可以忽略。核磁矩可以忽略。q 磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度反映介質(zhì)磁化狀態(tài)的物理量反映介質(zhì)磁化

2、狀態(tài)的物理量（類(lèi)比電場(chǎng)中極化強(qiáng)度）（類(lèi)比電場(chǎng)中極化強(qiáng)度）定義：定義：VmM分子 V：宏觀小，可反映磁介質(zhì)磁化：宏觀小，可反映磁介質(zhì)磁化狀態(tài)的非均勻性；狀態(tài)的非均勻性； 微觀大，可反微觀大，可反映磁化強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)特性映磁化強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)特性非磁化時(shí)，非磁化時(shí)，0M0m分子磁化時(shí)，磁化時(shí)，aasnImnM分子q 電子軌道磁矩和自旋磁矩電子軌道磁矩和自旋磁矩Lmel2Blllhllme) 1() 1(2Smegss2實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)銀原子出現(xiàn)兩個(gè)斑痕（譜線有一寬度是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)銀原子出現(xiàn)兩個(gè)斑痕（譜線有一寬度是因?yàn)锳g原子的原子的初速度有一分布），這意味著初速度有一分布），這意味著l =1/2？ 1927年費(fèi)

3、普用基態(tài)年費(fèi)普用基態(tài)H原子做類(lèi)似實(shí)驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)兩個(gè)分立束斑。原子做類(lèi)似實(shí)驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)兩個(gè)分立束斑。 for his contribution to the development of the molecular ray method and his discovery of the magnetic moment of the proton“ （1943） z dzdB0dzdB0dzdB經(jīng)典預(yù)言經(jīng)典預(yù)言0dzdB實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置0dzdB量子預(yù)言量子預(yù)言dzdBmgWfBlB21,) 1(22shsssfor the discovery of new productive fo

4、rms of atomic theory 為單位）以為單位）以hLgzBz(shgBssBssssg) 1( for the development of the ion trap technique1989 Nobel )1 (2ags2. 磁化電流q 磁化電流的形成磁化電流的形成q 磁化電流與磁化強(qiáng)度的關(guān)系磁化電流與磁化強(qiáng)度的關(guān)系Mj I為通過(guò)S面的總磁化電流ldSnIndVIdIaaaldMldSnIIaa對(duì)于均勻磁化介質(zhì)0j磁化電流只能存在于非均勻磁化介質(zhì)中磁化電流只能存在于非均勻磁化介質(zhì)中或或不同介質(zhì)的界面上不同介質(zhì)的界面上SMldMSjISSd)(d介質(zhì)磁化后會(huì)在表面產(chǎn)生宏觀的磁化

5、電流介質(zhì)磁化后會(huì)在表面產(chǎn)生宏觀的磁化電流nililMMl dM)(12介質(zhì)表面或界面上的磁化電流介質(zhì)表面或界面上的磁化電流nMMi)(12M2M1reMnMi均勻磁化的磁介質(zhì)棒軸線中點(diǎn)處的磁場(chǎng)？均勻磁化的磁介質(zhì)棒軸線中點(diǎn)處的磁場(chǎng)？ 1 2dL)cos(cos2)cos(cos2210210MiB20220)/(11LdMdLLMB無(wú)窮長(zhǎng)棒無(wú)窮長(zhǎng)棒0/LdM B0MB BBB000Ld /0 B 00B BBB薄片薄片q 磁化電流與傳導(dǎo)電流比較磁化電流與傳導(dǎo)電流比較v 磁化電流不伴隨電荷的宏觀移動(dòng)，傳導(dǎo)電流則伴磁化電流不伴隨電荷的宏觀移動(dòng)，傳導(dǎo)電流則伴隨電荷的宏觀移動(dòng)隨電荷的宏觀移動(dòng)v 磁化電流

6、可存在于一切磁介質(zhì)中（絕緣體或?qū)w磁化電流可存在于一切磁介質(zhì)中（絕緣體或?qū)w等），無(wú)焦耳效應(yīng)；傳導(dǎo)電流只能存在于導(dǎo)電物體等），無(wú)焦耳效應(yīng)；傳導(dǎo)電流只能存在于導(dǎo)電物體中，有焦耳效應(yīng)中，有焦耳效應(yīng)不同點(diǎn)不同點(diǎn)相同點(diǎn)：相同點(diǎn)：均可激發(fā)磁場(chǎng)并受磁場(chǎng)作用均可激發(fā)磁場(chǎng)并受磁場(chǎng)作用傳導(dǎo)電流傳導(dǎo)電流 I0總電流總電流 I=磁化電流磁化電流 I +B=B +B0由由 I = I +I0 和和 B = B + B0S0sdB依然成立依然成立 IIl dB000L環(huán)路定理環(huán)路定理 如何處理？如何處理？3. 磁場(chǎng)強(qiáng)度H 與磁介質(zhì)中靜磁場(chǎng)規(guī)律q 磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理L Il dM0L0Il dM

7、/B)(定義定義輔助矢量輔助矢量磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度HMBH0環(huán)路定理：環(huán)路定理：0LIl dH只與傳導(dǎo)電流有關(guān)！只與傳導(dǎo)電流有關(guān)！涉及兩個(gè)物理量涉及兩個(gè)物理量B和和H，類(lèi)似于電場(chǎng)中的，類(lèi)似于電場(chǎng)中的D與與E中，還需要有中，還需要有類(lèi)似的極化規(guī)律類(lèi)似的極化規(guī)律 才能使方程閉合。才能使方程閉合。B與與H的關(guān)系？的關(guān)系？ED0由由 IIl dB000L5.2 磁介質(zhì)的磁化規(guī)律磁介質(zhì)的磁化規(guī)律1. 非鐵磁各向同性介質(zhì)HMmHHMHBm000)(對(duì)各向同性線性介質(zhì)：對(duì)各向同性線性介質(zhì)：HBr0mr1m為磁化率為磁化率r為相對(duì)磁導(dǎo)率為相對(duì)磁導(dǎo)率真空中真空中0M 10rm2. 各向異性介質(zhì)HBr0解釋線圈中加

8、入磁性材料可以增強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度和電感HMm為磁化率張量（九個(gè)分量）為磁化率張量（九個(gè)分量）541010m)1010(65m順磁抗磁順磁質(zhì)：順磁質(zhì)：54101010mm抗磁質(zhì)：抗磁質(zhì)：)1010(1065mm原子（或分子）固有磁矩之和（軌道磁矩原子（或分子）固有磁矩之和（軌道磁矩+自旋磁矩）自旋磁矩）= 03. 順磁性及抗磁性抗磁性材料：抗磁性材料：（所有材料均有抗磁性。當(dāng)順磁或鐵磁性超過(guò)抗磁時(shí)，呈現(xiàn)順磁或鐵磁。Lmel2LLmBeBLmeBdtLdl22BLl即使即使L反向，進(jìn)動(dòng)的角速度也相同，且方向同反向，進(jìn)動(dòng)的角速度也相同，且方向同 B 一致。因一致。因此兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的電子由于拉莫進(jìn)動(dòng)產(chǎn)

9、生的附加磁此兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的電子由于拉莫進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生的附加磁矩都與矩都與B反向，即產(chǎn)生抗磁性。反向，即產(chǎn)生抗磁性。拉莫進(jìn)動(dòng)示意Bmrerel42222附加磁矩順磁性材料：順磁性材料：原子（或分子）固有磁矩之和（軌道磁矩原子（或分子）固有磁矩之和（軌道磁矩+自旋磁矩）自旋磁矩） 0順磁熱效應(yīng)：溫度越高，順磁效應(yīng)越弱順磁熱效應(yīng)：溫度越高，順磁效應(yīng)越弱TCmCmTTC居里定律居里-外斯定律順磁絕熱去磁制冷絕熱去磁制冷可將溫度降到K甚至nK4. 鐵磁性材料 （Fe、Co、Ni、鐵氧體等）、鐵氧體等）MS: 飽和磁化強(qiáng)度；飽和磁化強(qiáng)度； MR: 剩余磁化強(qiáng)度剩余磁化強(qiáng)度HC: 矯頑力（大矯頑力（大硬磁硬磁

10、 104106A/m；小；小軟磁軟磁 A/m，磁滯回線狹窄），磁滯回線狹窄）磁化曲線、磁性溫度關(guān)系軟磁、硬磁、矩磁（鐵氧體）鐵磁性微觀機(jī)制鐵磁性微觀機(jī)制磁疇磁疇磁滯損耗做功：磁滯損耗做功：; ;dNSBdtdd00ItIdA; 00ILNnIH; dBNSdBVHBSLHdAdd單位體積單位體積BHVAaddd去磁曲線加溫、敲擊5. 反鐵磁和亞鐵磁 原子磁矩有序排列原子磁矩有序排列（順磁性無(wú)序排列）（順磁性無(wú)序排列） 同一子晶格平行排列；同一子晶格平行排列；不同子晶格反向排列；不同子晶格反向排列； 兩子晶格的自發(fā)磁矩兩子晶格的自發(fā)磁矩大小相等。大小相等。 FeO, CoO, NiO, MnO2

11、51010m反鐵磁的磁矩排列及磁化行為Neel溫度亞鐵磁的磁矩排列及磁化行為 同一子晶格平行排列；不同子晶格反向排列；同一子晶格平行排列；不同子晶格反向排列； 兩子晶格的自發(fā)磁矩大小兩子晶格的自發(fā)磁矩大小不不相等。相等。 Fe3O4 石榴石（石榴石（Garnet）順磁反鐵磁TN5.3 邊界關(guān)系與靜磁場(chǎng)問(wèn)題邊界關(guān)系與靜磁場(chǎng)問(wèn)題1. 磁介質(zhì)界面上的邊值關(guān)系q B 線法向連續(xù)線法向連續(xù)0)(12SnBSnBsdBn2n1BBB2B1介質(zhì)介質(zhì)2介質(zhì)介質(zhì)1nq i 與與M的關(guān)系的關(guān)系L Il dM對(duì)區(qū)域?qū)^(qū)域2為真空的情況為真空的情況nM i1nMM i21)(介質(zhì)介質(zhì)2介質(zhì)介質(zhì)1nM1M2q H 切向

12、連續(xù)切向連續(xù)H1介質(zhì)介質(zhì)2介質(zhì)介質(zhì)1nH2L0IldHlilHH021)-(t2t 1HH考慮到方向：考慮到方向：)-()-(12210HHnnHHi通常介質(zhì)面上傳導(dǎo)電流為零通常介質(zhì)面上傳導(dǎo)電流為零H 切向連續(xù)切向連續(xù)q B 線在界面上的線在界面上的“折射折射”t2t 1HHn2n1BB21nB2B1 1 22121/tg/tg22221111cosBsinHcosBsinH當(dāng)當(dāng) （介質(zhì)（介質(zhì)1為鐵磁、為鐵磁、2為非磁性），則為非磁性），則 ，即，即B 線幾乎與界面平行，漏到外面去很小線幾乎與界面平行，漏到外面去很小2121q 無(wú)限均勻各向同性介質(zhì)無(wú)限均勻各向同性介質(zhì)2. 典型的靜磁場(chǎng)問(wèn)題q

13、分區(qū)介質(zhì)問(wèn)題分區(qū)介質(zhì)問(wèn)題v 介質(zhì)界面與介質(zhì)界面與B線重合線重合v 介質(zhì)界面與介質(zhì)界面與B線垂直線垂直I000IIldHLrerIHB2000I, R1, R2 (2), R3(3)LIldHrierIB20i21IR1R2IrBrBldBldBldHL020102010iiBH 235.4 磁路定理磁路定理1. 磁路與電路的對(duì)應(yīng)性B線的折射定理表明線的折射定理表明2121B線平行鐵磁體表面線平行鐵磁體表面穩(wěn)恒條件穩(wěn)恒條件0sdj EKEj)(歐姆定律歐姆定律電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)l dK穩(wěn)恒電場(chǎng)（電路）穩(wěn)恒電場(chǎng)（電路）0sdBHB0m0Il dH靜磁場(chǎng)靜磁場(chǎng) （磁路）（磁路）對(duì)一閉合電流管的閉合電路對(duì)一

14、閉合電流管的閉合電路沿電流管沿電流管CSjIIRSdlR若分段均勻則若分段均勻則iiiiSlRR磁動(dòng)勢(shì)磁動(dòng)勢(shì)mKHjB;0磁力線管磁力線管CSBmSdlR0m若分段均勻則若分段均勻則i0iimSlRmmmR電流連續(xù)電流連續(xù)磁通連續(xù)磁通連續(xù)電流線管電流線管2. 磁路定理及其應(yīng)用q 磁路定理磁路定理RI Rm B m電電路路電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì) 電流電流 電導(dǎo)率電導(dǎo)率 電阻電阻 電位降電位降iiiiii IR SlR I 磁磁路路 磁動(dòng)勢(shì)磁動(dòng)勢(shì) 磁通量磁通量 磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率 磁阻磁阻 磁位降磁位降iiiBiiiiimiBmSllH SlR NI0000磁路定理：磁路定理：閉合磁路的磁動(dòng)勢(shì)等于各段磁路的磁位降

15、之和閉合磁路的磁動(dòng)勢(shì)等于各段磁路的磁位降之和.VSq 討 論理想電路理想電路不漏電不漏電; 實(shí)際電路實(shí)際電路近似不漏電近似不漏電理想磁路理想磁路不漏磁不漏磁; 近似理想磁路條件：鐵芯磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于近似理想磁路條件：鐵芯磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于121nB2B1 1 22121tgtg21122212112)11(coscostgtgBBB當(dāng)當(dāng) 1 時(shí)，時(shí)，B2很小，即漏磁可忽略很小，即漏磁可忽略靜磁場(chǎng)的屏蔽靜磁場(chǎng)的屏蔽q 應(yīng)用舉例日光燈鎮(zhèn)流器可等效為一帶氣隙的矩形磁日光燈鎮(zhèn)流器可等效為一帶氣隙的矩形磁路。截面為路。截面為S，鐵芯磁導(dǎo)率為，鐵芯磁導(dǎo)率為 ，求，求(1)無(wú)氣無(wú)氣隙的隙的 B，(2) B減小一半時(shí)的減小一半時(shí)的d ? BdlN,I0（1）0mmBNIRSlR0mlSNI00B（2）存在氣隙）存在氣隙d 時(shí)時(shí)SdSl R00mm0Bm0BR2NI2RNImmR2RSdSl00ld 小氣隙大作用！小氣隙大作用！5.5 磁場(chǎng)的測(cè)量磁場(chǎng)的測(cè)量磁傳感器：利用材料在磁場(chǎng)中的各種效應(yīng)：光、電、力磁傳感器：利用材料在磁場(chǎng)中的各種效應(yīng)：光、電、力磁場(chǎng)計(jì)：磁場(chǎng)計(jì)：測(cè)量低磁場(chǎng)（測(cè)量低磁場(chǎng)（ 1mT)