磁介質(zhì)一——分子電流觀點資料學習教案

1、會計學1磁介質(zhì)一磁介質(zhì)一分子電流觀點分子電流觀點(gundin)資料資料第一頁，共25頁。2磁介質(zhì) (研究(ynji)方法與電介質(zhì)類比） n磁場磁場 磁介質(zhì)磁介質(zhì) 磁化磁化 后果后果(hugu)(hugu)影響外場影響外場000BMIn場對介質(zhì)的作用和介質(zhì)的磁化互相影響、互相 n 制約 n研究方法 n磁荷觀點 n分子環(huán)流 以此觀點討論n物質(zhì)(wzh)的磁性起源于原子的磁性n原子磁性 量子力學n嚴格的磁學理論必須建立在量子力學基礎上 第1頁/共25頁第二頁，共25頁。3磁性(cxng)、磁介質(zhì)、磁化 n磁性：磁性：n物質(zhì)的基本屬性之一，即物質(zhì)的磁學特性物質(zhì)的基本屬性之一，即物質(zhì)的磁學特性n吸鐵石

2、吸鐵石天然磁體天然磁體 具有強磁性具有強磁性n多數(shù)物質(zhì)一般多數(shù)物質(zhì)一般(ybn)(ybn)情況下沒有明顯的磁性情況下沒有明顯的磁性n磁介質(zhì)（磁介質(zhì)（magnetic mediummagnetic medium）：）：n對磁場有一定響應對磁場有一定響應, ,并能反過來影響磁場的物質(zhì)并能反過來影響磁場的物質(zhì)n一般一般(ybn)(ybn)物質(zhì)在較強磁場的作用下都顯示出一定程度的磁性，即都能對磁場的作用物質(zhì)在較強磁場的作用下都顯示出一定程度的磁性，即都能對磁場的作用有所響應，所以都是磁介質(zhì)有所響應，所以都是磁介質(zhì) n磁化（磁化（magnetizationmagnetization）n在外磁場的作用下，

3、原來沒有磁性的物質(zhì)，變得具有磁性，簡稱磁化。磁介質(zhì)被磁化在外磁場的作用下，原來沒有磁性的物質(zhì)，變得具有磁性，簡稱磁化。磁介質(zhì)被磁化后，會產(chǎn)生附加磁場，從而改變原來空間磁場的分布后，會產(chǎn)生附加磁場，從而改變原來空間磁場的分布 第2頁/共25頁第三頁，共25頁。4“分子電流”模型(mxng)n問題的提出問題的提出 n為什么物質(zhì)對磁場有響應為什么物質(zhì)對磁場有響應(xingyng)? (xingyng)? n為什么不同類型的物質(zhì)對磁場為什么不同類型的物質(zhì)對磁場有不同的響應有不同的響應(xingyng),(xingyng),即具即具有不同的磁性？有不同的磁性？ n與物質(zhì)內(nèi)部的電磁結(jié)構(gòu)有著密與物質(zhì)內(nèi)部的電

4、磁結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系切的聯(lián)系n分子電流分子電流n安培的大膽假設安培的大膽假設 n磁介質(zhì)的磁介質(zhì)的“分子分子”相當于一個相當于一個環(huán)形電流，是電荷的某種運動環(huán)形電流，是電荷的某種運動形成的，它沒有像導體中電流形成的，它沒有像導體中電流所受的阻力，分子的環(huán)形電流所受的阻力，分子的環(huán)形電流具有磁矩具有磁矩分子磁矩，在外分子磁矩，在外磁場的作用下可以自由地改變磁場的作用下可以自由地改變方向方向 第3頁/共25頁第四頁，共25頁。5假設(jish)的重要性 n把種種磁相互作用歸結(jié)為電流把種種磁相互作用歸結(jié)為電流電流相電流相互作用，建立了安培定律互作用，建立了安培定律磁作用理論磁作用理論 n以以“分子電流

5、分子電流”模型取代磁荷模型，從根模型取代磁荷模型，從根本上揭示了物質(zhì)極化本上揭示了物質(zhì)極化(j hu)(j hu)與磁化的內(nèi)在與磁化的內(nèi)在聯(lián)系聯(lián)系n其實在安培時代，對于物質(zhì)的分子、原子其實在安培時代，對于物質(zhì)的分子、原子結(jié)構(gòu)的認識還很膚淺，電子尚未發(fā)現(xiàn)，所結(jié)構(gòu)的認識還很膚淺，電子尚未發(fā)現(xiàn)，所謂謂“分子分子”泛指介質(zhì)的微觀基本單元泛指介質(zhì)的微觀基本單元 n繼續(xù)繼續(xù)第4頁/共25頁第五頁，共25頁。6觀點(gundin)概要 n分子磁矩分子磁矩 m分子分子= ml+ ms （矢（矢量和）量和）n軌道磁矩軌道磁矩ml ：由原子內(nèi)各電子：由原子內(nèi)各電子繞原子核的軌道運動決定繞原子核的軌道運動決定n自旋

6、磁矩自旋磁矩ms ：由核外各電子的：由核外各電子的自旋的運動決定自旋的運動決定n所謂磁化：所謂磁化：n就是在外磁場作用下大量分子就是在外磁場作用下大量分子電流電流(dinli)混亂分布（無混亂分布（無序）序） 整齊排列（有序）整齊排列（有序）n每一個分子電流每一個分子電流(dinli)提供一提供一個分子磁矩個分子磁矩m分子分子n磁化了的介質(zhì)內(nèi)分子磁矩矢量磁化了的介質(zhì)內(nèi)分子磁矩矢量和和 m分子分子0n分子磁矩的整齊排列貢獻宏觀分子磁矩的整齊排列貢獻宏觀上的磁化電流上的磁化電流(dinli)I （雖（雖然不同的磁介質(zhì)的磁化機制不然不同的磁介質(zhì)的磁化機制不同）同）第5頁/共25頁第六頁，共25頁。7

7、磁化(chu)的描繪 n磁化強度矢量磁化強度矢量 M n為了描述磁介質(zhì)的磁化狀態(tài)為了描述磁介質(zhì)的磁化狀態(tài)（磁化方向和強度），引入磁（磁化方向和強度），引入磁化強度矢量化強度矢量M的概念的概念 n磁化后在介質(zhì)內(nèi)部任取一宏觀磁化后在介質(zhì)內(nèi)部任取一宏觀體元，體元內(nèi)的分子磁矩的矢體元，體元內(nèi)的分子磁矩的矢量和量和 m分子分子0n磁化程度越高，矢量和的值也磁化程度越高，矢量和的值也越大越大nM:單位單位(dnwi)體積內(nèi)分子磁體積內(nèi)分子磁矩的矢量和矩的矢量和 Vm分分子子M第6頁/共25頁第七頁，共25頁。8磁化(chu)電流 n介質(zhì)對磁場作用的響應介質(zhì)對磁場作用的響應產(chǎn)生磁化電流產(chǎn)生磁化電流n磁化電流

8、不能傳導，束縛在介質(zhì)內(nèi)部，也叫磁化電流不能傳導，束縛在介質(zhì)內(nèi)部，也叫束縛電流。束縛電流。n它也能產(chǎn)生磁場，滿足畢奧它也能產(chǎn)生磁場，滿足畢奧- -薩伐爾定律，薩伐爾定律，可以產(chǎn)生附加場可以產(chǎn)生附加場BBn附加場反過來要影響原來空間的磁場分布附加場反過來要影響原來空間的磁場分布(fnb)(fnb)。n各向同性的磁介質(zhì)只有介質(zhì)表面處，分子電各向同性的磁介質(zhì)只有介質(zhì)表面處，分子電流未被抵銷，形成磁化電流流未被抵銷，形成磁化電流第7頁/共25頁第八頁，共25頁。9磁化(chu)電流與傳導電流n傳導電流傳導電流n載流子的定向流動，是電荷遷移的結(jié)果，產(chǎn)生載流子的定向流動，是電荷遷移的結(jié)果，產(chǎn)生(chnshn

9、g)(chnshng)焦耳熱，產(chǎn)焦耳熱，產(chǎn)生生(chnshng)(chnshng)磁場，遵從電流產(chǎn)生磁場，遵從電流產(chǎn)生(chnshng)(chnshng)磁場規(guī)律磁場規(guī)律 n磁化電流磁化電流 n磁介質(zhì)受到磁場作用后被磁化的后果，是大量分子電流疊加形成的在宏磁介質(zhì)受到磁場作用后被磁化的后果，是大量分子電流疊加形成的在宏觀范圍內(nèi)流動的電流，是大量分子電流統(tǒng)計平均的宏觀效果觀范圍內(nèi)流動的電流，是大量分子電流統(tǒng)計平均的宏觀效果 n相同之處：同樣可以產(chǎn)生相同之處：同樣可以產(chǎn)生(chnshng)(chnshng)磁場，遵從電流產(chǎn)生磁場，遵從電流產(chǎn)生(chnshng)(chnshng)磁場規(guī)律磁場規(guī)律 n不

10、同之處：電子都被限制在分子范圍內(nèi)運動，與因電荷的宏觀遷移引起不同之處：電子都被限制在分子范圍內(nèi)運動，與因電荷的宏觀遷移引起的傳導電流不同；分子電流運行無阻力，即無熱效應的傳導電流不同；分子電流運行無阻力，即無熱效應 第8頁/共25頁第九頁，共25頁。10磁化(chu)的后果n三者從不同角度三者從不同角度(jiod)(jiod)定量地定量地描繪同一物理現(xiàn)象描繪同一物理現(xiàn)象n 磁化，之間必有聯(lián)系，磁化，之間必有聯(lián)系，這些關系這些關系磁介質(zhì)磁化遵循磁介質(zhì)磁化遵循的規(guī)律的規(guī)律描描繪繪磁磁化化0BBBIM第9頁/共25頁第十頁，共25頁。11磁化強度矢量(shling)M與磁化電流I關系 n磁化強度矢量

11、磁化強度矢量M沿任意沿任意(rny)閉合回路閉合回路L的積分等于通過以的積分等于通過以L為周界的曲面為周界的曲面S的磁化電流的磁化電流的代數(shù)和，即的代數(shù)和，即LLIldM內(nèi)通過(tnggu)以L為界S面內(nèi)全部分子電流的代數(shù)和第10頁/共25頁第十一頁，共25頁。12證明(zhngmng) n把每一個宏觀把每一個宏觀(hnggun)(hnggun)體積內(nèi)的分體積內(nèi)的分子看成是完全一樣的電子看成是完全一樣的電流環(huán)即用平均分子磁矩流環(huán)即用平均分子磁矩代替每一個分子的真實代替每一個分子的真實磁矩磁矩 aIm分子n設單位(dnwi)體積內(nèi)的分子環(huán)流數(shù)為n，則單位(dnwi)體積內(nèi)分子磁矩總和為 ManI

12、m分子n設想在磁介質(zhì)中劃出任意宏觀面S來考察：令其周界線為L，則介質(zhì)中的分子環(huán)流分為三類 第11頁/共25頁第十二頁，共25頁。13n不與不與S相交相交A n整個為整個為S所切割，即分子電所切割，即分子電 流與流與S相交兩次相交兩次Bn被被L穿過穿過(chun u)的分子電流，即與的分子電流，即與 S相交一相交一次次CnA與與B對對S面面 總電流無貢獻，總電流無貢獻，n只有只有C有貢獻有貢獻 n在L上取一線元,以dl為軸線，a為底，作一圓柱體n體積為V=adlcos ，凡是中心處在V內(nèi)的分子環(huán)流(hun li)n 都為dl所穿過 ， V內(nèi)共有分子數(shù)l dannadlVnNcosnN個分子(fn

13、z)總貢獻 l dMl danIINI第12頁/共25頁第十三頁，共25頁。14沿閉合(b h)回路L積分得普遍關系njm：磁化電流密度：磁化電流密度n表示單位時間通過單位垂直面積表示單位時間通過單位垂直面積的磁化電流的磁化電流 n均勻磁化：均勻磁化：M為常數(shù)為常數(shù) ，M=0， jm=0，介質(zhì)內(nèi)部，介質(zhì)內(nèi)部(nib)沒有磁化沒有磁化電流，磁化電流只分布在介質(zhì)表電流，磁化電流只分布在介質(zhì)表面面LLIldM內(nèi)通過(tnggu)以L為界S面內(nèi)全部分子電流的代數(shù)和SdjSdMSmS)(mjM積分形式微分形式第13頁/共25頁第十四頁，共25頁。15M與介質(zhì)(jizh)表面磁化電流的關系 n證明證明 n

14、在介質(zhì)表面取閉在介質(zhì)表面取閉合合(b h)(b h)回路回路n穿過回路的磁化穿過回路的磁化電流電流 iMinMt或或面磁化(chu)電流密度 liI Laddccbbal dMl dMl dMl dMldMbatdlMbc、da1，其數(shù)量級為，其數(shù)量級為102106以上以上n當當M與與H無單值關系時，不再引用無單值關系時，不再引用(ynyng)m、 的概念了的概念了 地位(dwi)和作用類似于e 第23頁/共25頁第二十四頁，共25頁。25例題(lt)：n有一磁介質(zhì)細鐵環(huán)，在外磁場撤消后，仍處于磁化狀態(tài)，有一磁介質(zhì)細鐵環(huán)，在外磁場撤消后，仍處于磁化狀態(tài)，磁化強度磁化強度(qingd)矢量矢量M 的大小處處相同，的大小處處相同，M的方向如圖的方向如圖所示。求環(huán)內(nèi)的磁場強度所示。求環(huán)內(nèi)的磁場強度(qingd)H