东北大学《大学物理》课件-第九讲.pdf

大学物理第九讲磁介质、顺磁质和抗磁质磁化的微观机制磁介质、顺磁质和抗磁质磁化的微观机制 磁介质磁介质、顺磁质和抗磁质、顺磁质和抗磁质磁化的微观机制磁化的微观机制 磁介质、顺磁质和抗磁质磁化的微观机制磁介质、顺磁质和抗磁质磁化的微观机制 一一、磁介质的分类磁介质的分类 磁介质：磁介质：是经磁化后能够影响磁场分布的物质。是经磁化后能够影响磁场分布的物质。传导电流传导电流 00BI介质磁化介质磁化 BBBB 0均匀各向同性介质均匀各向同性介质充满充满磁场所在空间时，有：磁场所在空间时，有：0BBr r 相对磁导率相对磁导率 总磁感强度总磁感强度 I 0BB 磁介质、顺磁质和抗磁质磁化的微观机制磁介质、顺磁质和抗磁质磁化的微观机制 弱磁质弱磁质 顺磁质顺磁质（paramagnetic substance）1,00rBBBB且如：如：Mn，Al，O2 抗磁质抗磁质（diamagnetic substance）如：如：Cu，Ag，H2 铁磁质铁磁质（ferromagnetic substance）如：如：Fe，Co，Ni 磁介质的分类：磁介质的分类：（根据（根据 的不同的不同）B1,00rBBBB且1,00rBBBB且弱磁质弱磁质 强磁质强磁质 磁介质、顺磁质和抗磁质磁化的微观机制磁介质、顺磁质和抗磁质磁化的微观机制 二、磁化的微观机制二、磁化的微观机制 1 1.顺磁质顺磁质 分子具有分子具有固有的分子磁矩固有的分子磁矩（主要是（主要是电子电子轨道轨道和和自旋磁矩自旋磁矩的贡献），的贡献），00 B热运动使热运动使 完全完全混乱混乱，不显磁性不显磁性。分分m00 Bi分分 S分分 m分分 固有磁矩趋向外磁场方向固有磁矩趋向外磁场方向 表面出现表面出现束缚束缚(磁化磁化)电流电流 加强磁场加强磁场 j B 0B磁介质、顺磁质和抗磁质磁化的微观机制磁介质、顺磁质和抗磁质磁化的微观机制 2 2、抗磁介质、抗磁介质 分子分子固有磁矩为零固有磁矩为零。但是，电子磁矩在外磁场力矩但是，电子磁矩在外磁场力矩作用下进动产生和外磁场作用下进动产生和外磁场反向的感生磁矩反向的感生磁矩。出现反向的表面出现反向的表面束缚电流束缚电流减弱磁场减弱磁场 j 0BB 磁介质、顺磁质和抗磁质磁化的微观机制磁介质、顺磁质和抗磁质磁化的微观机制 qv前未加0BmFmm0BeFF向心后加入0BmeFFF向心memeFFFFF向心同向与rvmF2向心又mivF磁 矩等 效向 心反 向即 与，同 向与0Bmm磁介质、顺磁质和抗磁质磁化的微观机制磁介质、顺磁质和抗磁质磁化的微观机制 qv如果如果速度方向相反速度方向相反，情况如何？，情况如何？思考思考 前未加0BeFF 向向心心后加入0BemFFF向向心心ememFFFFF向向心心与与反反向向2vFmr 向向心心又又Fvim 向 向心 心等 等效 效磁 磁矩 矩0mmB 与与反反向向，即即与与反反向向eFmF0Bm（结果是一样的结果是一样的）说明：说明：这种效应在顺磁质中也有，不过与分子固有这种效应在顺磁质中也有，不过与分子固有磁矩的转向效应相比弱得多。磁矩的转向效应相比弱得多。磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 磁介质磁介质中的安培环路定理中的安培环路定理 磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 一一、磁化电流与磁化强度磁化电流与磁化强度 磁介质磁介质 外加磁场外加磁场 0B 附加磁场附加磁场 B 0BBB总磁感强度总磁感强度 磁化电流磁化电流 j 0BB j 0BB顺磁质顺磁质 抗磁质抗磁质 1.磁化电流磁化电流 由于介质磁化而出现的一些等效由于介质磁化而出现的一些等效的附加电流。的附加电流。(束缚电流束缚电流)磁化电流是分子电流规则排列的宏观反映。磁化电流是分子电流规则排列的宏观反映。磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 注意：注意：磁化电流与传导电流的异同磁化电流与传导电流的异同 相同点：相同点：两者在产生磁场规律方面是相同的。两者在产生磁场规律方面是相同的。不同点：不同点：传导电流会产生焦耳热，有热效应。传导电流会产生焦耳热，有热效应。磁化电流没有热效应。磁化电流没有热效应。2.磁化面电流密度磁化面电流密度 定义：介质表面单位长度定义：介质表面单位长度上的磁化电流上的磁化电流 SIl S SSIjl M磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 3.磁化强度磁化强度 mMV 分分SSI SjlSmMV 分分磁化强度数值上等磁化强度数值上等于磁化面电流密度于磁化面电流密度 SIMa b c d bcabLdacdM dlM dlM dlM dlM dlbaM dl baMdlMab()S abI 磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 说明：说明：1）对）对顺磁质顺磁质和和抗磁质抗磁质，实验表明：实验表明：MB 2）对）对铁磁质，铁磁质，实验表明：实验表明：M和 B呈非线性关系，呈非线性关系，而且是非单值对应关系而且是非单值对应关系 二、磁介质中的安培环路定理二、磁介质中的安培环路定理 0idLBlI 内内真空中真空中 （所有电流）（所有电流）磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 00dCLIMl0()dCLBMlI 0BHM令令 磁场强度磁场强度 dCLHlI 介质中的环路定理介质中的环路定理 0d()CSLBlII介质中介质中 适用于稳恒情况适用于稳恒情况 磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 HBMBH00HM各向同性各向同性磁介质磁介质（磁化率磁化率）HB)1(0HHBr01r相对相对磁导率磁导率 r0磁导率磁导率 注意注意：1）安培环路定理使用条件是在安培环路定理使用条件是在稳恒情况稳恒情况 2）虽然用此安培环路定理时，虽然用此安培环路定理时，只需只需计算回路计算回路 所穿过的所穿过的传导电流传导电流，但，但磁化电流磁化电流对磁场也有贡献。对磁场也有贡献。磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理 例例1.求各向同性均匀磁介质中的磁场强度和磁感应求各向同性均匀磁介质中的磁场强度和磁感应强度的分布（强度的分布（R2R1 R1）解：由于电流分布具有较高对称性解：由于电流分布具有较高对称性 作半径为作半径为 r 的同心圆回路，的同心圆回路，取顺时针为正取顺时针为正,由对称性分析：由对称性分析：ddLLHlHl2Hr 由介质中的安培环路定理由介质中的安培环路定理 0HnI0BHnI022HrnrI r R2 R1 o I0 0d LHlI法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 一、电磁感应现象一、电磁感应现象 电流电流磁场（磁场（18201820年，丹麦，奥斯特）年，丹麦，奥斯特）磁场磁场电流？（电流？（18311831年年8 8月月2929日，法拉第）日，法拉第）ProbProb：观察到什么现观察到什么现象？象？法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 结论：结论：当一当一闭合导体回路闭合导体回路所包围的面积内的所包围的面积内的磁通量发生变化磁通量发生变化时，回路中就会产生电流。时，回路中就会产生电流。这种电流称为这种电流称为感应电流感应电流，驱动感应电流的电，驱动感应电流的电动势称为动势称为感应电动势，感应电动势，这一现象称为这一现象称为电磁感电磁感应现象应现象 感应电流感应电流的效果，总是用来的效果，总是用来反抗反抗产生这个电流产生这个电流的原因的原因 二、楞次定律二、楞次定律 感应电流感应电流的效果，总是的效果，总是力图保持原磁通量不变力图保持原磁通量不变 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 说明说明：1)楞次定律楞次定律主要用于主要用于判断感应电流方向判断感应电流方向 2)楞次定律楞次定律实际上是实际上是能量守恒在电磁学中的能量守恒在电磁学中的体现体现 N S 感应电流的方向：感应电流的方向：逆时针方向逆时针方向 机械能机械能 电能电能 i焦耳热焦耳热 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 三、法拉第电磁感应定律三、法拉第电磁感应定律 当一个闭合回路上的磁通量发生变化时，此闭当一个闭合回路上的磁通量发生变化时，此闭合回路上产生的合回路上产生的感应电动势感应电动势等于穿过该回路的磁通等于穿过该回路的磁通量对时间的变化率的量对时间的变化率的负值负值。感应电动势感应电动势 ddt 说明：说明：(1)由产生原因不同，可以分为两类由产生原因不同，可以分为两类 ddcos dBSBS动生电动势动生电动势：磁场不变：磁场不变，导体切割磁力线导体切割磁力线 感生电动势感生电动势：导体回路或导体不动：导体回路或导体不动，磁场变化磁场变化 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 (2)关于关于回路的正方向回路的正方向 取取顺时针顺时针为回路的正方向为回路的正方向 0d0dtd0dt 因此，因此，方向与回路正方向方向与回路正方向相反相反 为为逆时针逆时针 思考：如取思考：如取逆时针逆时针为回路的正方向，结果如何？为回路的正方向，结果如何？约定：约定：回路回路L的正方向可以的正方向可以任意选取任意选取 S 正法线方向与回路正法线方向与回路的绕向成的绕向成右手螺旋关系右手螺旋关系 的正方向：的正方向：L 的方向的方向 N S L 则则向下向下为面法线正方向为面法线正方向 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 取取逆时针逆时针为回路的正方向为回路的正方向 0d0dtd0dt 因此，因此，方向与回路正方向方向与回路正方向相同相同 为为逆时针逆时针 N S L 则则向上向上为面法线正方向为面法线正方向(3)只要只要磁通量发生变化磁通量发生变化就有就有感应电动势感应电动势。要形成要形成感应电流感应电流，除磁通量发生变化外，还要，除磁通量发生变化外，还要有有闭合导体回路闭合导体回路 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 (4)感应电流感应电流 1 ddI RRt R 回路电阻回路电阻 时间间隔时间间隔 t1t2 内，穿过回路导线截面的内，穿过回路导线截面的电量：电量：121 R（）tIqttd21 211 dR 211 dddtttRt 感应电荷只与磁通量的变化有关感应电荷只与磁通量的变化有关 测测 q 可以得到磁通量的改变量可以得到磁通量的改变量，这就是磁通计的原理。这就是磁通计的原理。法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 例例1 1 直导线通交流电直导线通交流电 置于磁导率为置于磁导率为 的介质中的介质中,已已 知知:0sin,IIt求：与其共面的求：与其共面的N 匝矩形回路中的感应电动势匝矩形回路中的感应电动势 其中其中 I0 和和 是大于零的常数是大于零的常数 解：解：选顺时针为回路正方向选顺时针为回路正方向 dSNN BSd2d adINl xxN Ildad2lnNI ltdad02sinln0cosln2NI ldatd dSN B sddt dsIla d L0 x dx x 动生电动势动生电动势 动生电动势动生电动势 动生电动势动生电动势 一、动生电动势的普遍表达式一、动生电动势的普遍表达式()dbabaVBl导线导线 产生的电动势为产生的电动势为 abL说明：说明：（1 1）上式对任意形状的导线或回路，在任意非匀）上式对任意形状的导线或回路，在任意非匀 强磁场中以任意方式运动都是用适用强磁场中以任意方式运动都是用适用 （2 2）baab的方向为则若,0b 点电势高点电势高 abab的方向为则若,0a 点电势高点电势高 a b Bdldv t动生电动势动生电动势 二、动生电动势的微观本质二、动生电动势的微观本质 运动导体中的自由电子受到磁场的运动导体中的自由电子受到磁场的洛伦兹力作用洛伦兹力作用 diKEl()dvBl当当 kFevBkeFF非静电力非静电力 由电动势定义由电动势定义 这表明这表明动生电动势动生电动势的微观本质是的微观本质是洛伦兹力。洛伦兹力。vBeFkF+非静电场强非静电场强 kkFEevB时，时，达到平衡状态达到平衡状态 动生电动势动生电动势 vdLIA B 例例1:如图金属