1、2006.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編磁介質(zhì)磁介質(zhì) (研究方法與電介質(zhì)類比）研究方法與電介質(zhì)類比） n磁場(chǎng)磁場(chǎng) 磁介質(zhì)磁介質(zhì) 磁化磁化 后果影響外場(chǎng)后果影響外場(chǎng)000BMIn磁場(chǎng)對(duì)磁介質(zhì)的作用和介質(zhì)的磁化互相影響、磁場(chǎng)對(duì)磁介質(zhì)的作用和介質(zhì)的磁化互相影響、互相制約互相制約 n研究方法研究方法 n磁荷觀點(diǎn)磁荷觀點(diǎn) n分子環(huán)流分子環(huán)流 以此觀點(diǎn)討論以此觀點(diǎn)討論n物質(zhì)的磁性起源于原子的磁性物質(zhì)的磁性起源于原子的磁性n原子磁性原子磁性 量子力學(xué)量子力學(xué)n嚴(yán)格的磁學(xué)理論必須建立在量子力學(xué)基礎(chǔ)上嚴(yán)格的磁學(xué)理論必須建立在量子力學(xué)基礎(chǔ)上 2006.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編磁性、磁介質(zhì)、磁化磁性、磁介質(zhì)、磁化 n

2、磁性：磁性：n物質(zhì)的基本屬性之一，即物質(zhì)的磁學(xué)特性物質(zhì)的基本屬性之一，即物質(zhì)的磁學(xué)特性n吸鐵石吸鐵石天然磁體天然磁體 具有強(qiáng)磁性具有強(qiáng)磁性n多數(shù)物質(zhì)一般情況下沒有明顯的磁性多數(shù)物質(zhì)一般情況下沒有明顯的磁性n磁介質(zhì)（磁介質(zhì)（magnetic medium）：）：n對(duì)磁場(chǎng)有一定響應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)有一定響應(yīng), ,并能反過來影響磁場(chǎng)的物質(zhì)并能反過來影響磁場(chǎng)的物質(zhì)n一般物質(zhì)在較強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下都顯示出一定程度的磁性，一般物質(zhì)在較強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下都顯示出一定程度的磁性，即都能對(duì)磁場(chǎng)的作用有所響應(yīng)，所以都是磁介質(zhì)即都能對(duì)磁場(chǎng)的作用有所響應(yīng)，所以都是磁介質(zhì) n磁化（磁化（magnetization）n在外磁場(chǎng)的作用下，原

3、來沒有磁性的物質(zhì)，在外磁場(chǎng)的作用下，原來沒有磁性的物質(zhì)，變得變得具有磁具有磁性，簡(jiǎn)稱磁化。磁介質(zhì)被磁化后，會(huì)產(chǎn)生性，簡(jiǎn)稱磁化。磁介質(zhì)被磁化后，會(huì)產(chǎn)生附加磁場(chǎng)附加磁場(chǎng)，從，從而而改變改變?cè)瓉砜臻g磁場(chǎng)的分布原來空間磁場(chǎng)的分布 2006.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編“分子電流分子電流”模型模型n問題的提出問題的提出 n為什么物質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)有響應(yīng)為什么物質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)有響應(yīng)? ? n為什么不同類型的物質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)有不同的響應(yīng)為什么不同類型的物質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)有不同的響應(yīng), ,即具有不同的磁性？即具有不同的磁性？ n與物質(zhì)內(nèi)部的電磁結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系與物質(zhì)內(nèi)部的電磁結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系n分子電流分子電流n安培的大膽假設(shè)安培的大膽

4、假設(shè) n磁介質(zhì)的磁介質(zhì)的“分子分子”相當(dāng)于一個(gè)環(huán)形電流相當(dāng)于一個(gè)環(huán)形電流，是電，是電荷的某種運(yùn)動(dòng)形成的，它沒有像導(dǎo)體中電流所荷的某種運(yùn)動(dòng)形成的，它沒有像導(dǎo)體中電流所受的阻力，分子的環(huán)形電流具有磁矩受的阻力，分子的環(huán)形電流具有磁矩分子分子磁矩，在外磁場(chǎng)的作用下可以自由地改變方向磁矩，在外磁場(chǎng)的作用下可以自由地改變方向 2006.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編假設(shè)的重要性假設(shè)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，建立了互作用，建立了安培定律安培定律磁作用理論磁作用理論 n以以“分子電流分子電流”模型模型取代取代磁荷模型磁荷模型，從根，從根本上揭示了物質(zhì)極化

5、與磁化的內(nèi)在聯(lián)系本上揭示了物質(zhì)極化與磁化的內(nèi)在聯(lián)系n其實(shí)其實(shí)在安培時(shí)代，對(duì)于物質(zhì)的分子、原子在安培時(shí)代，對(duì)于物質(zhì)的分子、原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)還很膚淺，電子尚未發(fā)現(xiàn)，所結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)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 2006.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編“磁荷磁荷”模型要點(diǎn)模型要點(diǎn) n磁荷有正、負(fù)，同號(hào)相斥，異號(hào)相吸磁荷有正、負(fù)，同號(hào)相斥，異號(hào)相吸n磁荷遵循磁的庫侖定律（類似于電庫侖定律）磁荷遵循磁的庫侖定律（類似于電庫侖定律） n定義磁場(chǎng)強(qiáng)度定義磁場(chǎng)強(qiáng)度 HH為單位點(diǎn)磁荷所受的磁場(chǎng)力為單位點(diǎn)磁荷所受的磁場(chǎng)力 n把磁介質(zhì)分子看作磁偶極子把磁介質(zhì)分子看作磁

6、偶極子 n認(rèn)為磁化是大量分子磁偶極子規(guī)則取向使正、負(fù)認(rèn)為磁化是大量分子磁偶極子規(guī)則取向使正、負(fù)磁荷聚集兩端的過程，磁體間的作用源于其中的磁荷聚集兩端的過程，磁體間的作用源于其中的磁荷磁荷 n但沒有單獨(dú)的磁極存在但沒有單獨(dú)的磁極存在？2006.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編現(xiàn)代的觀點(diǎn)現(xiàn)代的觀點(diǎn) n分子磁矩分子磁矩 m分子分子= ml+ ms （矢量和矢量和）n軌道磁矩軌道磁矩ml ：由原子內(nèi)各電子繞原子核的軌道：由原子內(nèi)各電子繞原子核的軌道運(yùn)動(dòng)決定運(yùn)動(dòng)決定n自旋磁矩自旋磁矩ms ：由核外各電子的自旋的運(yùn)動(dòng)決定：由核外各電子的自旋的運(yùn)動(dòng)決定n所謂磁化：所謂磁化：n就是在外磁場(chǎng)作用下大量分子的電流混亂分

7、布就是在外磁場(chǎng)作用下大量分子的電流混亂分布（無序）（無序） 整齊排列（有序）整齊排列（有序）n每一個(gè)分子電流提供一個(gè)分子磁矩每一個(gè)分子電流提供一個(gè)分子磁矩m分子分子n磁化了的介質(zhì)內(nèi)分子磁矩矢量和磁化了的介質(zhì)內(nèi)分子磁矩矢量和 m分子分子 0n分子磁矩的整齊排列貢獻(xiàn)宏觀上的磁化電流分子磁矩的整齊排列貢獻(xiàn)宏觀上的磁化電流 I2006.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編磁化的描繪磁化的描繪 n磁化強(qiáng)度矢量磁化強(qiáng)度矢量 M n為了描述磁介質(zhì)的磁化狀態(tài)（磁化方向和強(qiáng)為了描述磁介質(zhì)的磁化狀態(tài)（磁化方向和強(qiáng)度），引入磁化強(qiáng)度矢量度），引入磁化強(qiáng)度矢量M的概念的概念 n磁化后在介質(zhì)內(nèi)部任取一宏觀體元，體元內(nèi)的磁化后在介

8、質(zhì)內(nèi)部任取一宏觀體元，體元內(nèi)的分子磁矩的矢量和分子磁矩的矢量和 m分子分子 0n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nM:單位體積內(nèi)分子磁矩的矢量和單位體積內(nèi)分子磁矩的矢量和 Vm分分子子M2006.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編磁化電流磁化電流 n介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)作用的響應(yīng)介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)作用的響應(yīng)產(chǎn)生產(chǎn)生磁化電流磁化電流n磁化電流不能傳導(dǎo)，束縛在介質(zhì)磁化電流不能傳導(dǎo)，束縛在介質(zhì)內(nèi)部，也叫束縛電流。內(nèi)部，也叫束縛電流。n它也能產(chǎn)生磁場(chǎng)，滿足畢奧它也能產(chǎn)生磁場(chǎng)，滿足畢奧- -薩薩伐爾定律，可以產(chǎn)生附加場(chǎng)伐爾定律，可以產(chǎn)生附加場(chǎng)Bn附加場(chǎng)反過來要影響原來空間的附加場(chǎng)反過來要影響原來空間的

9、磁場(chǎng)分布。磁場(chǎng)分布。n各向同性的磁介質(zhì)只有介質(zhì)表面各向同性的磁介質(zhì)只有介質(zhì)表面處，分子電流未被抵銷，形成磁處，分子電流未被抵銷，形成磁化電流化電流2006.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編磁化電流與傳導(dǎo)電流磁化電流與傳導(dǎo)電流n傳導(dǎo)電流傳導(dǎo)電流n載流子的定向流動(dòng)，是電荷遷移的結(jié)果，載流子的定向流動(dòng)，是電荷遷移的結(jié)果，產(chǎn)生焦耳熱產(chǎn)生焦耳熱，產(chǎn)生磁場(chǎng)，遵從電流產(chǎn)生磁場(chǎng)規(guī)律產(chǎn)生磁場(chǎng)，遵從電流產(chǎn)生磁場(chǎng)規(guī)律 n磁化電流磁化電流 n磁介質(zhì)受到磁場(chǎng)作用后被磁化的后果，是大量分子電磁介質(zhì)受到磁場(chǎng)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(dòng)的電流，是流疊加形成的在宏觀范圍內(nèi)流動(dòng)的電流，是大量分子大量分子

10、電流統(tǒng)計(jì)平均的宏觀效果電流統(tǒng)計(jì)平均的宏觀效果 n相同之處相同之處：同樣可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，遵從電流產(chǎn)生磁：同樣可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，遵從電流產(chǎn)生磁場(chǎng)規(guī)律場(chǎng)規(guī)律 n不同之處不同之處：電子都被：電子都被限制限制在分子范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，與在分子范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，與因電荷的宏觀遷移引起的傳導(dǎo)電流不同；分子電因電荷的宏觀遷移引起的傳導(dǎo)電流不同；分子電流運(yùn)行無阻力，即流運(yùn)行無阻力，即無熱效應(yīng)無熱效應(yīng) 2006.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編磁化的后果磁化的后果n三者從不同角度定量地描繪同一物理現(xiàn)象三者從不同角度定量地描繪同一物理現(xiàn)象 磁化，磁化，之間必有聯(lián)系，這些關(guān)系之間必有聯(lián)系，這些關(guān)系磁介質(zhì)磁化遵循的規(guī)律磁介質(zhì)磁化遵循的規(guī)律描描繪

11、繪磁磁化化0BBBIM2006.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編磁化強(qiáng)度矢量磁化強(qiáng)度矢量M與磁化電流與磁化電流 關(guān)系關(guān)系 n磁化強(qiáng)度矢量磁化強(qiáng)度矢量M沿任意閉合回路沿任意閉合回路L的積分的積分等于通過以等于通過以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)通過以通過以L為界為界S面內(nèi)面內(nèi)全部分子電流的代全部分子電流的代數(shù)和數(shù)和I2006.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編證明證明 n把每一個(gè)宏觀體積內(nèi)的分子看成把每一個(gè)宏觀體積內(nèi)的分子看成是完全一樣的電流環(huán)，即用平均是完全一樣的電流環(huán)，即用平均分子磁矩代替每一個(gè)分子的真實(shí)分子磁矩代替每一個(gè)分子的真實(shí)磁矩磁矩 aIm分

12、子n設(shè)單位體積內(nèi)的分子環(huán)設(shè)單位體積內(nèi)的分子環(huán)流數(shù)為流數(shù)為n，則單位體積內(nèi)則單位體積內(nèi)分子磁矩總和為分子磁矩總和為 ManIm分子n設(shè)想在磁介質(zhì)中劃出任意宏觀面設(shè)想在磁介質(zhì)中劃出任意宏觀面S來考察：來考察：令其周界線為令其周界線為L(zhǎng)，則介質(zhì)中的分子環(huán)流分為三，則介質(zhì)中的分子環(huán)流分為三類類 n不與不與S相交相交A n整個(gè)為整個(gè)為S所切割，即分子電所切割，即分子電 流流與與S相交兩次相交兩次Bn被被L穿過的分子電流，即與穿過的分子電流，即與 S相相交一次交一次CnA與與B對(duì)對(duì)S面面 總電流無貢獻(xiàn)，總電流無貢獻(xiàn)，n只有只有C有貢獻(xiàn)有貢獻(xiàn) n在在L上取一線元上取一線元, ,以以dl為軸線，以分子圓電流的

13、平均為軸線，以分子圓電流的平均 面積面積a為底，作一斜圓柱體為底，作一斜圓柱體n斜圓體積為斜圓體積為 V=adlcos ，凡是中心處在，凡是中心處在 V內(nèi)的分子內(nèi)的分子環(huán)流都為環(huán)流都為dl所穿過所穿過 ， V內(nèi)共有分子數(shù)：內(nèi)共有分子數(shù)：l dannadlVnNcosnN個(gè)分子總貢獻(xiàn)個(gè)分子總貢獻(xiàn) dIINnIa dlM dl2006.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編沿閉合回路沿閉合回路L L積分得普遍關(guān)系積分得普遍關(guān)系njm：磁化電流密度磁化電流密度n表示單位時(shí)間通過單位垂直面積的磁化電流表示單位時(shí)間通過單位垂直面積的磁化電流 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)介質(zhì)內(nèi)部沒

14、有磁化電流，磁化電流只分布在介質(zhì)表內(nèi)部沒有磁化電流，磁化電流只分布在介質(zhì)表面面LLIldM內(nèi)通過以通過以L為界為界S面面內(nèi)全部分子電流內(nèi)全部分子電流的代數(shù)和的代數(shù)和SdjSdMSmS)(mjM積分積分形式形式微分形式微分形式2006.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編M與介質(zhì)表面磁化電流的關(guān)系與介質(zhì)表面磁化電流的關(guān)系 n證明證明 n在介質(zhì)表面取閉合回路在介質(zhì)表面取閉合回路n穿過回路的磁化電流穿過回路的磁化電流 1212()ttMMnMM或或磁化線電流密度磁化線電流密度 Il12bcdaabcdLM dlMdlM dlMdlM dl 1btaM dlbc、da l1212()ttttMMllMM 磁化強(qiáng)度矢量磁化強(qiáng)度矢量M和和B的關(guān)系的關(guān)系 n磁介質(zhì)磁化達(dá)到平衡后，一般說來，磁化磁介質(zhì)磁化達(dá)到平衡后，一般