Chapter 7 - 磁场中的磁介质

原子与分子的磁矩

对于经典模型的电子来说,其存在轨道磁矩和自旋磁矩两种,其轨道磁矩大小为:

m=IS=e⋅v2πr⋅πr2=evr2m = IS = e\cdot\frac{v}{2\pi r}\cdot \pi r^2 = \frac{evr}{2}

根据电子带负电不难得出,其与轨道角动量 L→\overrightarrow{L} 之间满足:

m⃗=−e2meL→\vec{m} = -\frac{e}{2m_e}\overrightarrow{L}

电子的自旋磁矩与自旋角动量 S→\overrightarrow{S} 之间满足:

m⃗=−emeS→\vec{m} = -\frac{e}{m_e}\overrightarrow{S}

对于质子和中子,容易得出,质子轨道磁矩表达式与电子的仅相差一个负号,而中子无轨道磁矩

其自旋磁矩为:

m⃗=ge2mpS→\vec{m} = g\frac{e}{2m_p}\overrightarrow{S}

其中 gg 因子是粒子的固有属性

原子核、分子的磁矩是构成其的质子、中子与电子的磁矩之和

在外磁场中,粒子还会因为拉莫尔进动而产生感生磁矩,方向与原磁场相反

分子电流模型

将分子的磁矩等效于分子电流,分子电流的取向是否有序决定了宏观上物质是否显示出磁性

磁介质的磁化

保持传导电流 I0I_0 不变,在长直密绕螺线管内充满均匀各向同性磁介质后,管内磁场变为:

B→=μrB→0\overrightarrow{B} = \mu_r \overrightarrow{B}_0

其中 μr\mu_r 是相对磁导率

对于顺磁质,即 μr≈1+\mu_r \approx 1^{+},其分子有固有磁矩,因此感生磁矩可忽略,在外磁场作用下,固有磁矩尽可能沿外磁场方向(有分子热运动),显示出微弱的顺磁性

对于逆磁质,即 μr≈1−\mu_r \approx 1^{-},其分子没有固有磁矩,在外磁场作用下,感生磁矩与外磁场方向相反,显示出微弱的逆磁性

磁化强度

定义磁化强度矢量为,单位体积中分子磁矩的矢量和,即:

M→=∑m⃗ΔV\overrightarrow{M} = \frac{\sum\vec{m}}{\Delta V}

ΔV\Delta V 宏观上远小于介质的非均匀尺度,但是微观上远大于分子间距

实验表明,对于各向同性线性磁介质,满足:

M→=1μ0⋅χm1+χmB→=μr−1μrμ0B→\overrightarrow{M} = \frac{1}{\mu_0}\cdot\frac{\chi_m}{1 + \chi_m}\overrightarrow{B} = \frac{\mu_r - 1}{\mu_r\mu_0}\overrightarrow{B}

其中 χm=μr−1\chi_m = \mu_r - 1 称为磁化率

不适用于铁介质,即 μr>>1\mu_r >> 1

磁化电流

在外磁场中,顺磁 / 抗磁介质与圆电流产生的感生磁矩与外磁场方向相同 / 相反;但是表面上有小的圆电流未被抵消,总体效果为表面上有一层电流流过;该电流被称为束缚电流或磁化电流

顺磁质与抗磁质的磁化电流示意图
顺磁质与抗磁质的磁化电流示意图

定量分析

穿过以 LL 为边界的任一曲面 SS(LL 和 SS 成右手关系)的磁化电流为:

I′=∮LM→⋅d l⃗I' = \oint_L \overrightarrow{M}\cdot \mathrm{d}\,\vec{l}

根据 stokes 公式有:

j⃗′=∇×M→\vec{j}' = \nabla \times \overrightarrow{M}

在介质表面,可以证明面电流密度为:

i⃗=M→×e⃗n\vec{i} = \overrightarrow{M} \times \vec{e}_n

有磁介质时磁场规律

高斯定理与安培环路定理仍然成立,但是由于磁场是由传导电流和磁化电流共同形成,因此直接使用并不方便(类似电场),进行修正:

∮LB→⋅dl⃗=μ0(I′+∑I0)=μ0(∮LM→⋅d l⃗+∑I0)\oint_L\overrightarrow{B}\cdot\mathrm{d}\vec{l} = \mu_0 \left(I' + \sum I_0 \right) = \mu_0 \left(\oint_L \overrightarrow{M}\cdot \mathrm{d}\,\vec{l} + \sum I_0 \right)

化简得到:

∮L(B→μ0−M→)⋅d l⃗=∑I0\oint_L\left(\frac{\overrightarrow{B}}{\mu_0} - \overrightarrow{M} \right)\cdot \mathrm{d}\,\vec{l} = \sum I_0

定义磁场强度为:

H→=B→μ0−M→\overrightarrow{H} = \frac{\overrightarrow{B}}{\mu_0} - \overrightarrow{M}

得到 H→\overrightarrow{H} 的环路定理:

∮LH→⋅d l⃗=∑I0\oint_L\overrightarrow{H}\cdot \mathrm{d}\,\vec{l} = \sum I_0

根据 stokes 定理有:

∇×H→=j⃗0\nabla \times \overrightarrow{H} = \vec{j}_0

磁化强度有自己的单位奥斯特 Oe\rm Oe,满足:

1  Oe=1034πA/m1\,\,\mathrm{Oe} = \frac{10^3}{4\pi}\rm A/m

类似电场,对于各向同性线性磁介质,可以得到磁场强度、磁化强度、磁感应强度之间的关系:

B→=μ0μrH→=μH→M→=(μr−1)H→\begin{align*} \overrightarrow{B} &= \mu_0\mu_r \overrightarrow{H} = \mu\overrightarrow{H} \\ \overrightarrow{M} &= (\mu_r - 1)\overrightarrow{H} \end{align*}

其中 μ=μ0μr\mu = \mu_0\mu_r 称为磁导率

据此可以证明:对均匀各向同性介质,不论其磁化是否均匀,体内传导电流为零处,磁化电流必然为零

磁场的界面关系

  1. 法向关系:

(B→1−B2→)⋅e⃗n=0  ⟹  B1n=B2n\left(\overrightarrow{B}_1 - \overrightarrow{B_2}\right)\cdot \vec{e}_n = 0 \implies B_{1n} = B_{2n}

其中 e⃗n\vec{e}_n 由介质 2 指向介质 1

  1. 切向关系:

H→1⋅e⃗t=H→2⋅e⃗t  ⟹  H1t=H2t\overrightarrow{H}_1 \cdot \vec{e}_t= \overrightarrow{H}_2 \cdot \vec{e}_t \implies H_{1t} = H_{2t}

其中 e⃗t\vec{e}_t 沿分界面切向

  1. 对于各项同性介质,若 i0=0i_0 = 0,可以由几何关系得到:

tan⁡θ1tan⁡θ2=μ1μ2\frac{\tan \theta_1}{\tan\theta_2} = \frac{\mu_1}{\mu_2}

电场线形成了类似光线的折射
电场线形成了类似光线的折射

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