1、磁介质刘炼烟摘要：本文主要介绍了磁介质的定义，分类和其应用。从另一观点磁荷观点解释磁介质的极化原理。并且推导出高斯定理和安培环路定理。同时分析了磁介质和电介质的异同。关键字：磁介质，磁荷观点，电介质磁介质的定义: 磁介质 magnetic medium 由于磁场和事物之间的相互作用，使实物物质处于一种特殊状态，从而改变原来磁场的分布。这种在磁场作用下，其内部状态发生变化，并反过来影响磁场存在或分布的物质，称为磁介质引。磁介质在磁场作用下内部状态的变化叫做磁化。真空也是一种磁介质。磁场强度与磁通密度间的关系决定于所在之处磁介质的性质。这种性质来源于物质内分子、原子和电子的性状及其相互作用，有关理
2、论属于固体物理学的重要内容。磁介质的分类：按 磁 化 机 构 的 不 同 ， 磁 介 质 可 分 为 抗 磁 体 、 顺 磁 体 、 铁 磁 体 、反 铁 磁 体 和 亚 铁 磁 体 五 大 类 。抗 磁 体 ： 在 无 外 磁 场 时 抗 磁 体 分 子 的 固 有 磁 矩 为 零 ， 外 加 磁 场 后 ， 由 于 电磁 感 应 每 个 分 子 感 应 出 与 外 磁 场 方 向 相 反 的 磁 矩 ， 所 产 生 的 附 加 磁 场 在 介 质内 部 与 外 磁 场 方 向 相 反 ， 此 性 质 称 为 抗 磁 性 。顺 磁 体 ： 顺 磁 体 分 子 的 固 有 磁 矩 不 为 零
3、， 在 无 外 磁 场 时 ， 由 于 热 运 动 而 使 分子 磁 矩 的 取 向 作 无 规 分 布 ， 宏 观 上 不 显 示 磁 性 。 在 外 磁 场 作 用 下 ， 分 子 磁 矩趋 向 于 与 外 磁 场 方 向 一 致 的 排 列 ， 所 产 生 的 附 加 磁 场 在 介 质 内 部 与 外 磁 场 方向 一 致 ， 此 性 质 称 为 顺 磁 性 。铁 磁 体 ： 具 有 铁 磁 性 的 物 质 被 称 为 铁 磁 体 。 包 括 软 磁 材 料 ， 硬 磁 材 料 和 矩磁 材 料 。反 铁 磁 体 ： 在 原 子 自 旋 （ 磁 矩 ） 受 交 换 作 用 而 呈 现
4、有 序 排 列 的 磁 性 材 料 中 ,如 果 相 邻 原 子 自 旋 间 是 受 负 的 交 换 作 用 ,自 旋 为 反 平 行 排 列 ， 则 磁 矩 虽 处 于有 序 状 态 (称 为 序 磁 性 )， 但 总 的 净 磁 矩 在 不 受 外 场 作 用 时 仍 为 零 。 这 种 磁 有序 状 态 称 为 反 铁 磁 性 。 注 ： 这 种 材 料 当 加 上 磁 场 后 其 磁 矩 倾 向 于 沿 磁场 方 向 排 列 ， 即 材 料 显 示 出 小 的 正 磁 化 率 。 但 该 磁 化 率 与 温 度 相 关 ， 并 在奈 尔 点 有 最 大 值 。 用 主 要 磁 现 象
5、为 反 铁 磁 性 物 质 制 成 的 材 料 ， 称 为 反铁 磁 材 料 。亚 铁 磁 体 ： 亚 铁 磁 性 与 反 铁 磁 性 具 有 相 同 的 物 理 本 质 ， 只 是 亚 铁 磁 体 中 反 平行 的 自 旋 磁 矩 大 小 不 等 ， 因 而 存 在 部 分 抵 消 不 尽 的 自 发 磁 矩 ， 类 似 于 铁 磁 体 。介 质 磁 化 后 的 特 点 是 在 宏 观 体 积 中 总 磁 矩 不 为 零 ， 单 位 体 积 中 的 总 磁 矩 称 为磁 化 强磁荷观点：在无外磁场时，各个磁偶极分子的取向是杂乱无章的，所以总的来看介质不显示磁性，当加上一个磁场强度为 H0，使
6、每个磁偶极分子的磁偶极矩Pm 分子转向磁场的方向，从图中可以看到磁偶极子沿着磁场的方向整齐排列的，由于在介质的内部 N、S 首尾相互抵消，导致在整个棒中的两个端面上有+，-磁荷，磁荷可类比于电荷，那么磁介质问题就与电介质问题相通了，同样引入磁极化强度 J，且 ，J 与外加磁场的磁场强度 H0 方向相同，同V分 子mP理也可以得到（4）内SSdmq（ 5）cosJnm是 磁 介 质 的 表 面 上 磁 荷 的 面 密 度 ， Jn 是 J 在 表 面 外 法 向 方 向 的 投 影 ，m同 样 磁 荷 也 会 产 生 附 加 电 场 ,总 磁 场 强 度 H 为 和 H0 的 矢 量 和 ， 和
7、 H0 的 方 向 相 反 。再 讨 论 一 下 影 响 的 因 素 ， 在 右 图 的 几 根 棒 中 ， l/R 不 同 ， 让 它 们 的 J 相同 ， 细 而 长 的 磁 棒 总 磁 荷 较 少 （ ） ， 又 离 终 中 点 较 远 ， 磁 荷Sqm产 生 的 磁 场 强 度 较 弱 。 对 于 那 些 短 而 粗 的 磁 棒 ， 结 论 正 好 相 反 。 我 们 可H以 通 过 实 验 得 到(6) 0/uJNDND 的 大 小 由 l/R 决 定 ， 也 可 以 通 过 定 量 计 算 ， 它 们 可 以 看 作 一 对 彼 此 相 距 为l， 半 径 为 R 的 带 均 匀
8、磁 荷 的 圆 面 ， 我 们 将 此 模 型 改 成 个 相 距 为 l， 半 径 为R 的 均 匀 带 相 反 电 荷 的 圆 面 ， 从 而 由 磁 场 问 题 转 化 常 见 的 电 场 问 题 ， 先 研 究一 个 半 径 为 R 的 均 匀 带 电 圆 面 在 其 轴 线 的 场 强 分 布 ， 建 立 如 右 图 的 坐 标 系 ，设 离 圆 心 距 离 为 x 的 位 置 的 坐 标 为 x， 我 们 证 明 过 ， 现 在 是 两 个 带 相 反 电 荷iRxE )1(2)( 220的 圆 面 在 它 们 的 中 心 处 的 场 强 即 为 2E（ x） ,即 。)1(20x
9、R再 考 虑 磁 场 问 题 ， 将 改 成 ， 改 成 ， E 改 成 ， 即 可 得m0uH到（ 7）)/(1)/(12/10/ dldlHm即 得 到 )/()/(2/1ldlND对 于 无 限 长 的 磁 棒 ， ， 0, 0;,DNH对 于 很 薄 的 磁 介 质 片 ， ， 1, .0/dl 0/uJ在 一 般 情 况 下 ， l/d 介 于 和 0 之 间 ， 介 于 0 和 1 之 间 。D按 磁 荷 观 点 ， 像 静 电 场 同 样 的 推 理 ， 它 满 足 的 环 路 定 理 和 高 斯 定 理 分 别 为 ：/lH内Sudm0/ q1则 （ 8） 内 内LdlHdlH
10、L00/0 II)(（ 9） 内内）（ SSuum0m0/0 q1q1ddS（ 4） +（ 9） 得 到0u(10) 0)( dSJH同 样 引 入 辅 助 型 变 量 B= ， B 为 磁 感 应 强 度 ， 在 真 空 中 J=0,u0则 (11)dS（ 8） 和 （ 11） 是 安 培 环 路 定 理 和 高 斯 定 理 。 其 中HuBm00)(磁 介 质 和 电 介 质 的 对 比物 理 规 律 分 子 电 流 观 点 磁 荷 观 点 电 介 质微 观 模 型 磁 化 强 度 矢 量 M 磁 极 化 强 度 矢 量 J 极 化 强 度 矢 量 P极 化 的 宏 观 效 果与 M 平
11、行 的 界 面 上 出 现磁 化 电 流与 J 垂 直 的 界 面 上 出 现磁 荷与 P 垂 直 的 界 面 上出 现 极 化 电 荷描 述 磁 （ 电 ） 场的 基 本 矢 量磁 感 应 强 度 B 磁 场 强 度 H 电 场 强 度 E介 质 对 磁 （ 电 ）场 的 影 响磁 化 电 流 产 生附 加 场 ，/B/0磁 荷 产 生 附加 场 ,/0/H极 化 电 荷产 生 附 加 场 ,/E/0辅 助 矢 量 磁 场 强 度 H 磁 感 应 强 度 B 电 位 移 D高 斯 定 理 0dSB SSd内 0q安 培 环 路 定 理 内LlH0I ELl磁 介 质 的 应 用1 磁 性 介
12、 质 已 在 生 物 技 术 的 诸 多 领 域 ， 如 细 胞 分 离 、 固 定 化 酶 、 免 疫 检 测 、生 物 导 弹 、 DNA 分 离 及 核 酸 杂 交 中 得 到 了 应 用2 铁 磁 质 可 用 作 变 压 器 ， 超 声 波 发 生 器 等参 考 文 献1 电 磁 场 与 电 磁 波 ， 邹 澎 ， 周 晓 萍 编 著 ， 清 华 大 学 出 版 社 ， 2008 年 6 月 版2 电 磁 场 与 电 磁 波 ， 张 昕 、 杨 晓 冬 、 李 文 兴 ， 哈 尔 滨 工 程 大 学 出 版 社 ， 2008 年1 月 版3 应 用 电 磁 学 基 础 ， Fawwaz T.Ulaby 著 、 尹 华 杰 译 ， 人 民 邮 电 出 版 社 ， 2007 年1 月 版4 电 磁 场 基 础 ， 钟 顺 时 著 ， 清 华 大 学 出 版 社 ， 2007 年 2 月 版5 大 学 物 理 ， 邓 文 基 ， 华 南 理 工 大 学 出 版 社 ， 2009 年 7 月
