磁化、磁化强度可以看这一篇笔记,已经讲的很清楚了

位函数

电偶极子的远区场:
磁偶极子的远区场:
可以看出电场与磁场有着非常强的相似性,都是与距离的三次方成反比。但是在位函数上有所区别:电势是标量位函数,而磁矢位是矢量位函数。

3.5.1媒质的磁化

磁偶极矩的定义:原子中电子绕核运动形成的环形电流,或者是电子自旋产生的磁矩。对于一个面积为S的电流环,其磁矩为:
在没有外磁场作用时,由于原子内部电子的热运动,磁矩的方向是随机分布的,宏观上表现为:
在外磁场作用下,磁矩会趋向于与外磁场方向一致,形成宏观磁化强度:
其中ΔV为考察的体积元。这种现象称为媒质的磁化。

磁化强度矢量

在任意点P处,磁化强度矢量可以表达为:
这里:
  • 是体积元内所有磁偶极矩的矢量和
  • 是包含点P的小体积元
这个表达式反映了磁化强度是一个局部的、连续的物理量。

磁化电流(束缚电流)

磁化电流是由于媒质磁化而在媒质表面和内部产生的一种等效电流。它包括两部分:
体磁化电流密度:
面磁化电流密度:
其中是从媒质指向外部的单位法向量。这些电流被称为束缚电流,因为它们是由媒质中的分子磁矩定向排列产生的,而不是自由电荷的定向运动。束缚电流产生的磁场与自由电流产生的磁场具有相同的性质。
 

3.5.2 磁场强度H——一般形式的安培环路定律

一般形式的安培环路定律

一般形式的安培环路定律是在考虑媒质磁化效应后,对原始安培环路定律的推广。在有磁介质存在时,磁场的环路积分不仅与自由电流有关,还需要考虑束缚电流的贡献。
其中:
  • 是磁场强度
  • 是穿过任意以L为边界的曲面的自由电流
这个方程表明,磁场强度H的环路积分只等于自由电流,而不包括束缚电流。这是因为H场已经将媒质的磁化效应(即束缚电流的效应)考虑在内。
对比原始的安培环路定律:
其中是束缚电流。这说明H场的引入简化了安培环路定律的形式,使其在有磁介质存在时仍保持简单的形式。
微分形式可以写为:
其中是自由电流密度。

B,H,M的关系

在线性磁介质中,B、H和M之间存在以下关系:
其中:
  • 是磁感应强度
  • 是磁场强度
  • 是磁化强度
  • 是真空磁导率
对于线性磁介质,磁化强度与磁场强度成正比:
其中是磁化率(无量纲)。将此式代入上式:
这里是磁介质的磁导率,它描述了介质对磁场的响应程度。
不同类型磁介质的特点:
  • 抗磁质:,如铜、银、金等
  • 顺磁质:但很小,如铝、钾等
  • 铁磁质:,如铁、钴、镍等

3.5.3 不同媒质分界面上的边界条件

两种不同磁媒质分界面

B的衔接条件

根据磁通量连续性原理,我们可以推导出B的法向分量在界面上的衔接条件。考虑在两种磁介质的分界面上取一个小柱面(高度趋近于零),应用高斯定理:
对于这个小柱面,侧面的面积随高度趋近于零,其通量可以忽略。因此只需考虑上下底面的磁通量:
其中分别是介质1和介质2中B的法向分量,是底面面积。由此得到:
这就是B的法向分量连续性条件。用单位法向量表示为:
这个条件表明磁感应强度的法向分量在分界面上是连续的。这个结果反映了磁力线没有起点和终点的特性,即磁力线是闭合的。
 

H的衔接条件

类似于B的衔接条件,我们可以利用安培环路定律推导H的切向分量的衔接条件。考虑在分界面上取一个矩形回路(高度趋近于零),应用安培环路定律:
其中是自由电流。由于回路的高度趋近于零,垂直于分界面的边的积分可以忽略,只需考虑平行于分界面的边的积分。此外,考虑单位长度,退化为电流面密度
这里分别是介质1和介质2中H的切向分量,是面电流密度。
当分界面上没有自由电流时,,因此:
用切向单位矢量表示为:
这个条件表明,在没有自由面电流的分界面上,磁场强度的切向分量是连续的。如果存在面电流密度,则:

折射定律

在两种磁介质的分界面上,磁场线发生折射。根据B和H的边界条件,我们可以推导出磁力线的折射定律。
由于B的法向分量连续且H的切向分量连续(假设界面上无自由电流),我们有:
对于线性磁介质,有:
将这些关系代入,可以得到磁力线的折射定律:
其中θ₁和θ₂分别是入射角和折射角(磁力线与法线的夹角)。这个公式表明:
  • 磁力线从磁导率小的介质入射到磁导率大的介质时,折射角小于入射角
  • 反之,从磁导率大的介质入射到磁导率小的介质时,折射角大于入射角

铁磁媒质和空气分界面上的边界条件

对于铁磁媒质和空气的分界面,当μ₁ >> μ₂时:
与恒定电场类似,会有以下特点:
  • α₁ ≠ 90°
  • α₂ ≈ 0°
  • H₁ₜ = H₂ₜ ≈ 0
铁磁媒质与空气分界面的空气侧,B、H线均近似垂直于分界面,铁磁媒质表面近似为等磁面
notion image
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边界条件的位函数A表示

分界面上A的衔接条件证明分为两部分:
a) 在分界面上围绕P点作一矩形回路:
→0时,→0,→0,有:
得到:
notion image
b) 在分界面上围绕P点作一扁圆柱:
→0时:
得到:
notion image
从式(1)、(2)可得:
表明在媒质分界面上磁矢位A是连续的。

对于平行平面场

notion image

用标量磁位表示

 
两种不同磁媒质分界面上的标量磁位边界条件:
已知边界条件:
标量磁位的定义:
转换后的边界条件:
这表明在分界面上,标量磁位连续,而其法向导数与磁导率成反比。
 
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浙江大学电气工程学院本科生
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