6.1分子电流观点详解
安培分子电流
安培分子电流
分子电流是安培认为构成磁体的分子内部存在的一种环形电流。
由于分子电流的存在，每个磁分子成为小磁体，两侧相当于两个磁极。
通常情况下磁体分子的分子电流取向是杂乱无章的，它们产生的磁场互相抵消，对外不显磁性。
当外界磁场作用后，分子电流的取向大致相同，两端显示较强的磁体作用，形成磁极，就被磁化了。
当磁体受到高温或猛烈撞击时会失去磁性，是因为激烈的热运动或震动使分子电流的取向又变得杂乱无章了。
安培的分子电流假说具有十分重要的意义，一方面，它把磁体与磁体、电流与磁体、电流与电流、磁体与电流这种种磁相互作用归结为电流与电流的作用，建立了安培定律，开创了把电和磁联系起来的磁作用理论；另一方面，以分子电流模型取代磁荷模型，从根本上揭示了物质极化与磁化的内在联系，因为分子电流无非是电荷的某种运动。
物理专题课件：12磁介质
相 对 磁 导
B和M的关系为
B
0
M
1
M
率
m
km
各向同性线性磁介质
m 0, 1, | m | 很小 M和B同向，顺磁质
m 0, 1, | m | 很小 M和B反向，抗磁质
真空中，M=0 m 0, 1, B 0H 无磁化现象
磁化率m
地位和作用类似于e
• 对于各向同性线性介质来讲m是一个没有量纲的
磁化电流
磁介质受到磁场作用后被磁化的后果，是大量 分子电流叠加形成的在宏观范围内流动的电流，是 大量分子电流统计平均的宏观效果
相同之处： 同样可以产生磁场，遵从电流产生磁场规律
不同之处： 电子都被限制在分子范围内运动，与因电荷的
宏观迁移引起的传导电流不同；分子电流运行无阻力， 即无热效应
2、磁介质的磁化状态
标量
–均匀介质 m是常数 –非均匀介质m是介质中各点坐标的函数，甚至是时间
的函数
• 对各向异性磁介质 m会因为方位不同而不同， 是二阶张量
–如铁磁质 M与H不成正比关系，甚至也不是单值关系
–当M与H为非线性单值关系时，虽然仍可用上述关系式 来定义 ,但它们都不是恒量，而是H的函数，且
m >>1，其数量级为102～106以上 –当M与H无单值关系时，不再引用m、 的概念了
磁介质
§ 6.1 分子电流观点
一、磁介质的磁化 磁化强度矢量M和磁化电流的关系 磁介质——能与磁场产生相互作用的物质 磁化——磁介质在磁场作用下所发生的变化
1、“分子电流”模型
磁介质的“分子”相当于一个环形电流
分子的环形电流具有磁矩——分子磁矩，在外磁 场的作用下可以自由地改变方向。
磁化电流
分子电流
分子电流（molecular current）任何物质都是由分子（原子）构成的。
在经典原子模型中，分子中的电子绕原子核作轨道运动，形成轨道电流，构成轨道磁矩μL。
电子还有自旋磁矩μS。
因此，电子的总磁矩μ=μL+μS。
把整个分子（原子）中所有电子对外界产生的磁效应等效为一个圆电流I分子的磁效应，称圆电流I分子为分子电流。
分子电流的磁矩叫分子磁矩，用m分子表示，m分子=I分子S，S是分子电流围的面积，是S法线方向的单位矢量。
根据物质电结构学说，任何物质（实物）都是由分子、原子组成的，而分子或原子中任何一个电子都不停的同时参与两种运动，即环绕原子核的运动和电子本身的自旋。
这两种运动都等效于一个电流分布，因而能产生磁效应。
把分子或原子看成一个整体，分子或原子中各个电子对外界所产生磁效应的总和，可用一个等效的圆电流表示，统称为分子电流。
这种分子电流具有一定的磁矩，称为分子磁矩。
安培分子电流假说磁铁和电流都能产生磁场，磁铁的磁场和电流的磁场是否有相同的起源呢？电流是电荷的运动产生的，所以电流的磁场应该是由于电荷的运动产生的．那么，磁铁的磁场是否也是由电荷的运动产生的呢？我们知道，通电螺线管外部的磁场与条形磁铁的磁场很相似．法国学者安培由此受到启发，提出了著名的分子电流的假说．他认为，在原子、分子等物质微粒内部，存在着一种环形电流——分子电流，分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体，它的两侧相当于两个磁极.安培的假说能够解释一些磁现象．一根铁棒，在未被磁化的时候，内部各分子电流的取向是杂乱无章的，它们的磁场互相抵消，对外界不显磁性．当铁棒受到外界磁场的作用时，各分子电流的取向变得大致相同，铁棒被磁化，两端对外界显示出较强的磁作用，形成磁极．磁体受到高温或猛烈的敲击会失去磁性．这是因为在激烈的热运动或机械振动的影响下，分子电流的取向又变得杂乱了.在安培所处的时代，人们对物质内部为什么会有分子电流还不清楚．直到20世纪初，才知道分子电流是由原子内部电子的运动形成的．安培分子电流的假说，揭示了磁铁磁性的起源，它使我们认识到：磁铁的磁场和电流的磁场一样，都是由电荷的运动产生的．磁性材料实验表明，任何物质在外磁场中都能够或多或少地被磁化，只是磁化的程度不同．根据物质在外磁场中表现出的特性，物质可粗略地分为三类：顺磁性物质，抗磁性物质，铁磁性物质．根据分子电流假说，物质在磁场中应该表现出大体相似的特性，但此表告诉我们物质在外磁场中的特性差别很大．这反映了分子电流假说的局限性．实际上，各种物质的微观结构是有差异的，这种物质结构的差异性是物质磁性差异的原因．我们把顺磁性物质和抗磁性物质称为弱磁性物质，把铁磁性物质称为强磁性物质．通常所说的磁性材料是指强磁性物质．磁性材料按磁化后去磁的难易可分为软磁性材料和硬磁性材料．磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁性材料，不容易去磁的物质叫硬磁性材料．一般来讲软磁性材料剩磁较小，硬磁性材料剩磁较大．磁性材料按化学成分分，常见的有两大类：金属磁性材料和铁氧体．铁氧体是以氧化铁为主要成分的磁性氧化物．软磁性材料的剩磁弱，而且容易去磁．适用于需要反复磁化的场合．可以用来制造半导体收音机的天线磁棒、录音机的磁头、电子计算机中的记忆元件，以及变压器、交流发电机、电磁铁和各种高频元件的铁芯等．常见的金属软磁性材料有软铁、硅钢、镍铁合金等，常见的软磁铁氧体有锰锌铁氧体、镍锌铁氧体等．硬磁性材料的剩磁强，而且不易退磁，适合制成永磁铁，应用在磁电式仪表、扬声器、话筒、永磁电机等电器设备中．常见的金属硬磁性材料有碳钢、钨钢、铝镍钴合金等，常见的硬磁铁氧体为钡铁氧体和锶铁氧体．随着社会的进步，磁性材料和我们日常生活的关系也越来越紧密．录音机上用的磁带，录像机上用的录像带，电子计算机上用的磁盘，储蓄用的信用卡等，都含有磁性材料．这些磁性材料称为磁记录材料．靠着磁记录材料，我们可以在磁带、录像带、磁盘上保存大量的信息，并在需要的时候“读”出这些信息．磁记录材料在20世纪70年代以前采用磁性氧化物，1978年合金磁粉研制成功之后，开始采用金属磁性材料，从而大大提高了磁记录的性能．现在人们又在使用金属薄膜作磁记录磁性材料．磁记录技术又得到了进一步的提高．安培分子电流假说只是近似的正确。
分子电流假说
分子电流假说为了解释永磁和磁化现象，安培提出了分子电流假说。
安培认为，任何物质的分子中都存在着环形电流，称为分子电流，而分子电流相当一个基元磁体。
当物质在宏观上不存在磁性时，这些分子电流做的取向是无规则的，它们对外界所产生的磁效应互相抵消，故使整个物体不显磁性。
在外磁场作用下，等效于基元磁体的各个分子电流将倾向于沿外磁场方向取向，而使物体显示磁性。
磁现象和电现象有本质的联系。
物质的磁性和电子的运动结构有着密切的关系。
乌伦贝克与哥德斯密特最先提出的电子自旋概念，是把电子看成一个带电的小球，他们认为，与地球绕太阳的运动相似，电子一方面绕原子核运转，相应有轨道角动量和轨道磁矩，另一方面又绕本身轴线自转，具有自旋角动量和相应的自旋磁矩。
施特恩-盖拉赫从银原子射线实验中所测得的磁矩正是这自旋磁矩。
（现在人们认为把电子自旋看成是小球绕本身轴线的转动是不正确的。
）电子绕原子核作圆轨道运转和绕本身的自旋运动都会产生电磁以太的涡旋而形成磁性，人们常用磁矩来描述磁性。
因此电子具有磁矩，电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成。
在晶体中，电子的轨道磁矩受晶格的作用，其方向是变化的，不能形成一个联合磁矩，对外没有磁性作用。
因此，物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而是主要由自旋磁矩引起。
每个电子自旋磁矩的近似值等于一个波尔磁子。
是原子磁矩的单位，。
因为原子核比电子重2000倍左右，其运动速度仅为电子速度的几千分之一，故原子核的磁矩仅为电子的千分之几，可以忽略不计。
孤立原子的磁矩决定于原子的结构。
原子中如果有未被填满的电子壳层，其电子的自旋磁矩未被抵消，原子就具有“永久磁矩”。
例如，铁原子的原子序数为26，共有26个电子，在5个轨道中除了有一条轨道必须填入2个电子（自旋反平行）外，其余4个轨道均只有一个电子，且这些电子的自旋方向平行，由此总的电子自旋磁矩为4 。
分子电流假说名词解释
分子电流假说名词解释嘿，朋友！今天咱们来聊聊分子电流假说。
你知道吗，这分子电流假说就像是一个神秘的魔法，在微观世界里悄悄地施展着它的魔力。
想象一下，咱们生活的世界里，各种物质都有着自己独特的性质。
有的能导电，有的不能；有的有磁性，有的没有。
那这背后到底藏着啥秘密呢？分子电流假说就试着给咱们揭开这层面纱。
简单来说，分子电流假说认为，在物质内部，每个分子都相当于一个小小的电流环。
就好像是一群小蚂蚁，排着整齐的队伍，形成了有序的电流。
这些小电流环的总和，就决定了物质整体的磁性。
比如说一块磁铁，它为啥能吸住铁钉呢？按照分子电流假说，就是因为在磁铁内部，分子电流的方向非常整齐，就像训练有素的士兵，步伐一致，形成了强大的磁场，所以就能把铁钉给吸引过来啦。
那如果是没有磁性的物质呢？其实啊，它们内部的分子电流也存在，只不过方向乱七八糟的，就像一群没头苍蝇，到处乱撞，所以整体就显示不出磁性来。
这是不是挺神奇的？咱们再深入想想，假如能把这些分子电流的方向都调整得整整齐齐，那岂不是能把普通的物质也变成有磁性的宝贝啦？这可不是天方夜谭哦！你看，在我们周围的世界里，从小小的螺丝钉，到巨大的机器设备，磁性都在发挥着重要的作用。
而分子电流假说就像是一把神奇的钥匙，帮助我们打开了理解磁性的大门。
咱们再类比一下，分子电流假说就好像是一个拼图游戏。
每个分子电流就是一块拼图，只有把它们都拼对了方向，才能呈现出完整而清晰的磁性图案。
所以说，分子电流假说可不是什么虚无缥缈的概念，它实实在在地帮助我们解释了很多关于磁性的现象和问题。
它让我们看到了物质内部那些微小而神奇的世界，是不是特别有趣呢？总之，分子电流假说为我们理解物质的磁性提供了一种独特而深刻的视角，让我们对这个世界的认识又深入了一步。
61分子电流观点
引言：
磁介质
（1）前述真空中磁场，现介绍有磁介质时的磁场； （2）如同电介质对电场有响应，磁介质对磁场也有响应——磁化。 几乎所有气体、液体和固体等实物，无论其内部结构如何，对磁场都会有响 应，表明所有物质都有磁性。 大部分物质磁性都较弱，只有少数如金属铁、镍、钴及某些合金等才有强磁 性。 这种以铁为代表的磁效应特别强的物质称铁磁质， 其它非铁磁性物质为弱磁 质，又可分为顺磁质、抗磁质。 本章讨论磁性来源、磁化描述方法，有介质时的场方程、场能等内容。 §1 分子电 0 nI
/ /
⎫ ⎬ B = µ 0i = µ 0 M ⎭ � � � 两者同向。由 B = B0 + B / 得其大小为
B = µ 0 nI + µ 0 M
三、磁介质中的场方程 � � � 介质内： B = B0 + B / 1、高斯定理 因磁化电流 I / （又称束缚电流）在空间与传导电流 I 0 一样按毕奥—萨伐尔 � � � � 定律激发磁场 B / , B0 。故因 ∫ B / ⋅ dS = 0 ，而有 � � � � �/ � B ⋅ d S = B ⋅ d S + B 0 ∫ ∫ ∫ ⋅ dS =0
∑
l
之外不套
� dl
一进一出
面矢 a （分子电流所
�
图 7-1 经分析可知，对所取曲面的电流有贡献者，是那些与 l 相套链的分子环流。 � � � 在 Σ 的边线 l 上取线元 dl ，以 l 线为中心、取分子环流所围面积矢 a 为底构 � � 成斜圆柱，其体积为 dV = a ⋅ dl 。设磁分子数密度为 n，则分子数为 dN = ndV ，
∑m
∆V
�
分
其单位为： 1
安 ⋅ 米2 = 1安 。 3 米 米
第六章-磁介质概要
没有外磁场时 Ze2
4 0 r 2
m02r
(1) B
Ze2
40r 2
erB
m 2r
将 0 带入可得
Ze2
4 0 r 2
e0rB
erB
m02r 2m0r m()2 r
eB 或 e B
2m
2m
(2) B 此时 0 仍有 e B
2m
m0
er 2 2
0
m er2 e2r2 B
1.软磁材料 磁滞回 线狭长，磁滞损耗小，适用于交变磁场中。具有高的 磁导率和高的电阻率。
2.硬磁材料（永磁体）
永磁体(permanent magnet)是在外加的磁化场去掉后仍保留一定的
（最好是较强的）剩余磁化强度M（R 或剩余磁感应强度BR）的物体。 永磁体的作用是在它的缺口中产生一个恒定的磁场。做永磁铁的材
6.3.2 顺磁质和抗磁质
绕原子核轨道旋转运动的电子 相当于一个电流环，从而有一 定的磁矩称为轨道磁矩；
与电子自旋运动相联系的磁矩 叫做自旋磁矩；
由于电子带负电，其磁矩m和角速
度 的方向总是相反的。
I e e T 2
环形电流面积S r2
磁矩m
ISen
er 2 2
磁介质的分子可以分为两大类：一类分子中各电子 磁矩不完全抵消，因而整个分子具有一定的固有磁 矩；另一类分子中各电子的磁矩相互抵消，因而整 个分子不具有固有磁矩。
(L)
( L内)
在真空中M
0，H
B
0Leabharlann 或B=0 HH的单位：A/m或奥斯特(Oe),1A / m 4 103Oe
磁感应强度B所满足的“高斯定理”： B dS 0无论
(S)
安培分子电流假说解读
3．磁性材料有着广泛的应用，不同的磁性材料应 用于不同的场合．
例：一根软铁棒放在磁铁附近被磁化， 这是因为在外磁场的作用下（ ）
A．软铁棒中产生了分子电流 B．软铁棒中分子电流消失 C．软铁棒中的分子电流取向变得杂乱无章
D．软铁棒中的分子电流取向变得大致相同
解析：
软铁棒未被磁化时，内部各分子电流的取向 是杂乱无章的，它们磁场相互抵消，对外不显 磁性，铁棒被磁化，两端 对外显示出较强的磁性．
2．磁性材料的分类 （1）根据物质在外磁场中表现出的特性来分，可粗 略地分为三类：顺磁性物质，抗磁性物质，铁磁性 硬质． ①弱磁性物质：顺磁性物质和抗磁性物质称为驻磁 性物质． ②强磁性物质：铁磁性物质称为强磁性物质．
③物质磁性差异的原因：物质结构的差异性．
（2）根据磁化后去磁的难易程度来分，可分为两类： 软磁性材料，硬磁性材料 ①软磁性材料：磁化后容易去磁的材料叫软磁性 材料，剩磁较小． ②硬磁性材料：磁化后不容易去磁的材料叫硬磁 性材料，剩磁较大． ③根据组成磁性材料的化学成分来分，常见的有 两大类：金属磁性材料，铁氧体．
原子结构理论证实分子电流是存在的，不 因为被磁化而产生或消失． 所以，正确选项为D
小结：
安培提出了分子电流假说，对一些磁现 象做出了解释，不同的磁性材料有不同的 应用．
中央电教馆资源中心制作
2004.03
3．分子电流假说的验证
（1）能解释一些磁现象． ①软铁棒被磁化：各分子电流的取向由杂乱 变得大致相同． ②磁体受到高温或猛烈敲击会失去磁性：分 子电流的取向由大致相同变成杂乱．
（2）近代的原子结构理论证实了分子电流的存在． 根据物质的微观结构理论，微粒原子由原子核和核外 电子组成，原子核带正电、核外电子带负电，核外电子在 库仑引力作用下绕核高速旋转，形成分子电流．
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• 磁化（magnetization）
– 在外磁场的作用下，原来没有磁性的物质，变得具有磁 性，简称磁化。磁介质被磁化后，会产生附加磁场，从 而改变原来空间磁场的分布
一 分子环流
问题的提出 – 为什么物质对磁场有响应 – 为什么不同类型的物质对磁场有不同的响应 – 与物质内部的电磁结构有着密切的联系 两种微观模型 ━ 磁荷观点 类比电荷 ━ 分子环流 物质的磁性起源于原子的磁性 ━ 原子磁性 量子力学 ━ 严格的磁学理论必须建立在量子力学基础上
两种微观模型 J 磁极化强度
四 磁化规律 * 两种微观模型 分子电流 磁荷 * 正确认识模型 等效 但赋予 B, H 的物理 意义不同
四 磁化规律 * 两种微观模型 分子电流 磁荷 * 正确认识模型 等效 但赋予 B, H 的物理 意义不同 M H * 分子电流观点中 M B,
在磁介质中划出任意宏观面 S 来考察：令其
边界线为L，则介质中的分子环流分为三类
• 不与S相交 • 整个为 S 所切割，即分子 电 流与S相交两次 • 被 L 穿过的分子电流，即 与 S相交一次 • 只有第三种情形对电流有 贡献， 在 L 上取线元 dl 为轴线， a 为底 作柱体，凡中心处在V内的分子 环流都为dl所穿过，共有分子数
磁化的描述
M I ' B B 0 B' 描 绘 磁 化
• 三者从不同角度定量地描绘同一物理现象 ——磁化，之间必有联系，这些关系—— 磁介质磁化遵循的规律
3 磁化强度矢量与磁化电流的关系
• 磁化强度矢量沿任意闭合回路L的积分等于 通过以L为周界的曲面S的磁化电流的代数 和，即
对同性电荷的稳定性、电荷的量子化、轻子结构、轻 子和强子的统一组成、轻子和夸克的对称等难题等，都 能给以较好的解释。不仅对电磁理论而且对整个物理学 的基础理论都有巨大的影响。
二 磁化的描述
1 磁化强度矢量
– 为了描述磁介质的磁化状态（磁化方向和强 度），引入磁化强度矢量的概念 – 磁化程度越高，矢量和的值也越大
* 磁路定理
七 磁场的物质性
* 能量 能量密度
6-1 分子电流观点 习题：6.1-1, 6.1-3
• 磁性：
6.1-6
– 物质的基本属性之一，即物质的磁学特性 – 吸铁石——天然磁体 —— 具有强磁性 – 多数物质一般情况下没有明显的磁性
• 磁介质（magnetic medium）
– 对磁场有一定响应,并能反过来影响磁场的物质 – 一般实物在较强磁场的作用下都显示出一定程度的磁性， 即都能对磁场的作用有所响应，所以都是磁介质
分子电流
– 安培的大胆假设
– 磁介质的“分子”相当于一个环形电流，由电 荷的某种运动形成，它没有像导体中电流所受 的阻力，分子的环形电流具有磁矩，在外磁场 的作用下可以自由地改变方向 把种种磁相互作用归结为电流——电流相互作用， 建立了安培定律——磁作用理论 在安培时代，对于物质的分子、原子结构的认识 还很肤浅，电子尚未发现，所谓“分子”泛指介 质的微观基本单元
磁化电流与传导电流
• 传导电流
– 载流子的定向流动，是电荷迁移的结果，产生焦 耳热，产生磁场，遵从电流产生磁场规律
• 磁化电流
– 磁介质受到磁场作用后被磁化的后果，是大量分 子电流叠加形成的在宏观范围内流动的电流，是 大量分子电流统计平均的宏观效果
• 相同之处：同样可以产生磁场，遵从电流产 生磁场规律 • 不同之处：电子都被限制在分子范围内运动； 分子电流运行无阻力，即无热效应
m M V
分子磁矩 的矢量和
体积元
单位（安/米）
Am
1
意义 磁介质中单位体积内分子的合磁矩.
2 磁化电流
• 介质对磁场作用的响应的结果 • 磁化电流不能传导，束缚在介 质内部，也叫束缚电流 • 能产生附加磁场，满足毕奥 萨伐尔定律 • 附加场反过来要影响原来空间 的磁场分布 • 磁介质均匀时，只有介质表面 处，分子电流未被抵销，有磁 化电流
通过以L为界S面内 全部分子电流的代 数和
M dl I'
L L内
证明： 把每一个宏观小体积内的分 子看成完全一样的电流环即 用平均分子磁矩代替每一个 分子的真实磁矩
设单位体积内的分子环
m分子 Ia
流数为n，则单位体积内 m分子 nIa M
分子磁矩总和为
• 所谓磁化：
“磁荷”模型要点
• • • • • 磁荷有正、负，同号相斥，异号相吸 磁荷遵循磁的库仑定律（类似于电库仑定律） 定义磁场强度为单位点磁荷所受的磁场力 把磁介质分子看作磁偶极子 认为磁化是大量分子磁偶极子规则取向使正、 负磁荷聚集两端的过程，磁体间的作用源于其 中的磁荷 • 目前没找到单独存在的磁极——？
现代的观点 • 分子磁矩 m分子= ml+ ms （矢量和）
– 轨道磁矩ml ：由原子内各电子绕原子核的轨道 运动决定 – 自旋磁矩ms ：由核外各电子的自旋的运动决定
– 就是在外磁场作用下大量分子电流混乱分布 （无序）—— 整齐排列（有序） – 每一个分子电流提供一个分子磁矩m分子 – 磁化了的介质内分子磁矩矢量和 m分子0 – 分子磁矩的整齐排列贡献宏观上的磁化电流 I’ （虽然不同的磁介质的磁化机制不同）
磁介质
(研究方法与电介质类似）
从以下几个方面进行研究
一 磁场最基本的属性 * B 的定义及特点 相互作用 二 什么是磁介质 * 实物 4% 暗物质 23% 暗能量 73% * 实物的组成 * 怎样认识暗物质 三 磁化现象及描述 * 表现 B ', I ' * 本质 磁场和运动电荷之间有相互作用
三 磁化现象及描述 * 表现 B ', I ' * 本质 磁场和运动电荷之间有相互作用 例子：电磁感应加铁芯 * 描述：（1） B, B ', I ' （2） M 磁化强度
B (1 )0 H 0r H
* 磁介质分类 r 弱 强 铁磁质
五 有介质存在时磁场性质的描述 * 高斯定理 环路定理 * 简化对磁场与介质相互作用的处理
五 有介质存在时磁场性质的描述 * 高斯定理 环路定理 *用
* 边界条件 磁屏蔽