第十節(jié)磁介質(zhì) 磁化強度

1、11-1 磁介質(zhì) 磁化強度一、磁介質(zhì)  磁化強度磁場對處于磁場中的物質(zhì)也有作用，使其磁化。一切能夠磁化的物質(zhì)稱為磁介質(zhì)。而磁化了的磁介質(zhì)要激起附加磁場，也會對原磁場產(chǎn)生影響。應(yīng)當(dāng)指出的是，磁介質(zhì)對磁場的影響遠比電介質(zhì)對電場的影響要復(fù)雜得多。不同 的磁介質(zhì)在磁場中的表現(xiàn)則是很不相同的。假設(shè)沒有磁介質(zhì)（即真空）時，某點的磁感強度為，放入磁介質(zhì)后，因磁介質(zhì)被磁化而建立的附加磁感強度為，那么該點的磁感強度應(yīng)為這兩個磁感強度的矢量和，即實驗表明，附加磁感強度的方向隨磁介質(zhì)而異。有一些磁介質(zhì)，的方向與 的方向相同，使得，這種磁介質(zhì)叫做順磁質(zhì)，如鋁、氧、錳等；還有一類磁介質(zhì)，的方向與的方

2、向相反，使得，這種磁介質(zhì)叫做抗磁質(zhì)，如銅、鉍、氫等。但無論是順磁質(zhì)還是抗磁質(zhì)，附加磁感強度的值都較要小得多（約幾萬分之一或幾十萬分之），它對原來磁場的影響極為微弱。所以，順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)統(tǒng)稱為弱磁性物質(zhì)。實驗還指出，另外有一類磁介質(zhì)，它的附加磁感強度的方向雖與順磁質(zhì)一樣，是和的方向相同的，但的值卻要比的值大很多（可達102-104倍），即，并且B和B0的比值不是常量。這類磁介質(zhì)能顯著地增強磁場，是強磁性物質(zhì)；我們把這類磁介質(zhì)叫做鐵磁質(zhì)，如鐵、鎳、鈷及其合金等。弱磁性物質(zhì)的順磁性和抗磁性的微觀機理，與強磁性物質(zhì)的鐵磁性顯著不同。這節(jié)用安培的分子電流學(xué)說簡單說明順磁性和抗磁性的起源。關(guān)于鐵磁質(zhì)的鐵磁

3、性將在第11-3節(jié)中介紹。在物質(zhì)的分子中，每個電子都繞原子核作軌道運動，從而使之具有軌道磁矩（參閱第10-2節(jié)）；此外，電子本身還有自旋（參閱第17-10節(jié)），因而也會具有自旋磁矩。一個分子內(nèi)所有電子全部磁矩的矢量和，稱為分子的固有磁矩，簡稱分子磁矩，用符號 表示。分子磁矩可用一個等效的圓電流來表示，這就是安培當(dāng)年為解釋磁性起源而設(shè)想的分子電流，如圖所示。這里需要明確的是，分子電流與導(dǎo)體中的傳導(dǎo)電流是有區(qū)別的，構(gòu)成分子電流的電子只作繞核運動，它們不是自由電子。順磁質(zhì)在順磁性物質(zhì)中，雖然每個分子都具有磁矩，但實驗指出，在沒有外磁場時，順磁性物質(zhì)并不顯現(xiàn)磁性。這是因為分子處于熱運動中，各分子磁矩的

4、取向是無規(guī)的，因而在順磁質(zhì)中任一宏觀小體積內(nèi)，所有分子磁矩的矢量和為零，致使順磁質(zhì)對外不顯現(xiàn)磁性，處于未被磁化的狀態(tài)如圖示。當(dāng)順磁性物質(zhì)處在外磁場中時，各分子磁矩都要受到磁力矩的作用。在磁力矩作用下，各分子磁矩的取向都具有轉(zhuǎn)到與外磁場方向相同的趨勢（參閱第10-7節(jié)），這樣，順磁質(zhì)就被磁化了。顯然，在順磁質(zhì)中因磁化而出現(xiàn)的附加磁感強度與外磁場的磁感強度的方向相同。于是，在外磁場中，順磁質(zhì)內(nèi)的磁感強度的大小為 抗磁質(zhì)對抗磁質(zhì)來說，在沒有外磁場作用時，雖然分子中每個電子的軌道磁矩與自旋磁矩都不等于零，但分子中全部電子的軌道磁矩與自旋磁矩的矢量和卻等于零，即分子固有磁矩為零（）。所以，在沒

5、有外磁場時，抗磁質(zhì)并不顯現(xiàn)出磁性。但在外磁場作用下，分子中每個電子的軌道運動將受到影響，從而引起附加軌道磁矩，而且附加軌道磁矩的方向必是與外磁場的方向相反，因此，在抗磁質(zhì)中，就要出現(xiàn)與外磁場B0的方向相反的附加磁場，稱為抗磁性，于是，抗磁質(zhì)內(nèi)磁感強度B的值要比B0略小一點，即擴充內(nèi)容：抗磁性應(yīng)當(dāng)指出，由上述分析可以明白，抗磁性不只是抗磁質(zhì)所獨有的特性，順磁性物質(zhì)也應(yīng)具有這種抗磁性。只不過順磁性物質(zhì)中抗磁性的效應(yīng)較之順磁性效應(yīng)要小得多，因此，在研究順磁性物質(zhì)的磁化時可以不計其抗磁性效應(yīng)。二、磁化強度磁介質(zhì)的磁化，就其實質(zhì)來說，或是由于在外磁場作用下分子磁矩的取向發(fā)生了變化，或是在外磁場作用下產(chǎn)生

6、附加磁矩，而且前者也可歸結(jié)為產(chǎn)生附加磁矩。因此，我們可以用磁介質(zhì)中單位體積內(nèi)分子的合磁矩來表示介質(zhì)的磁化情況，叫做磁化強度，用符號表示。在均勻磁介質(zhì)中取小體積，在此體積內(nèi)分子磁矩的矢量和為 ，那么磁化強度為（11-1） 在國際單位制中，磁化強度的單位為安培每米，符號為。三、思考題說明順磁質(zhì)，抗磁質(zhì)及鐵磁質(zhì)附加磁場與外磁場關(guān)系。11-2 磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理 磁場強度 一、 磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理現(xiàn)在我們利用一個特殊的例子來討論磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理，所得結(jié)論同樣適用于一般的情形。如右圖所示，有一密繞線圈的長直螺線管，管中充滿磁化強度為的各向同性均勻磁介質(zhì)，線圈中的電流為。取閉合回路

7、，由安培環(huán)路定理可得磁感強度沿此閉合回路的環(huán)流為式中為閉合回路所包圍的電流，它包括流過線圈的傳導(dǎo)電流，以及由分子圓電流所組成的分布電流。設(shè)路徑的長度為，其上共繞有匝線圈，于是。上式可寫成從上圖可以看出，磁介質(zhì)中有許多分子圓電流，且電流的流向均相同。現(xiàn)設(shè)想每一個分子圓電流的半徑均等于，電流均為，于是每個分子圓電流的磁矩均為而對閉合回路來說，并非每一個分子圓電流對形成都有貢獻。譬如分子圓電流1就沒有貢獻，這是因為它在閉合回路的外面；分子圓電流3雖然在閉合回路內(nèi)，但它流入和流出閉合回路的電流是大小相等而方向相反的，故分子圓電流3對組成也沒有貢獻。顯然，只有像分子圓電流2那樣環(huán)繞閉合回路的分子圓電流，

8、對的形成才有貢獻。這就是說，只有圓電流的中心距線段的距離小于半徑的這些分子圓電流，對構(gòu)成才有貢獻。也可以說，只由處于體積為中的分子圓電流所組成。如在單位體積中有個分子圓電流，那么可得從上一節(jié)的討論中我們知道，磁化強度是由磁介質(zhì)中大量分子磁矩所產(chǎn)生的?，F(xiàn)已知就是磁介質(zhì)中單位體積內(nèi)的分子磁矩數(shù)，每個分子磁矩均為，那么，由式(11-1)可得磁化強度的值為 由上面兩式可得  ()從上圖可以看到，長螺線管內(nèi)磁化強度僅平行于線段，故于是上式兩邊的線積分都是在同一閉合回路上進行的，因此可以將它們合并，而得令，上式可改寫成     

9、0;    （11-2）叫做磁場強度，它是描述磁場的一個輔助量。式(11-2)就是磁介質(zhì)中的磁場安培環(huán)路定理，它說明：磁場強度沿任何閉合回路的線積分，等于該回路所包圍的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和。在國際單位制中，磁場強度的單位是安培每米，符號是。實驗指出，在各向同性磁介質(zhì)中，任一點的磁化強度與磁場強度成正比，即其中是個單位為1的量，叫做磁介質(zhì)的磁化率，它是隨磁介質(zhì)的性質(zhì)而異的，將上式代入的定義式，有或擴充內(nèi)容：磁化率20，氣體壓強為1. 013×105Pa）順磁質(zhì)抗磁質(zhì)氧2. 09×10-6氫-9. 9×10-9鋁2. 3×10-5銅

10、-9. 8×10-6鎢6. 8×10-5鉍-16. 6×10-6鈦7. 06×10-5汞-32×10-6 從表可以看出，順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)確是兩種弱磁性物質(zhì)，它們的磁化率都很小，它們的相對磁導(dǎo)率與真空的相對磁導(dǎo)率十分接近，因此，一般在討論電流磁場的問題中，?？陕匀タ勾刨|(zhì)、順磁質(zhì)磁化的影響可令式中，且稱為磁介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率，則上式可寫成令，并稱為磁導(dǎo)率，上式即為在真空中，故，=1，如磁介質(zhì)為順磁質(zhì)，由實驗知道，其，故，對抗磁質(zhì)來說，其，。例  如下圖所示，有兩個半徑分別為和的“無限長”同軸圓筒形導(dǎo)體，在它們之間充以相對磁導(dǎo)率為的磁

11、介質(zhì)，當(dāng)兩圓筒通有相反方向的電流時，試求：（1）磁介質(zhì)中任意點的磁感強度的大??；（2）圓筒外面一點的磁感強度。解 （1）這兩個“無限長”的同軸圓筒，當(dāng)有電流通過時，它們的磁場是柱對稱分布的，設(shè)磁介質(zhì)中點到軸線的垂直距離為，并以為半徑作一圓與圓筒同軸，根據(jù)磁介質(zhì)中安培環(huán)路定律有 所以可得點的磁感強度的大小為（2）設(shè)從點到軸線的垂直距離為，并以半徑作一圓與圓筒同軸，顯然此閉合路徑所包圍的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和為零，即，根據(jù)磁介質(zhì)中安培環(huán)路定律有所以       可得點的磁感強度 二、思考題試說明與的聯(lián)系和區(qū)別11-3 鐵磁質(zhì)

12、一、 磁疇從物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)觀點來看，鐵磁質(zhì)內(nèi)電子間因自旋引起的相互作用是非常強烈的，在這種作用下，鐵磁質(zhì)內(nèi)形成了一些微小區(qū)域，叫做磁疇，每一個磁疇中，各個電子的自旋磁矩排列 得很整齊，因此它具有很強的磁性，這叫做自發(fā)磁化，但在沒有外磁場時鐵磁質(zhì)內(nèi)各個磁疇的排列方向是無序的，所以，對外不顯磁性。當(dāng)處于外磁場中時，鐵磁質(zhì)內(nèi)各個磁疇的磁矩在外磁場的作用下都趨向于沿外磁場方向排列，也就是說，不是像順磁質(zhì)那樣使單個原子、分子發(fā)生轉(zhuǎn)向，而是使整個磁疇轉(zhuǎn)向外磁場方向，所以在不強的外磁場作用下，鐵磁質(zhì)可以表現(xiàn)出很強的磁性來，這時，鐵磁質(zhì)在外磁場中的磁化程度非常大，它所建立的附加磁感強度比外磁場的磁感強度在數(shù)值

13、上一般要大幾十倍到數(shù)千倍，甚至達數(shù)百萬倍。 現(xiàn)在我們已能用實驗來演示磁疇的存在，最簡單的辦法是粉紋照相，在磨得很光的鐵磁質(zhì)表面上，涂上一層彌漫在膠質(zhì)溶液中的磁性粉末（Fe2O3），粉末就把各個磁疇在表面上的界限顯示出來了（下圖），在一般顯微鏡下可以看到這種磁疇粉紋圖，通過粉紋照相可以測定磁疇的大小、位置以及磁疇在外磁場中的變化。 從實驗中還知道，鐵磁質(zhì)的磁化和溫度有關(guān)，隨著溫度的升高，它的磁化能力逐漸減小，當(dāng)溫度升高到某一溫度時，鐵磁性就完全消失，鐵磁質(zhì)退化成順磁質(zhì)，這個溫度叫做居里溫度或叫居里點。這是因為鐵磁質(zhì)中自發(fā)磁化區(qū)域因劇烈的分子熱運動而遭破壞，磁疇也就瓦解了，鐵磁

14、質(zhì)的鐵磁性消失，過渡到順磁質(zhì)。從實驗知道，鐵的居里溫度是1043K，78%坡莫合金的居里溫度是580K，30%坡莫合金的居里溫度是343K。二、磁化曲線順磁質(zhì)的磁導(dǎo)率很小，但是一個常量，不隨外磁場的改變而變化，故順磁質(zhì)的與的關(guān)系是線性關(guān)系（下圖）但鐵磁質(zhì)卻不是這樣，它的磁導(dǎo)率比順磁質(zhì)的磁導(dǎo)率大得多，圖示是從實驗得出的某一鐵磁質(zhì)開始磁化時的曲線，也叫初始磁化曲線，當(dāng)從零逐漸增大時，可以看出也逐漸地增加；到達點以后，再繼續(xù)增加時，就急劇地增加，這是因為磁疇在磁場作用下迅速沿外磁場方向排列的緣故；到達點以后，再增大時，增加得就比較慢了；當(dāng)達到點以后，再增加外磁場強度時，的增加就十分緩慢，呈現(xiàn)出磁化已

15、達飽和程度，點所對應(yīng)的值，一般叫做飽和磁感強度，這時，在鐵磁質(zhì)中，幾乎所有磁疇都已沿著外磁場方向排列了，從曲線中可以看出與之間存在著非線性關(guān)系討論：鐵磁質(zhì)開始磁化時BH曲錢應(yīng)當(dāng)強調(diào)指出，曲線和，在實際工程技術(shù)中是非常有用的，可以從中任意一個量，查出相應(yīng)的另兩個量，在設(shè)計電磁鐵、電磁傳感器等電氣設(shè)備時，磁化曲線是很重要的依據(jù)，曲線一般是由實驗得出的，如圖是幾種鐵磁質(zhì)的磁化曲線，由圖可以看出，當(dāng)相同時（即傳導(dǎo)電流相同時），硅鋼片的磁感強度比鑄鐵大得多，所以變壓器、電機等均采用硅鋼片。從曲線上還可以看出，當(dāng)時，鐵磁質(zhì)的磁導(dǎo)率稱為起始磁導(dǎo)率，最初，磁導(dǎo)率隨磁場強度的增加而急劇地增加，直到最大值；此后，

16、則隨的增加而減小，顯然，與的關(guān)系亦是非線性關(guān)系。三、磁滯回線下面介紹鐵磁質(zhì)的另一重要特性，即磁滯現(xiàn)象,前面討論磁化曲線時，只研究了起始磁化過程，但是如下圖所示，當(dāng)磁場強度從零增加到+后若開始減小，那么，在減小的過程中，曲線是否仍按原來的起始磁化曲線退回來呢？實驗表明，當(dāng)外磁場由逐漸減小時，磁感強度并不沿起始曲線減小，而是沿圖中另一條曲線比較緩慢地減小，這種的變化落后于的變化的現(xiàn)象，叫做磁滯現(xiàn)象，簡稱磁滯。 由于磁滯的緣故，磁場強度減小到零（即）時，磁感強度并不等于零，而是仍有一定的數(shù)值叫做剩余磁感強度，簡稱剩磁。這是鐵磁質(zhì)所特有的性質(zhì)，如果一鐵磁質(zhì)有剩磁存在，這就表明它已被磁化過。由圖可以看出

17、，隨著反向磁場的增加，B逐漸減小，當(dāng)達到H=-Hc時，B等于零，這時鐵磁質(zhì)的剩磁就消失了，鐵磁質(zhì)也就不顯現(xiàn)磁性，通常把叫做矯頑力，它表示鐵磁質(zhì)抵抗去磁的能力。當(dāng)反向磁場繼續(xù)不斷增強到時，材料的反向磁化同樣能達到飽和點，此后，反向磁場逐漸減弱到零，曲線便沿變化，以后，正向磁場增強到時，曲線就沿變化，從而完成一個循環(huán)。所以，由于磁滯，曲線就形成一個閉合曲線，這個閉合曲線叫做磁滯回線。研究磁滯現(xiàn)象不僅可以了解鐵磁質(zhì)的特性，而且也有實用價值，因為鐵磁材料往往是應(yīng)用于交變磁場中的，需要指出，鐵磁質(zhì)在交變磁場中被反復(fù)磁化時，磁滯效應(yīng)是要損耗能量的，而所損耗的能量與磁滯回線所包圍的面積有關(guān)，面積越大，能量的

18、損耗也越多。  四、鐵磁性材料前面已經(jīng)指出鐵磁性物質(zhì)屬強磁性材料，它在電工設(shè)備和科學(xué)研究中的應(yīng)用非常廣泛，按它們的化學(xué)成分和性能的不同，可以分為金屬磁性材料和非金屬磁性材料（鐵氧體）兩大族。1  金屬磁性材料金屬磁性材料是指由金屬合金或化合物制成的磁性材料，絕大部分是以鐵、鎳或鈷為基礎(chǔ)，再加入其他元素經(jīng)過高溫熔煉、機械加工熱處理而制成，這種磁性材料在高溫、低頻、大功率等條件下，有廣泛的應(yīng)用，但在高頻范圍，它的應(yīng)用則受到限制。金屬磁性材料還可分為硬磁、軟磁和壓磁材料等，實驗表明，不同鐵磁性物質(zhì)的磁滯回線形狀有很大差異，圖示給出了三種不同鐵磁材料的磁滯回線，其中，軟磁性材料的面

19、積最??；硬磁材料的矯頑力較大，剩磁也較大；而鐵氧體材料的磁滯回線則近似于矩形，故亦稱矩磁材料。軟磁材料的特點是相對磁導(dǎo)率和飽和磁感強度一般都比較大，但矯頑力比硬磁質(zhì)小得多 ，磁滯回線所包圍的面積很小，磁滯特性不顯著如圖(a)，軟磁材料在磁場中很容易被磁化，而由于它的矯頑力很小，所以也容易去磁，因此，軟磁材料是很適宜于制造電磁鐵、變壓器、交流電動機、交流發(fā)電機等電器中的鐵心的另一個原因。硬磁材料又稱永磁材料，它的特點是剩磁和矯頑力都比較大，磁滯回線所包圍的面積也就大，磁滯特性非常顯著如圖(b)，所以把硬磁材料放在外磁場中充磁后，仍能保留較強的磁性，并且這種剩余磁性不易被消除，因此硬磁材料適宜于制

20、造永磁體。在各種電表及其他一些電器設(shè)備中，常用永磁鐵來獲得穩(wěn)定的磁場。1998年6月3日，由美國“發(fā)現(xiàn)者號”航天飛機攜帶的、美籍華裔物理學(xué)家丁肇中教授組織領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀上所用的永磁體，就是由中國科學(xué)院電工研究所等單位研制的稀土材料釹鐵硼永磁體，其磁感強度高達0. 14T，該永磁體的直徑為1. 2m，高0. 8m，而阿爾法磁譜儀是用來探測宇宙中反物質(zhì)和暗物質(zhì)的，這是人類第一次將大型永磁鐵送入宇宙空間，對宇宙中的帶電粒子進行直接觀測，它極有可能給人類開拓一個全新的科學(xué)領(lǐng)域而帶來一次新的科學(xué)突破。壓磁材料具有強的磁致伸縮性能，所謂磁致伸縮是指鐵磁性物體的形狀和體積在磁場變化時也會發(fā)生變化，特別是改變物體在磁場方向上的長度。當(dāng)交變磁場作用在鐵磁性物體上時，它隨著磁場的增強，可以伸長，或者縮短，如鈷鋼是伸長，而鎳則縮短，不過長度的變化是十分微小的，約為其原長的1/100000，磁致伸縮在技術(shù)上有重要的應(yīng)用，如作為機電換能器用于鉆孔、清洗，也可作為聲電