[资料]第十节磁介质 磁化强度

[资料]第十节磁介质 磁化强度 11-1 磁介质 磁化强度 一、磁介质 磁化强度 磁场对处于磁场中的物质也有作用，使其磁化。一切能够磁化的物质称为磁介质。而磁化了的磁介质要激起附加磁场，也会对原磁场产生影响。 应当指出的是，磁介质对磁场的影响远比电介质对电场的影响要复杂得多。不同 的磁介质 B0在磁场中的表现则是很不相同的。假设没有磁介质(即真空)时，某点的磁感强度为，放入 ,BB磁介质后，因磁介质被磁化而建立的附加磁感强度为，那么该点的磁感强度应为这两个磁感强度的矢量和，即 ,B,B，B0 B0,,BB实验表明，附加磁感强度的方向随磁介质而异。有一些磁介质，的方向与 的方向 B,BB00,B相同，使得，这种磁介质叫做顺磁质，如铝、氧、锰等;还有一类磁介质，的方向与 B,B0的方向相反，使得，这种磁介质叫做抗磁质，如铜、铋、氢等。但无论是顺磁质还是抗 B0,B磁质，附加磁感强度的值都较要小得多(约几万分之一或几十万分之)，它对原来磁场的影响极为微弱。所以，顺磁质和抗磁质统称为弱磁性物质。实验还指出，另外有一类磁介质，它 BB00,,BB的附加磁感强度的方向虽与顺磁质一样，是和的方向相同的，但的值却要比的值大 24B,,B0很多(可达10-10倍)，即，并且B和B的比值不是常量。这类磁介质能显著地增强0 磁场，是强磁性物质;我们把这类磁介质叫做铁磁质，如铁、镍、钴及其合金等。 弱磁性物质的顺磁性和抗磁性的微观机理，与强磁性物质的铁磁性显著不同。这节用安培的分子电流学说简单说明顺磁性和抗磁性的起源。关于铁磁质的铁磁性将在第11-3节中介绍。 在物质的分子中，每个电子都绕原子核作轨道运 动，从而使之具有轨道磁矩(参阅第10-2节);此外，电 子本身还有自旋(参阅第17-10节)，因而也会具有自 旋磁矩。一个分子内所有电子全部磁矩的矢量和，称为 m分子的固有磁矩，简称分子磁矩，用符号 表示。分 I子磁矩可用一个等效的圆电流来表示，这就是安培当 年为解释磁性起源而设想的分子电流，如图所示。这里需要明确的是，分子电流与导体中的传导电流是有区别的，构成分子电流的电子只作绕核运动，它们不是自由电子。 顺磁质 m在顺磁性物质中，虽然每个分子都具有磁矩，但实验指出，在没有外磁场时，顺磁性物 m质并不显现磁性。这是因为分子处于热运动中，各分子磁矩的取向是无规的，因而在顺磁质中任一宏观小体积内，所有分子磁矩的矢量和为零，致使顺磁质对外不显现磁性，处于未被磁化的状态[如图示]。 当顺磁性物质处在外磁场中时，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转到与外磁场方向相同的趋势(参阅第10-7节)，这样，顺磁质就被磁化 B0,B了。显然，在顺磁质中因磁化而出现的附加磁感强度与外磁场的磁感强度的方向相同。于 B是，在外磁场中，顺磁质内的磁感强度的大小为 ,B,B，B0 抗磁质 对抗磁质来说，在没有外磁场作用时，虽然分子中每个电子的轨道磁矩与自旋磁矩都不等于 m,0零，但分子中全部电子的轨道磁矩与自旋磁矩的矢量和却等于零，即分子固有磁矩为零()。所以，在没有外磁场时，抗磁质并不显现出磁性。但在外磁场作用下，分子中每个电子的轨道运 B0,m,m动将受到影响，从而引起附加轨道磁矩，而且附加轨道磁矩的方向必是与外磁场的方 ,B向相反，因此，在抗磁质中，就要出现与外磁场B的方向相反的附加磁场，称为抗磁性，于0 是，抗磁质内磁感强度B的值要比B略小一点，即 0 扩充内容:抗磁性 应当指出，由上述分析可以明白，抗磁性不只是抗磁质所独有的特性，顺磁性物质也应具有这种抗磁性。只不过顺磁性物质中抗磁性的效应较之顺磁性效应要小得多，因此，在研究顺磁性物质的磁化时可以不计其抗磁性效应。 二、磁化强度 磁介质的磁化，就其实质来说，或是由于在外磁场作用下分子磁矩的取向发生了变化，或是在外磁场作用下产生附加磁矩，而且前者也可归结为产生附加磁矩。因此，我们可以用磁介质中单位体积内分子的合磁矩来表示介质的磁化情况，叫做磁化强 ,VM度，用符号表示。在均匀磁介质中取小体积，在此体积内分子磁矩的矢量和为m, ，那么磁化强度为 m,,M,V(11-1) ,1A,m在国际单位制中，磁化强度的单位为安培每米，符号为。 三、思考题 说明顺磁质，抗磁质及铁磁质附加磁场与外磁场关系。 11-2 磁介质中的安培环路定理 磁场强度 一、磁介质中的安培环路定理 现在我们利用一个特殊的例子来讨论磁介质中的安培环路定理，所得结论同样适用于一般的情形。 M如右图所示，有一密绕线圈的长直螺线管，管中充满磁化强度为的各向同性均匀磁介质，线圈中的电流I为。 ABCDAB取闭合回路，由安培环路定理可得磁感强度沿此闭合回路的环流为 B,dl,B,dl,,Ili0,,AB III,is式中为闭合回路所包围的电流，它包括流过线圈的传导电流，以及由分子圆电流所组成的分布电流。 I,NI,NABL设路径的长度为，其上共绕有匝线圈，于是。上式可写成 B,dl,B,dl,,(NI，I)l0s,,AB 从上图可以看出，磁介质中有许多分子圆电流，且电流的流向均相同。现设想每一个分子圆电流的半径均等 ,rI于，电流均为，于是每个分子圆电流的磁矩均为 2,m,Iπr IsABCDA而对闭合回路来说，并非每一个分子圆电流对形成都有贡献。譬如分子圆电流1就没有贡献，这 是因为它在闭合回路的外面;分子圆电流3虽然在闭合回路内，但它流入和流出闭合回路的电流是大小相等而方 Is向相反的，故分子圆电流3对组成也没有贡献。显然，只有像分子圆电流2那样环绕闭合回路的分子圆电流，IIssABr对的形成才有贡献。这就是说，只有圆电流的中心距线段的距离小于半径的这些分子圆电流，对构成 2IV,πrLns才有贡献。也可以说，只由处于体积为中的分子圆电流所组成。如在单位体积中有个分子圆电流， 那么可得 2,I,nπrLI,nmLs n从上一节的讨论中我们知道，磁化强度是由磁介质中大量分子磁矩所产生的。现已知就是磁介质中单位体 m积内的分子磁矩数，每个分子磁矩均为，那么，由式(11-1)可得磁化强度的值为 m,M,,nm,V 由上面两式可得 IsM,I,MLsL () ABM从上图可以看到，长螺线管内磁化强度仅平行于线段，故 I,ML,M,dl,M,dlABs,,i 于是 B,dl,,(NI，M,dl)0,,ll 上式两边的线积分都是在同一闭合回路上进行的，因此可以将它们合并，而得 B(,M),dl,NI,I,,l,0 BH,,M,0令，上式可改写成 H,dl,I,, l (11-2) H叫做磁场强度，它是描述磁场的一个辅助量。式(11-2)就是磁介质中的磁场安培环路定理，它说明:磁场 强度沿任何闭合回路的线积分，等于该回路所包围的传导电流的代数和。 ,1A,mH在国际单位制中，磁场强度的单位是安培每米，符号是。 MH实验指出，在各向同性磁介质中，任一点的磁化强度与磁场强度成正比，即 M,,H ,H其中是个单位为1的量，叫做磁介质的磁化率，它是随磁介质的性质而异的，将上式代入的定义式，有 BBH,,M,,,H,,00 或 B,,(1，,)H0 扩充内容:磁化率 520?，气体压强为1. 013×10Pa) 顺磁质 抗磁质 ,(,,,1),(,,,1)rr -6-9氧 2. 09×10 氢 -9. 9×10 -5-6铝 2. 3×10 铜 -9. 8×10 -5-6钨 6. 8×10 铋 -16. 6×10 -5-6钛 7. 06×10 汞 -32×10 (,,1，,)r从表可以看出，顺磁质和抗磁质确是两种弱磁性物质，它们的磁化率都很小，它们的相对磁导率 (,,1)r与真空的相对磁导率十分接近，因此，一般在讨论电流磁场的问题中，常可略去抗磁质、顺磁质磁化的 影响 1，,,,,rr可令式中，且称为磁介质的相对磁导率，则上式可写成 B,,,H0r ,,,,,0r令，并称为磁导率，上式即为 B,,H ,,1,B,,Hr0M,0,,0,,0在真空中，，故，=1，，如磁介质为顺磁质，由实验知道，其，故，对 ,1,r,,0抗磁质来说，其，。 ,rrR例 如下图所示，有两个半径分别为和的“无限长”同轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁导率为 IP的磁介质，当两圆筒通有相反方向的电流时，试求:(1)磁介质中任意点的磁感强度的大小;(2)圆筒外Q面一点的磁感强度。 P解 (1)这两个“无限长”的同轴圆筒，当有电流通过时，它们的磁场是柱对称分布的，设磁介质中点到 dd,OO11轴线的垂直距离为，并以为半径作一圆与圆筒同轴，根据磁介质中安培环路定律有 d2π1H,dl,Hdl,,l0 ,H2πd,I1 所以 IH,2πd1 P可得点的磁感强度的大小为 I,,01B,H,,2πd1 Qdd,OO22(2)设从点到轴线的垂直距离为，并以半径作一圆与圆筒同轴，显然此闭合路径所包围的传导 I,0,电流的代数和为零，即，根据磁介质中安培环路定律有 d2π1H,dl,Hdl,0,,l0 H,0所以 QB,0可得点的磁感强度 二、思考题 BH试说明与的联系和区别 11-3 铁磁质 一、磁畴 从物质的原子结构观点来看，铁磁质内电子间因自旋引起的相互作用是非常强烈的，在这种作用下，铁磁质内形成了一些微小区域，叫做磁畴，每一个磁畴中，各个电子的自旋磁矩排列 得很整齐，因此它具有很强的磁性，这叫做自发磁化，但在没有外磁场时铁磁质内各个磁畴的排列方向是无序的，所以，对外不显磁性。当处于外磁场中时，铁磁质内各个磁畴的磁矩在外磁场的作用下都趋向于沿外磁场方向排列，也就是说，不是像顺磁质那样使单个原子、分子发生转向，而是使整个磁畴转向外磁场方向，所以在不强的外磁场作用下，铁磁质可以表 ,B现出很强的磁性来，这时，铁磁质在外磁场中的磁化程度非常大，它所建立的附加磁感强度比外磁场的磁感 B0强度在数值上一般要大几十倍到数千倍，甚至达数百万倍。 现在我们已能用实验来演示磁畴的存在，最简单的办法是粉纹照相，在磨得很光的铁磁质表面上，涂上一层弥漫在胶质溶液中的磁性粉末(FeO)，粉末就把各个磁畴在表面上的界限显示出来了(下图)，在一般显微23 镜下可以看到这种磁畴粉纹图，通过粉纹照相可以测定磁畴的大小、位置以及磁畴在外磁场中的变化。 从实验中还知道，铁磁质的磁化和温度有关，随着温度的升高，它的磁化能力逐渐减小，当温度升高到某一温度时，铁磁性就完全消失，铁磁质退化成顺磁质，这个温度叫做居里温度或叫居里点。这是因为铁磁质中自发磁化区域因剧烈的分子热运动而遭破坏，磁畴也就瓦解了，铁磁质的铁磁性消失，过渡到顺磁质。从实验知道，铁的居里温度是1043K，78%坡莫合金的居里温度是580K，30%坡莫合金的居里温度是343K。 二、磁化曲线 ,BH顺磁质的磁导率很小，但是一个常量，不随外磁场的改变而变化，故顺磁质的与的关系是线性关系(下图) 但铁磁质却不是这样，它的磁导率比顺磁 质的磁导率大得多，图示是从实验得出的某一 B,H铁磁质开始磁化时的曲线，也叫初始磁 HB化曲线，当从零逐渐增大时，可以看出也 MH逐渐地增加;到达点以后，再继续增加 B时，就急剧地增加，这是因为磁畴在磁场作 N用下迅速沿外磁场方向排列的缘故;到达点 HB以后，再增大时，增加得就比较慢了;当 PHB达到点以后，再增加外磁场强度时，的 BmaxPB增加就十分缓慢，呈现出磁化已达饱和程度，点所对应的值，一般叫做饱和磁感强度，这时，在铁磁 BH质中，几乎所有磁畴都已沿着外磁场方向排列了，从曲线中可以看出与之间存在着非线性关系 讨论:铁磁质开始磁化时B,H曲钱 ,,H,,B,HB,H应当强调指出，曲线和，在实际工程技术中是非常有用的，可以从中任意一个量，查出 B,H相应的另两个量，在设计电磁铁、电磁传感器等电气设备时，磁化曲线是很重要的依据，曲线一般是由实 H验得出的，如图是几种铁磁质的磁化曲线，由图可以看出，当相同时(即传导电流相同时)，硅钢片的磁感强B度比铸铁大得多，所以变压器、电机等均采用硅钢片。 ,,iH,0H从曲线上还可以看出，当时，铁磁质的磁导率称为起始磁导率，最初，磁导率随磁场强度的 ,,,maxHH增加而急剧地增加，直到最大值;此后，则随的增加而减小，显然，与的关系亦是非线性关系。 三、磁滞回线 下面介绍铁磁质的另一重要特性，即磁滞现象,前面讨论磁化曲线时，只研究了起始磁化过程，但是如下图 HmHB,H所示，当磁场强度从零增加到+后若开始减小，那么，在减小的过程中，曲线是否仍按原来的起始 ，HmOPB磁化曲线退回来呢,实验表明，当外磁场由逐渐减小时，磁感强度并不沿起始曲线减小，而是沿图中 PQBH另一条曲线比较缓慢地减小，这种的变化落后于的变化的现象，叫做磁滞现象，简称磁滞。 B, BrrH,0B由于磁滞的缘故，磁场强度减小到零(即)时，磁感强度并不等于零，而是仍有一定的数值叫做剩余磁感强度，简称剩磁。这是铁磁质所特有的性质，如果一铁磁质有剩磁存在，这就表明它已被磁化过。由图可以看出，随着反向磁场的增加，B逐渐减小，当达到H=-H时，B等于零，这时铁磁质的剩磁就消失了，铁c H,Hcm磁质也就不显现磁性，通常把叫做矫顽力，它表示铁磁质抵抗去磁的能力。当反向磁场继续不断增强到 ,,PQ,B,HP时，材料的反向磁化同样能达到饱和点，此后，反向磁场逐渐减弱到零，曲线便沿变化，以后， ,QP，HmB,HB,H正向磁场增强到时，曲线就沿变化，从而完成一个循环。所以，由于磁滞，曲线就形成一个闭合曲线，这个闭合曲线叫做磁滞回线。研究磁滞现象不仅可以了解铁磁质的特性，而且也有实用价值，因为铁磁材料往往是应用于交变磁场中的，需要指出，铁磁质在交变磁场中被反复磁化时，磁滞效应是要损耗能量的，而所损耗的能量与磁滞回线所包围的面积有关，面积越大，能量的损耗也越多。 四、铁磁性材料 前面已经指出铁磁性物质属强磁性材料，它在电工设备和科学研究中的应用非常广泛，按它们的化学成分和性能的不同，可以分为金属磁性材料和非金属磁性材料(铁氧体)两大族。 1 金属磁性材料 金属磁性材料是指由金属合金或化合物制成的磁性材料，绝大部分是以铁、镍或钴为基础，再加入其他元素经过高温熔炼、机械加工热处理而制成，这种磁性材料在高温、低频、大功率等条件下，有广泛的应用，但在高频范围，它的应用则受到限制。金属磁性材料还可分为硬磁、软磁和压磁材料等，实验表明，不同铁磁性物质的磁滞回线形状有很大差异，图示给出了三种不同铁磁材料的磁滞回线，其中，软磁性材料的面积最小;硬磁材料的矫顽力较大，剩磁也较大;而铁氧体材料的磁滞回线则近似于矩形，故亦称矩磁材料。 ,BHrmaxc软磁材料的特点是相对磁导率和饱和磁感强度一般都比较大，但矫顽力比硬磁质小得多 ，磁滞回线所包围的面积很小，磁滞特性不显著如图(a)，软磁材料在磁场中很容易被磁化，而由于它的矫顽力很小，所以也容易去磁，因此，软磁材料是很适宜于制造电磁铁、变压器、交流电动机、交流发电机等电器中的铁心的另一个原因。 BHrc硬磁材料又称永磁材料，它的特点是剩磁和矫顽力都比较大，磁滞回线所包围的面积也就大，磁滞特性非常显著如图(b)，所以把硬磁材料放在外磁场中充磁后，仍能保留较强的磁性，并且这种剩余磁性不易被消除，因此硬磁材料适宜于制造永磁体。在各种电表及其他一些电器设备中，常用永磁铁来获得稳定的磁场。1998年6月3日，由美国“发现者号”航天飞机携带的、美籍华裔物理学家丁肇中教授组织领导的阿尔法磁谱仪上所用的永磁体，就是由中国科学院电工研究所等单位研制的稀土材料钕铁硼永磁体，其磁感强度高达0. 14T，该永磁体的直径为1. 2m，高0. 8m，而阿尔法磁谱仪是用来探测宇宙中反物质和暗物质的，这是人类第一次将大型永磁铁送入宇宙空间，对宇宙中的带电粒子进行直接观测，它极有可能给人类开拓一个全新的科学领域而带来一次新的科学突破。 压磁材料具有强的磁致伸缩性能，所谓磁致伸缩是指铁磁性物体的形状和体积在磁场变化时也会发生变化，特别是改变物体在磁场方向上的长度。当交变磁场作用在铁磁性物体上时，它随着磁场的增强，可以伸长，或者缩短，如钴钢是伸长，而镍则缩短，不过长度的变化是十分微小的，约为其原长的1/100000，磁致伸缩在技术上 有重要的应用，如作为机电换能器用于钻孔、清洗，也可作为声电换能器用于探测海洋深度、鱼群等。 2 非金属磁性材料——铁氧体 铁氧体，又叫铁淦氧，是一族化合物的总称，它由三氧化二铁(FeO)和其他二价的金属氧化物(如NiO，23 ZnO，MnO等)的粉末混合烧结而成，由于它的制造工艺过程类似陶瓷，所以常叫做磁性瓷。 411铁氧体的特点是不仅具有高磁导率，而且有很高的电阻率，它的电阻率约在10,10Ω?m之间，有的则高 14-7达10Ω?m，比金属磁性材料的电阻率(约为10Ω?m)要大多，所以铁氧体的涡流损失小，常用于高频技术中。图(c)是矩磁铁氧体的磁滞回线，从图中可以看出磁滞回线近似矩形，在电子计算机中就是利用矩磁铁氧体的矩形回线特点作为记忆元件的，利用正向和反向两个稳定状态可代表“0”与“1”，故可作为二进制记忆元件。此外，电子技术中也广泛利用铁氧体作为天线和电感中的磁心。 五、磁屏蔽 把磁导率不同的两种磁介质放到磁场中，在它们的交界面上磁场要发生 B突变，这时磁感强度的大小和方向都要发生变化，也就是说，引起磁感线 折射。例如，当磁感线从空气进入铁时，磁感线对法线的偏离很大，因此强 烈地收缩，下面是磁屏蔽示意图，图中A为一磁导率很大的软磁材料做成的 ,,0罩，放在外磁场中，由于罩的磁导率比大得多，所以绝大部分磁感线从 罩壳的壁内通过，而罩壳内的空腔中，磁感线是很少的，这样，就达到了磁 屏蔽的目的。示波管、显象管中电子束聚焦部分，为了防止外界磁场的干扰， 常在它们的外部加上用软磁材料做成的磁屏蔽罩。 六、思考题 1. 在工厂里搬运烧到赤红的钢锭，为什么不能用电磁铁的起重机。 2. 磁场能被屏蔽吗,