磁场中的介质

第七章磁场中的介质

放置于电场中的介质会极化，描述介质极化的物理量时极化强度，描述介质中电场的物理量用电位移矢量。对于磁介质的描述与电解质十分相似，分别引入磁化、磁化强度、磁场强度等概念，进而得出有介质的磁环路定理。

第一节磁场中的介质

1．磁介质的电结构

由现代物质结构理论可知：物质内部原子、分子中的每个电子参与两种运动，一是轨道运动，即电子绕原子核的旋转运动，其运动会形成一个电流，进而会产生一个磁矩，称为轨道磁矩；二是电子的自旋运动，相应地也会产生一个磁矩，称为自旋磁矩。一个分子中所有电子的各种磁矩之总和构成这个分子的固有磁矩m，称为分子磁矩，这个分子固有磁矩可以看成是由一个等效的圆形分子电流i分子产生的。就像电介质分为有极性分子和无极性分子一样，一般的磁介质也可分为两大类：一类是分子中各电子的磁矩不完全抵消而整个分子具有一定的固有磁矩，称为顺磁性物质，如氧、铝等；一类是分子中各电子的磁矩，完全相互抵消而整个分子不具有固有磁矩，称为抗磁性物质，如氢、铜等，但这两类物质都是弱磁性物质。另外还有一类强磁性介质，称作铁磁质，铁、钴、锦及其合金就属于这一类。

2．顺磁质和抗磁质的磁化

在没有外磁场时，对于抗磁质来说，由于其分子磁矩m＝0，因而对外不显示磁性。对于顺磁质来说，虽然每个分子都有磁矩m，但由于分子的无规则热运动和频繁地碰撞，各个分子的磁矩分布杂乱无章，因而总体对外也不显示磁性。

对于顺磁质，当介质被引入外场中之后，分子磁矩m和外磁场B0发生相互作用，从而产生一个磁力矩，在这个力矩的作用下，各个分子的磁矩将转向外场方向，如图所示。这样各分子磁矩将沿外场方向产生一个附加的磁场B′，从而使原磁场加强，这个过程就叫磁化。

对于抗磁质，当介质被引入外场中之后，整个分子将产生一个与外磁场方向相反的附加磁矩。设一个电子以角速度为ω半径为r绕原子核作圆周运动，由于外磁场B0的作用，电子将受到洛仑兹力f＝-ev×B。为简单起见，设电子轨道面与外磁场垂直。当ω与B同向时，

角速度增大了Δω，磁矩

m＝ISn＝-er2ω/2

Δm＝－er2Δω，

Δm与Δω方向相反。这样

原来每个分子整体上无固

有磁矩的抗磁性物质，在

外磁场B中就被磁化了。

应当指出，上述的抗

磁效应在具有固有磁矩的

顺性物质中也存在，只是在顺磁物质中，顺磁效应要比抗磁效应强得

多，因此主要体现出的是顺磁效应；而抗磁性物质在外场中根本就没

有顺磁效应，所以只有抗磁效应了。

由此看来，无论是什么磁介质，当引入于外磁场B中时，都会被

磁化，产生磁化电流，进而产生附加的磁化磁场B，这样介质中的磁

场

B = B 0 + B,,

对于顺磁质B与B0方向的相同，B＞B,总磁场略增强；对于抗磁

质B和B方向相反，B＜B0，总磁场略减弱；对于铁磁质B极大，B

＞＞B0，总磁场极强。

第二节有介质的环路定理

一.磁化规律

对于介质磁化的程度和方向，可以用磁化强度矢量M来描述，它

是某点处单位体积内因磁化而产生的分子磁矩之和，即

M＝∑Δm／ΔV

在介质中，任取一线元dl，以dl为高，S为底面积作以柱体，

若dl与S的夹角为θ，则柱体的体积为Sdlcosθ，这样凡中心在该

柱体内的分子环流都被dl所穿过，共有nSdlcosθ个，设每个分子

的电流为i，则dl穿过的分子电流

dI,＝niSdlcosθ＝niS·dl＝nPm·dl＝M·d，

对整个环路l积分得

∮M·dl＝I,,

式中I为l内包围的磁化电流。对于介质表面，可取一个紧靠表面的

矩形框，式可得

j＝M × n

式中j为面磁化电流密度，n为介质表面的外法线单位矢量。

将之代入环路定理，有

∮B·dl＝μ0(Ｉ0＋I,)＝μ(Ｉ0＋∮M·dl) 令H = B/μ0–M

称作磁场强度，它像电介质中引入D一样，是一个辅助矢量，这样便可得到更为普遍的磁介质中(包括真空介质)的磁环路定理

∮H·d l ＝I

它表明：沿任意闭合曲线的磁场强度的线积分环量，等于这个闭合曲线所包围的传导电流的代数和，而与曲线包围的磁化电流和未包围的传导电流无关。它的意义和注意事项与真空的磁环路定理完全相同。

在求介质中的磁感应强度B时，可以绕过很难得知的磁化电流I 所产生的磁化磁场B，而直接由传导电流I求出电场强度H，进而再求出B。实验证明，在各向同性介质中(注意以下各式都是在此条件下)，磁化强度M与磁场强度H成正比，

M＝χm H

式中χm叫介质的磁化率，是一个纯数。

B＝(1＋χm)μ0H

令μr＝1＋χm，μ＝μrμ0，则

B ＝μH

式中μ叫磁导率，而μr叫相对磁导率，是一个纯数，真空的μr＝1。 介质中的磁环路定理为求解磁感应强度B提供了又一种方法，即先求出H，再求B.

第三节铁磁质

1．铁磁质及其磁化

铁磁质是一种特殊的磁介质，其突出表现为磁化后产生的附加磁场特别强，其μr的数量级为102～１０3，甚至106以上，而且随外场的不同而发生变化。铁磁质的磁性用前面的弱磁性物质的理论是无法解释的，正确的解释需要用量子力学理论，这个已超出本书的范围，故在此不作介绍。下面简要介绍一下铁磁质的磁化规律和技术磁化过程。

(1)铁磁质的磁化规律

从实验上测得，铁磁质的B－H曲线如下图所示。

H＝0，B＝0对应于B－H图1的原点，当H增大时，开始B增加较慢(oa段)，接着B很快增加(ab段)，过b点后，B的增加缓慢了；过了c点，H虽增加，而B几乎不变，这时磁介质的磁化达到了饱和。从o点到饱和状态c的这一段B H曲线，称为铁磁质的起始磁化曲线。铁磁质的B与H间不是线性关系，若仍按B＝μH定义磁导率，则铁磁质的μ也不是常数，它是随H的变化而变化的。当铁磁质磁化达饱和后，若相继减小H，反向增大H，反向减小H和正向增大H来变化H，则B随H变化的关系曲线如图2所示，这一闭合曲线称为磁滞回线。

磁滞是指铁磁质磁化状态的变化总是落后于外加磁场的变化。例如在b点，H＝0，B却还有剩磁Br，在OC范围内，H已经反向，而B 还没有反向等。

磁滞现象表明，铁磁质的磁化过程是不可逆过程，在磁化过程中有能量损失，这种损失称为磁滞损耗。理论计算表明，铁磁质在缓慢磁化情况下，沿磁滞回线经历一个循环过程的磁滞损耗正比于磁滞回线的面积。

磁滞回线表明B和H间不仅不是线性关系，而且不是单值关系，对应于一个H，有几个不同的B值，B值等于多少，取决于磁化经历的过程，即磁化的“历史”。当H＝0时，B≠0，而B＝Br，这种现象叫剩磁现象。剩磁现象使制造永久磁铁成为可能，同时利用这种现象还可构成各种具有记忆功能的器件，如磁带、磁盘、磁鼓等。使剩磁现象消失的反向磁场H c，称为铁磁质的“矫顽力”，按照Hc的不同，将铁磁质分为硬铁磁质和软铁磁质。其中Hc小者易磁化也易去磁，叫软磁质，它适宜于制作电机、变压器和收录机磁头的磁芯等；Hc大者，不易磁化也不易去磁，叫硬磁质，它适宜于制造永久性磁铁，磁带等。

铁磁质还有一个温度特性，即当温度升高到某一临界温度Tc时，

其铁磁性将消失，Tc称为铁磁质的居里点。如纯铁的Tc＝1040K，镍

的Tc＝631K，钴的Tc＝1388K等。

(3)铁磁质的技术磁化过程

铁磁质的磁畴理论指出，在铁磁质内部，存在着许多自发饱和磁化的小区域，称为磁畴，按量子力学理论，这是由于铁磁质内部相邻的原子之间存在着非常强的电子“交换耦合作用”，才使相邻原子的磁矩形成坚固的平行排列而大小不一的磁畴。虽然每个磁畴中的原子磁矩排列整齐，但在没有外场时，大量磁畴磁矩的取向却是杂乱的，因之任何宏观区域的平均磁矩为零，铁磁质对外不显磁性。当铁磁质引入外磁场中后，随着外磁场的增强，各个磁畴将慢慢转向外磁场方向，当所有磁畴和外磁场方向相同时，磁化达到饱和状态。

剩磁和磁滞现象的发生，是由于磁化过程的不可逆性。在磁化场停止作用后，各磁畴之间的某种排列将保留下来，而表现为剩磁和磁滞现象。振动和加热都有促进去磁的作用，其原因就是振动和加热时使得排列整齐的磁畴又紊乱了起来，因而剩磁消失。

2．磁性材料分类

强磁性材料在电工设备和科研中应用非常广泛，若按化学成份和性能分，可分为金属磁性材料和非金属磁性材料两大族。

金属磁性材料是以铁、钴、镍为基础加其他元素熔炼加工而成的，其特点是：磁导率高，但导电率也高，因此在高频时受到限制(见电磁感应涡电流部分)。金属磁性材料又可分为硬磁(永磁)、软磁和压磁材料等。硬磁材料剩磁多，适宜制造永久磁铁，常用于电器电表中。软磁材料剩磁少，容易去磁，常作电磁铁、变压器、交流电机的铁芯。压磁材料具有强的磁致伸缩特性，即在磁场变化时，在磁场方向上有伸缩，尽管伸缩仅为原长的几万分之一，但利用此效应可作机电或声电等换能器，探测海洋深度和鱼群等。) 非金属磁性材料也叫铁氧体，是由Fe和NiO，ZnO，MnO等粉末混合烧结而成，所以也常称作磁性瓷。铁氧体磁导率和电阻率都很高，且磁滞回线近似矩形，所以广泛用作天线和电感磁芯以及电子计算机中的记忆元件。

3．铁磁质的应用

(1)交流去磁的应用

彩电是采用三基色原理来重现彩色图象的，屏幕内侧靠屏附近，装有一个开有许多小槽孔的钢板叫荫罩板，三束电子穿过这些小槽孔准确地打在相应的红、绿、蓝荧光粉条上。但荫罩板容易被磁化，荫罩板被磁化后会影响电子的运动，电子就不能正确打在相应的荧光粉条上，而使屏幕上某处出现色斑。因而彩电中都有自动去磁电路，在每次开机时利用交流去磁法去磁。彩电中一般是将去磁线圈与一具有正

温度系数的热敏电阻串联，这样每次开机时能在线圈中产生由大到小的急剧变化的交变电流，在荫罩板中的磁场按B H曲线变化，最后变为零，达到去磁的目的。

(2)磁介质在电视机调谐过程中的应用

铜是抗磁质，但相对磁导率接近于1，即它们对电流的磁场只产生微弱影响，这个特点被用在一些精密调谐中。将铜芯装在线圈中作为介质，若改变其深入在线圈中的长度，即可对线圈的电感量进行细调，机械调谐式电视机高频头就是利用这种原理对高频调谐器的本机振荡频率进行微调的，当铜锣钉逐渐伸入本振线圈之中时，电感量减小，本机振荡频率升高，而铜锣钉逐渐退出本振线圈时，电感量增加，本机振荡频率降低。

(3)磁饱和原理的应用

电视机中的磁饱和电抗器LT(也叫行线性调节器)由绕在铁氧体磁芯上的线圈和一可旋转调节的永久磁铁(作为偏置磁场)组成，串接在电视机行偏转支路上，通过调节偏置磁场Φ0(改变磁饱和点)来改变电流增长的速度，调节行扫描线性(光点水平扫描)速度的均匀性，它主要在屏幕右半段，可由均匀方格图象的方格宽度变化来观察。调节时，先让电视机接收方格图象信号，然后一边用改锥调节永久磁铁的方向，一边观察屏幕右半部分方格宽度的变化，这个变化即反映了磁芯的磁饱和点的变化。

(4)磁场对运动电子的作用

电视机中电子束的偏转采用的是磁偏转，电子束在水平方向和垂直方向的锯齿形的全磁场的作用下作偏转运动。若末加偏转电流时电子束正好打在屏幕中心(即偏转中心与屏幕的几何中心重合)，加上偏转电流时由扫描形成的光栅也正好以屏幕中心为对称。但电子枪的装配误差使偏转中心对屏幕几何中心总有偏离，为校正此误差，在偏转区加有两个中心位置调节磁片(套在显象管茎上的空心磁性塑料片)。调节这两个磁片可以得到任何方向的合成磁场，以校正偏转中心和屏幕几何中心的不一致。