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壹.磁化率和磁導率
定義:實驗證明,如果磁介質是各向同性的,在外磁場不太強的情況下,任壹點的磁化強度與磁場強度H之間有如下關系:,式中 為磁介質的磁化率,它是只和磁介質的性質有關的純數。
將 代入可得:
這更直接地表達了磁介質中任意點的B與H的關系,式中:,是磁介質的相對磁導率: 稱為磁介質的磁導率。
磁介質的分類:如果能在同壹傳導電流的磁場中,先後測出在真空和充滿某種磁介質時的磁感強度 和B,則它們的比值就是該磁介質的相對磁導率 ,即:
按 值的不同,磁介質分為三類:
(1):順磁質,如氧、鋁、鎢、鉑、鉻等。
(2):抗磁質,如氮、水、銅、銀、金、鉍等。表示完全抗磁性,如超導體是理想的抗磁體。
(3):鐵磁質,如鐵、鈷、鎳等。
二.鐵磁質
壹、鐵磁質的性質: 鐵磁質的最主要特性是磁導率非常高,在同樣的磁場強度下,與真空或弱磁材料相比,鐵磁質中磁感強度大幾百倍甚至幾萬倍。鐵磁質還具有壹些不同於弱磁材料的特性:鐵磁質的磁感強度B與磁場強度H的關系是非線性關系,鐵磁質的磁導率不是恒量,會隨磁場強度H的改變而變化,而且鐵磁質的磁化過程是不可逆的,具有磁滯現象,壹般用磁滯回線來描述。
二.鐵磁質的磁化規律: 用待測的鐵磁質為芯制成螺線環,當線圈中通以電流I時,環內的磁場強度H =nI ,通過測量電流I,就知道了鐵磁芯磁化的磁場強度H 。在螺線環的鐵芯上切開壹個小開口,因磁感應強度的法向分量在切口和鐵芯中連續,故用小線圈在開口處測量的B就是環路中的磁感應強度。根據:,可以測出磁化率。因鐵磁質的B~H 的關系不是線性的,故鐵磁質的不是常數,它是隨H的變化而變的。
磁化曲線表示磁場強度H 和磁感應強度B 的關系。實驗開始時I = 0,未經磁化的鐵芯中H = 0,B = 0,這壹狀態相當於B~H 圖上的原點O,逐漸增大線圈中的電流I ,相應地H = nI 按比例增大,開始時(即oa段) B 增加較慢,接著(即ab段) B 很快增加,但過了b點後,B 增加減慢,過了c點,再增加H ,B幾乎不再增加,這時鐵芯磁化達到飽和。從O到達飽和狀態c這壹段B~H曲線稱為磁芯的起始磁化曲線。當外加磁場由強逐步減弱至H =0時,鐵磁質中的B不為零,而是B =Br ,Br稱為剩余磁感應強度,簡稱剩磁。要消除剩磁,使鐵磁質中的B恢復為零,需要加上反向磁場強度Hc,Hc稱為矯頑力。 若使反向電流繼續增加,以增加反向磁場強度H,磁化達到反向的飽和狀態f點。若將電流改回原來方向,磁化曲線就會形成壹閉合曲線。這就是鐵磁質的磁滯回線。在鐵磁質的磁化過程中,鐵磁質磁化狀態的變化總是落後於外加磁場的變化。這就是磁滯現象。
三.鐵磁質的磁化機制:鐵磁性主要來源於電子的自旋磁矩。相鄰原子的電子之間存在著很強的“交換作用”,這是壹種量子效應。它促使自旋磁矩趨向能量較低的平行排列狀態,形成磁疇(magnetic domain)。可見磁疇是自發的磁化區域。磁疇的體積約為10-12--10-8米3,其中含有約1017--1021個分子 。 磁疇可用全相顯微鏡觀測。在無外磁場的作用下磁疇取向平均抵消,能量最低,不顯磁性。 在外磁場較弱時,自發磁化方向與外磁場方向相同或相近的那些磁疇逐漸增大(疇壁位移),在外磁場較強時,磁疇自發磁化方向作為壹個整體,不同程度地轉向外磁場方向。當全部磁疇都沿外磁場方向時,鐵磁質的磁化就達到飽和狀態。飽和磁化強度等於每個磁疇中原來的磁化強度,該值很大,這就是鐵磁質磁性強的原因。
磁滯現象是由於摻雜和內應力等的作用,當撤掉外磁場時磁疇的疇壁很難恢復到原來的形狀,而表現出來。磁致伸縮是因磁疇在外磁場中的取向,改變了晶格間距而引起的。當溫度升高時,熱運動會瓦解磁疇內磁矩的規則排列;在臨界溫度(居裏點)時,鐵磁質完全變成了順磁質。
四.鐵磁質的分類: 根據鐵磁質的矯頑力Hc的大小,將鐵磁材料分成軟磁、硬磁和矩磁材料。
(1) 軟磁材料: 磁純鐵,矽鋼坡莫合金(Fe,Ni),鐵氧體等。易磁化、易退磁。飽和磁感應強度大,矯頑力(Hc)小,磁滯回線呈細長型,在交變磁場中剩磁易於被清除,適用於繼電器、電機、以及各種高頻電磁元件的磁芯、磁棒。
(2) 硬磁材料:鎢鋼,碳鋼,鋁鎳鈷合金等。磁滯回線寬肥,磁化後可長久保持很強磁性,適於制成磁電式電表中的永磁鐵、耳機中的永久磁鐵、永磁揚聲器。
(3) 矩磁材料:錳鎂鐵氧體,鋰錳鐵氧體等。磁滯回線呈矩形,在兩個方向上的剩磁可用於表示計算機二進制的“0”和“1”,故適合於制成“記憶”元件。另外,利用鐵磁質的磁致伸縮效應,可用來做換能器,在超聲及檢測技術中大有作為。