磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)

磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)前面幾節(jié)主要研究了真空中運(yùn)動(dòng)電荷或電流所激發(fā)的磁場(chǎng).而在實(shí)際情況下，還存在著各種各樣的在磁場(chǎng)作用下能出現(xiàn)響應(yīng)并能反過(guò)來(lái)影響磁場(chǎng)的物質(zhì)，這種物質(zhì)稱(chēng)為磁介質(zhì).電介質(zhì)在外電場(chǎng)中將被極化，產(chǎn)生附加電場(chǎng)，使原有電場(chǎng)發(fā)生變化.同樣地，磁介質(zhì)在外磁場(chǎng)的作用下，也會(huì)產(chǎn)生附加磁場(chǎng)，使原有磁場(chǎng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為物質(zhì)的磁化.磁化過(guò)程使原來(lái)沒(méi)有磁性的物質(zhì)變得具有磁性，物質(zhì)的磁學(xué)特性是物質(zhì)的基本屬性之一.磁介質(zhì)的分類(lèi)一、實(shí)驗(yàn)表明，不同的磁介質(zhì)的磁性特征不同，因而對(duì)磁場(chǎng)的影響不同.假設(shè)真空的磁場(chǎng)中某場(chǎng)點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0，若放入磁介質(zhì)，則磁介質(zhì)將被原磁場(chǎng)B0磁化而在空間激發(fā)附加磁場(chǎng)，設(shè)其磁感應(yīng)強(qiáng)度為B′，那么該場(chǎng)點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B應(yīng)為這兩個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度的矢量和，即B=B0+B′

（9-40）一般會(huì)認(rèn)為，如電介質(zhì)被電場(chǎng)極化后所激發(fā)的附加電場(chǎng)總是削弱原有電場(chǎng)一樣，被磁化的磁介質(zhì)所激發(fā)的附加磁場(chǎng)也會(huì)削弱原磁場(chǎng)，即B的大小一定小于B0的大小.事實(shí)上，磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響比電介質(zhì)對(duì)電場(chǎng)的影響復(fù)雜得多，附加磁感應(yīng)強(qiáng)度B′的方向隨磁介質(zhì)的不同而不同.有一些磁介質(zhì)，其B′的方向與B0的方向相同，使得B>B0，這種磁介質(zhì)稱(chēng)為順磁質(zhì)，如鋁、氧、錳、鉑等；還有一種磁介質(zhì)，其B′的方向與B0的方向相反，使得B<B0，這種磁介質(zhì)稱(chēng)為抗磁質(zhì)，如水銀、銅、鉍、硫、氯、氫、金、銀、鉛、鋅等.自然界所有的實(shí)物物質(zhì)都是磁介質(zhì)，磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響通常都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的.現(xiàn)有一長(zhǎng)直螺線(xiàn)管，在導(dǎo)線(xiàn)中通以電流I，測(cè)出管內(nèi)真空條件下的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0；然后保持電流I不變，將管內(nèi)均勻地充滿(mǎn)某種各向同性的磁介質(zhì)，再測(cè)出管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，B和B0的方向相同，大小不同，它們之間的關(guān)系可表示為B=μrB0（9-41）式中，μr為磁介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率，它與磁介質(zhì)的種類(lèi)有關(guān).對(duì)于順磁質(zhì)，B>B0，μr>1；對(duì)于抗磁質(zhì)，B<B0，μr<1；對(duì)于鐵磁質(zhì)，B>B0，μr>1.順磁質(zhì)是μr略大于1的磁介質(zhì).自然界中的大多數(shù)物質(zhì)是順磁質(zhì).抗磁質(zhì)是μr略小于1的磁介質(zhì).從表9-2可以看出，無(wú)論是順磁質(zhì)還是抗磁質(zhì)，它們的相對(duì)磁導(dǎo)率與l相差很小.因而，在工程技術(shù)中常不考慮它們的影響，而直接當(dāng)作μr=1的真空情況來(lái)處理.鐵磁質(zhì)是μr遠(yuǎn)大于1的磁介質(zhì)，而且它的量值還隨外磁場(chǎng)B0的大小發(fā)生變化.它們對(duì)磁場(chǎng)影響很大，工程技術(shù)上的應(yīng)用也很廣泛.另外還有一類(lèi)物質(zhì)，即處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)材料，當(dāng)它處于外磁場(chǎng)中并被磁化后，其所激發(fā)的附加磁場(chǎng)在超導(dǎo)材料內(nèi)能夠完全抵消磁化它的外磁場(chǎng)，使超導(dǎo)材料內(nèi)部的磁場(chǎng)為零.這說(shuō)明處于超導(dǎo)狀態(tài)下的物質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率μr=0，超導(dǎo)材料的這一性質(zhì)稱(chēng)為完全抗磁性.弱磁介質(zhì)的磁化二、在此只討論弱磁介質(zhì)的磁化機(jī)理.實(shí)物物質(zhì)分子或原子的微觀(guān)電結(jié)構(gòu)理論表明，分子或原子中的每個(gè)電子都同時(shí)參與了兩種運(yùn)動(dòng)：一是電子繞核的軌道運(yùn)動(dòng)；二是電子本身的自旋.電子的這些運(yùn)動(dòng)形成了微小的圓電流，這樣的圓電流對(duì)應(yīng)有相應(yīng)的磁矩，把兩種對(duì)應(yīng)的磁矩分別稱(chēng)為軌道磁矩和自旋磁矩.一個(gè)分子中所有的電子軌道磁矩和自旋磁矩的矢量和稱(chēng)為該分子的固有磁矩，用符號(hào)Pm表示，它可以看成是由一個(gè)等效的圓形分子電流產(chǎn)生的.順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的區(qū)別就在于它們的分子或原子的電結(jié)構(gòu)不同.研究表明，抗磁質(zhì)分子在沒(méi)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，分子的固有磁矩為零.而順磁質(zhì)分子在沒(méi)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，分子的固有磁矩卻不為零，但由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，各分子的磁矩取向是雜亂無(wú)章的.因此，在沒(méi)有外磁場(chǎng)時(shí)，不管是順磁質(zhì)還是抗磁質(zhì)，宏觀(guān)上對(duì)外都不呈現(xiàn)磁性.在外磁場(chǎng)B0作用下，分子中每個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)將更加復(fù)雜，除了保持上述兩種運(yùn)動(dòng)外，還要附加一種以外磁場(chǎng)方向?yàn)檩S線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，這種轉(zhuǎn)動(dòng)也相當(dāng)于一個(gè)圓電流，因而引起一個(gè)附加磁矩，其方向總是與外磁場(chǎng)B0的方向相反，一個(gè)分子內(nèi)所有電子的附加磁矩的矢量和稱(chēng)為分子在磁場(chǎng)中所產(chǎn)生的附加磁矩，用符號(hào)ΔPm表示.在外磁場(chǎng)B0作用下，順磁質(zhì)分子產(chǎn)生附加磁矩ΔPm，但它比分子的固有磁矩小得多，即對(duì)順磁質(zhì)而言，ΔPm>Pm，因而附加磁矩可以忽略不計(jì).順磁質(zhì)分子的固有磁矩將受到外磁場(chǎng)的力矩作用.在磁力矩作用下，各分子固有磁矩將因受分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的阻礙而不同程度地沿著B(niǎo)0的方向排列起來(lái).圖9-42弱磁介質(zhì)的磁化（a）順磁質(zhì)

（b）抗磁質(zhì)如圖9-42（a）所示.對(duì)抗磁質(zhì)而言，分子的固有磁矩為零，只有與B0方向相反的分子附加磁矩，如圖9-42(b)所示.考慮一長(zhǎng)直螺線(xiàn)管內(nèi)部均勻充滿(mǎn)某種順磁質(zhì)磁介質(zhì)的情形，設(shè)線(xiàn)圈中的電流在管內(nèi)產(chǎn)生勻強(qiáng)外磁場(chǎng)B0，如圖9-43(a)所示.這時(shí)，在磁力矩的作用下，順磁質(zhì)中每個(gè)分子的磁矩將趨向于B0的方向，與分子磁矩相對(duì)應(yīng)的分子電流平面將趨向于與磁場(chǎng)方向相垂直，圖9-43(b)給出了磁介質(zhì)內(nèi)任一橫截面上分子電流的排列情況.由圖9-43(b)可以看出，形成沿截面邊緣的一個(gè)大環(huán)形電流，如圖9-43(c)所示.由于在各個(gè)橫截面的邊緣都出現(xiàn)這種環(huán)形電流，宏觀(guān)上相當(dāng)于在介質(zhì)圓柱體表面上有一層電流流過(guò)，這種電流稱(chēng)為磁化電流，也稱(chēng)為束縛電流，用符號(hào)I′表示.圖9-43磁化電流無(wú)論是哪一種磁介質(zhì)的磁化，其宏觀(guān)效果都是在磁介質(zhì)的表面出現(xiàn)磁化電流.磁化電流和傳導(dǎo)電流一樣要激發(fā)磁場(chǎng)，順磁質(zhì)的磁化電流方向與磁介質(zhì)中外磁場(chǎng)的方向成右手螺旋關(guān)系，它激發(fā)的磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)方向相同，因而使磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)加強(qiáng).抗磁質(zhì)的磁化電流的方向與外磁場(chǎng)的方向成左手螺旋關(guān)系，它激發(fā)的磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)方向相反，因而使磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)減弱.磁介質(zhì)中磁場(chǎng)的基本定理三、下面將進(jìn)一步討論有磁介質(zhì)時(shí)磁場(chǎng)的基本定理，采用處理電介質(zhì)問(wèn)題的類(lèi)似的方法，將真空中的安培環(huán)路定理和磁場(chǎng)高斯定理推廣到磁介質(zhì)中，從而得到磁場(chǎng)更普遍的規(guī)律.有磁介質(zhì)存在時(shí)的磁場(chǎng)高斯定理1.在磁場(chǎng)中有磁介質(zhì)存在時(shí)，由于磁介質(zhì)表面因磁化而出現(xiàn)磁化電流I′，因此在介質(zhì)內(nèi)外任一點(diǎn)處的總磁感應(yīng)強(qiáng)度B應(yīng)是導(dǎo)體中傳導(dǎo)電流激發(fā)的磁場(chǎng)B0和磁化電流激發(fā)的磁場(chǎng)B′的矢量和，即B=B0+B′

實(shí)驗(yàn)證實(shí)，不論是磁化電流還是傳導(dǎo)電流，在產(chǎn)生磁場(chǎng)方面是等效的，兩者所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁感線(xiàn)均為環(huán)繞電流的閉合曲線(xiàn)，都屬于渦旋場(chǎng).因此，在有磁介質(zhì)存在時(shí)，高斯定理仍成立，即

∮SB·dS=0（9-42）其中，B應(yīng)理解為外磁場(chǎng)B0和磁化電流產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)B′的合磁場(chǎng).因此，式（9-42）就是有磁介質(zhì)磁場(chǎng)的高斯定理.有磁介質(zhì)存在時(shí)的安培環(huán)路定理2.由于磁介質(zhì)在磁場(chǎng)中要發(fā)生磁化，磁化電流產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)對(duì)原磁場(chǎng)要產(chǎn)生影響，此時(shí)的安培環(huán)路定理應(yīng)包含磁化電流I′的影響，即

∮LB·dl=μ0∑I0+∑I′

（9-43）式中，∑I0和∑I′分別表示穿過(guò)環(huán)路L的傳導(dǎo)電流和磁化電流.由于磁化電流I′很難測(cè)量，因而引入有介質(zhì)時(shí)的安培環(huán)路定理.傳導(dǎo)電流激發(fā)的磁場(chǎng)滿(mǎn)足安培環(huán)路定理，即

∮LB0·dl=μ0∑I0式中，I0為傳導(dǎo)電流.式（9-46）表明，磁場(chǎng)強(qiáng)度H沿任一閉合回路的環(huán)流，等于閉合回路所包圍并穿過(guò)的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和，而在形式上與磁介質(zhì)中的磁化電流無(wú)關(guān).無(wú)論是有磁介質(zhì)存在還是真空情況，這個(gè)規(guī)律都適用.因此，磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理更具普遍性，真空中的安培環(huán)路定理是它的特例.它是麥克斯韋電磁場(chǎng)理論中的重要方程之一，用它可方便地處理磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)計(jì)算問(wèn)題.類(lèi)似于真空情況，在磁場(chǎng)及磁介質(zhì)的分布具有某些特殊對(duì)稱(chēng)性時(shí)，可以利用磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理依據(jù)傳導(dǎo)電流的分布求出磁場(chǎng)強(qiáng)度H的分布，再由磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系求出B的分布.鐵磁質(zhì)四、對(duì)于順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)，它們的相對(duì)磁導(dǎo)率μr近似等于1，因此，在外磁場(chǎng)中，磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)并不會(huì)有顯著的變化.而且，有外磁場(chǎng)存在時(shí)，介質(zhì)中的磁場(chǎng)B不會(huì)為零，若外磁場(chǎng)減小到零，則B也變?yōu)榱?但另一類(lèi)磁介質(zhì)卻有著完全不同的性質(zhì)，這就是鐵磁質(zhì).鐵磁質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率μr>1，一般可達(dá)102~104，超坡莫合金最高可達(dá)106.因此，鐵磁質(zhì)可大大增強(qiáng)原磁場(chǎng)，在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用.鐵磁質(zhì)在磁場(chǎng)中所起的作用特別大，可以使磁場(chǎng)增強(qiáng)幾百倍.為什么鐵磁質(zhì)會(huì)有這種性質(zhì)?在鐵、鈷、鎳等元素的原子中，電子的結(jié)構(gòu)比較特殊，在某一內(nèi)殼層尚未填滿(mǎn)電子前，次外殼層就出現(xiàn)了電子.這樣在滿(mǎn)殼層中電子自旋磁矩相互抵消而不會(huì)出現(xiàn)，因此這些原子具有特別大的磁矩.由于原子間的相互作用很強(qiáng)，以致能使小區(qū)域內(nèi)各原子的磁矩都沿同一方向排列.但是，如果溫度足夠高，熱運(yùn)動(dòng)使這些原子彼此掙脫束縛而失去有序排列，發(fā)生這一情況的溫度稱(chēng)為居里點(diǎn).純鐵的居里點(diǎn)為770℃，純鎳的居里點(diǎn)為358℃，純鈷的居里點(diǎn)為1115℃.高于居里點(diǎn)溫度時(shí)，鐵磁質(zhì)就像一般的順磁質(zhì).低于居里點(diǎn)溫度時(shí)，鐵磁質(zhì)中存在著稱(chēng)為磁疇的小區(qū)域，在每個(gè)小磁疇中，所有原子磁矩都整齊地排列在同一方向，如圖9-45所示.圖9-45無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的磁疇若給鐵磁質(zhì)加上外磁場(chǎng)，則與外磁場(chǎng)方向接近的磁疇會(huì)增大，而逆著外磁場(chǎng)方向的磁疇隨之縮小.這樣，磁矩順著外磁場(chǎng)方向排列的原子數(shù)增多，如果以橫坐標(biāo)表示外磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H，縱坐標(biāo)表示鐵磁質(zhì)中所觀(guān)察到的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，畫(huà)出磁化過(guò)程中B隨H變化的曲線(xiàn)該曲線(xiàn)稱(chēng)為磁化曲線(xiàn)，如圖9-46所示.圖9-46起始磁化曲線(xiàn)當(dāng)外磁場(chǎng)H減小時(shí)，B也隨之減小，但是變化曲線(xiàn)是不可逆的，這是由于磁疇變化時(shí)顯示出類(lèi)似摩擦效應(yīng)的特征.磁疇不會(huì)變成完全雜亂的取向，而是部分保留它們?cè)瓉?lái)的排列方向.如圖9-47所示圖9-47磁滯回線(xiàn)如果使外磁場(chǎng)取更大的負(fù)值，磁介質(zhì)就會(huì)在反方向磁化，B沿曲線(xiàn)DE變化.若使H再降為零，回到A點(diǎn).重復(fù)上述變化，磁介質(zhì)將沿上述曲線(xiàn)反復(fù)磁化.圖9-48所示的曲線(xiàn)為三種鐵磁質(zhì)的磁滯回線(xiàn).當(dāng)磁介質(zhì)反復(fù)磁化時(shí)，可以證明，磁滯回線(xiàn)所包圍的面積正比于轉(zhuǎn)換為熱能形式的能量損耗.圖9-48三種鐵磁質(zhì)的磁滯回線(xiàn)采用適當(dāng)?shù)暮辖鸪煞趾蜔崽幚?，能夠制成具有各種不同磁滯特性的鐵磁質(zhì)材料.磁滯回線(xiàn)的面積越大,磁滯損耗也就越大.因此，在交變磁場(chǎng)中應(yīng)用的設(shè)備，如電器中的變壓器、電磁鐵、電機(jī)鐵心等，應(yīng)選用磁滯曲線(xiàn)狹長(zhǎng)，面積小的磁介質(zhì)，以減小磁滯損耗引起的能量損耗，否則這種能量損耗會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，?yán)重時(shí)會(huì)燒毀設(shè)備.這類(lèi)鐵磁質(zhì)稱(chēng)為軟磁材料，如硅鋼、坡莫合金等，如圖9-48(

a

)所示.還有一些鐵磁質(zhì)，如釹鐵硼合金等，其矯頑力HD很大，為104~106A/m

.因此，材料的剩余磁感強(qiáng)度Bτ很大，這類(lèi)材料稱(chēng)為硬磁材料，也常稱(chēng)為永磁體，其磁滯回線(xiàn)如圖9-48(b)所示.它們常用于揚(yáng)聲器、電表上.還有的鐵磁質(zhì)，其磁滯回線(xiàn)接近于矩形