前面讨论载流线圈产生磁场和变化的磁场产生感应电动势....docVIP

CH7 磁介质 前面讨论载流线圈产生磁场和变化的磁场产生感应电动势都是假定导体以外是真空，或者不存在磁性物质。但在实际中大多数情况下电感器件的线圈中都有铁芯。为了弄清铁芯在这里的作用，就要对磁介质有基本的认识。 本章主要内容 §1 有介质存在时静磁场的基本规律 磁介质的磁化 在磁场作用下能发生变化并能反过来影响磁场的媒质叫做磁介质。 ? 1、磁化：磁介质在磁场的作用下内部结构发生变化（并反过来影响磁场）的过程。 ? 2、磁介质的磁化的解释——分子磁矩说 安培认为，由于电子的运动，每个磁介质分子或原子都相当于一个环形电流，叫分子电流或束缚电流（区别于传导电流）。分子电流的磁矩叫分子磁矩。 无外磁场时，磁介质中各个分子磁矩取向杂乱无章，宏观上磁介质不显磁性； 磁介质放入外磁场中，介质中每个分子磁矩都要受到外电场的作用力矩T= Pm×B ，使得每个磁矩都要尽量转向外场的方向，这时在磁介质内任取一小体积ΔV，在ΔV所有分子磁矩的矢量和不为零，形成宏观磁化电流或束缚电流，这些电流又要激发附加电场B?,使得总电场 B= B0+ B? 。 例如，考虑一段插在线圈内的软铁棒，如图所示。按照安培的分子环流观点，棒内每个磁分子相当于一个环形电流。在没有外磁场的作用时，各分子环流的取向是杂乱无章的，如右图（a）所示，它们的磁矩相互抵消，宏观看来，软铁棒不显示磁性，称它处于未磁化状态。当线圈中通入电流后，它产生一个外磁场（这个由外加电流产生，并与之成正比的磁场，又叫磁化场，产生磁化场的外加电流叫励磁电流。在磁化场的力矩作用下，各分子环流的磁矩在一定程序上沿着场的方向排列起来（如图b）所示。这时称软铁棒磁化了。如图（b）右方是磁化了的软铁棒的横截面图。由图可以看出，当介质均匀时，由于分子环流的回绕方向一致在介质内部任何两个分子环流中相邻的那一对电流元方向总是彼此相反，它们的效果相互抵消，只有在横截面边缘上的各段电流元未被抵消，宏观看来，这横截面内所有分子环流的总体与沿截面边缘的一个大环形电流等到效，如图（c）右方。由于在各个截面的边缘上都出现了这类环形电流（宏观上叫它为磁化电流），整体看来，磁化了的软铁棒就象一个由磁化电流组成的“螺线管”（如图c左方）。这个磁化电流的“螺线管”产生的磁感应强度的分布如下图所示。它在棒的内部的方向与磁化场的方向一致，所以在棒内的总磁感应强度比没有铁芯时的磁感应强度大了。这就是为什么铁芯能够使磁感应通量增加的道理。 正如讨论电介质时必须区分极化电荷和非极化电荷（即自由电荷）一样，讨论磁介质时也必须区别磁化电流和非磁化电流也叫励磁电流。前者是分了电流因磁化而呈现的宏观电流，它不伴随着带电粒子的宏观位移。非磁化电流也叫传导电流或自由电流。 ?3、磁化强度 ??? 定义： ?它是一个宏观矢量点函数。其中是物理无限小。如果磁介质中各点磁化强度相同，则说它是均匀磁化的。 例如，软铁棒，安它处于未磁化状态时，各个分子磁矩的取向杂乱无章，它们的矢量和，从而棒内的磁化强度。在有磁化场的情况下，棒内的分子磁矩在一定程度上沿着方向排列起来，这时各分子磁矩的矢量和将不为0，且合成矢量具有的方向，从而磁化强度矢量就是一个沿方向的矢量。分子磁矩定向排列和程度越高，它们的矢量和的数值就越大，从而磁化强度的数值就越大。可见，上述定义的磁化强度确是一个能够反映介质磁化状态的物理量。 4、磁介质的分类 实践和理论都表明，磁介质按其磁特性可以分为三类：顺磁质、抗磁质和铁磁质。 （1）顺磁质：分子的固有磁矩不为零（线性磁介质）??? 每个分子中的各电子的运动对外总的磁效应可等效一个小环形电流（形成分子固有磁矩）。（物理无限小体元中在大量分子，无外磁场时总磁矩为0；同时每个分子中有多个电子） （2）抗磁质：分子的固有磁矩为零（线性磁介质）??? 每个分子中的各电子的运动对外总的磁效应为零（形成分子固有磁矩为零）。 （3）铁磁质：非线性磁介质，情况复杂，后面单独讨论。 5、磁化规律（各向同性的线性磁介质） 顺磁质、抗磁质的磁特性与铁磁质有很大不同，可以合称为非铁磁质；非铁磁质又有各向同性与各向异性之分。实验表明，一般情况下，对各向同性的非铁磁质中的每一宏观点，其磁化强度与磁感应强度的方向平行（对顺磁质，两者同向；对抗磁质，两者反向），大小成正比，可以写成； ?? ? g与材料性质有关，顺磁质大于0，抗磁质小于0。注意，虽然传导电流激发的外磁场是引起磁化的原因（永磁体除外），但磁介质一旦磁化，其磁化电流激发的同样要影响磁介质中各点的磁化电流，所以，上式中的是两者的总磁场。上述关系电介质中的对应，其中是反映磁介质每点磁特性的量，类似于电介质中的极化率（确切地是）。 二、磁化电流面密度与磁化强度矢量M的关系 正如电介质的极化电荷与极化强度密切有关一样，磁