【文章內(nèi)容簡介】 內(nèi)將產(chǎn)生與外磁場方向相反的的感生磁矩。這便是抗磁效應的來源。 應當指出，上述抗磁效應在具有固有磁矩的順磁質(zhì)分子中同樣存在，只不過它們的順磁效應比抗磁效應強得多，抗磁性被掩蓋了。 講到物質(zhì)的抗磁效應，順便提一下超導體的一個特性。在第三章 的一個基本特性，即在轉(zhuǎn)變溫度 以下電阻完全消失，但是超導體最根本的特性還是它的磁學性質(zhì)—— 完全抗磁性。如圖 622，將一塊超導體放在外磁場中，其體內(nèi)的磁感應強度 永遠等于 0。這種現(xiàn)象叫做 邁斯納效應 。 在普通的抗磁體內(nèi)，由于 與 方向相反， 要減小一些。而超導體內(nèi)的 完全減小到 0的事實表明，它好像是一個磁化率 ， 的抗磁體，這樣的抗磁體可以叫做完全抗磁體。但是造成超導體抗磁性的原因和普通的抗磁體不同， 順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)其中的感應電流不是由束縛在原子中的電子的軌道運動形成的，而是其表面的超導電流。在增加外磁場的過程中，在超導體的表面產(chǎn)生感應的超導電流，它所產(chǎn)生的附加磁感應強度將體內(nèi)的磁感應強度完全抵消。當外磁場達到穩(wěn)定值后，因為超導體沒有電阻，表面的超導電流將一直持續(xù)下去。這就是超導體的完全抗磁性的來源。 超導體的完全抗磁性可以用圖 623所示的實驗演示出來。將一個鍍有超導材料 (例如鉛 )的乒乓球放在鉛直的外磁場中，由于它的磁化方向與外磁場相反，它將受到一個向上的排斥力。這排斥力 與重力 平衡時，球就懸浮在空中。當重力發(fā)生微小的變化時，乒乓球就會上下移動。若用特殊的方法把球的位置上下變化的情況精確地記錄下來，就可以精確地測定重力的微小變化。根據(jù)這個原理，可以造出極靈敏的超導重力儀來。 鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律在各種磁介質(zhì)中最重要的是以鐵為代表的一類磁性很強的物質(zhì)，它們叫做 鐵磁質(zhì) 。在純化學元素中，除鐵之外 ,還有過渡族中的其它元素 (鈷、鎳 )和某些稀土族元素 (如釓、鏑、鈥 )具有鐵磁性。然而常用的鐵磁質(zhì)多數(shù)是鐵和其它金屬或非金屬組成的合金 ,以及某些包含鐵的氧化物 (鐵氧體 )。 先介紹鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律，即研究 和 或 和 之間的依賴關(guān)系。這種關(guān)系通常用以下的實驗方法來測定。 如圖 624所示，把待測的磁性材料做成閉合環(huán)狀，其上均勻地繞滿導線，這樣就形成一個為鐵芯所充滿的螺繞環(huán)。我們知道，在這樣一個螺繞環(huán)中的磁場強度 是和磁化場的磁場強度 一樣的，而 可以由螺繞環(huán)的匝數(shù) 和其中的電流 計算出來，從而也就知道了 。至于磁感應強度 ，則可用一個接在沖擊電流計上的次級線圈來測量。當初級線圈（即螺繞環(huán)）中的電流反向時，在次級線圈中將產(chǎn)生一個感應電動勢，由此我們測出磁感應強 鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律度的變化來。知道了 和 ，根據(jù)公式 即可算出磁化強度 來，即（ 1）起始磁化曲線實驗結(jié)果表明，鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律具有以下的共同特點。假設(shè)磁介質(zhì)環(huán)在磁化場 （即 ）的時候處于未磁化狀態(tài) ()，在 曲線 (圖 625a)上這狀態(tài)相當于坐標原點 在逐漸增加磁化場 的過程中 ,隨之增加。開始 增加得較緩慢 (曲線的 OA段） ,然后經(jīng)過一段急劇增加的過程 (AB段 ),又緩慢下來 (BC段 )。再繼續(xù)增大磁化場時， 幾乎不再變了 (CS段 )。我們說，這時介質(zhì)的磁化已趨近飽和。飽和時的磁化強度稱為 飽和磁化強度 ，通常用 表示。從未磁化到飽和磁化的這段磁化曲線 OS，叫做鐵磁質(zhì)的 起始磁化曲線 。 鐵磁質(zhì)的磁化特性還經(jīng)常用 鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律曲線來表示。由于在鐵磁質(zhì)中 的數(shù)值比 大得多 ( 倍 ),所以 ,因而 曲線的外貌和 曲線差不多 (圖 625b)。 從 和 曲線上任何一點聯(lián)到原點 的直線的斜率分別代表該磁化狀態(tài)下的磁化率 和磁導率 。由于磁化曲線不是線性的，當 的數(shù)值由 0開始增加時， 與 的數(shù)值分別由某一數(shù)值 和 開始增加 ( 和 分別是 和 曲線在原點 處切線的斜率 )，然后接近某一最大值 和 。當再增加時 ,由于磁化接近飽和 , 和 的數(shù)值都急劇減少。 隨 變化的曲線示于圖 626。 和 分別叫做起始磁化率和起始 (相對 )磁導率 , 和 分別叫做最大磁化率和最大 (相對 )磁導率。 飽和磁化強度 、起始磁導率 和最大磁導率 這三個概念在實際問題中經(jīng)常引用，它們是標志軟磁材料性能好壞的基本量，這個問題我們將在下面介紹軟磁材料時討論。 鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律（ 2） 磁滯回線當鐵磁質(zhì)的磁化達到飽和之后，如果將磁化場去掉 ( ),介質(zhì)的磁化狀態(tài)并不恢復到原來的起點 ,而是保留一定的磁性 ,此過程反映在圖 627a、 b中的 段。這時的磁化強度 和磁感應強度 叫做 剩余磁化強度 和 剩余磁感應強度 (圖中的 ),通常分別用 和 代表它們 ( )。若要使介質(zhì)的磁化強度減到 0，必須矯枉過正，加一相反方向的磁化場 ( )。只有當反方向的磁化場大到一定程度時 ,介質(zhì)才完全退磁 (即達到 或 的狀態(tài) )。使介質(zhì)完全退磁所需的反向磁化場的大小，叫做這種鐵磁質(zhì)的 矯頑力 (圖 627的 ),通常用表示。從具有剩磁的狀態(tài)到完全退磁的狀態(tài)這一段曲線 ，叫做 退磁曲線 。 鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律介質(zhì)退磁后，如果反方向的磁化場的數(shù)值繼續(xù)增大時 ,介質(zhì)將沿相反方向磁化 ( ),直到飽和 (曲線的 段 )。一般說來 ,反向的飽和磁化強度的數(shù)值與正向磁化時一樣。此后若使反方向的磁化場數(shù)值減小到 0，然后又沿正方向增加 ,介質(zhì)的磁化狀態(tài)將沿 回到正向飽和磁化狀態(tài) 。曲線 和 對于坐標點 是對稱的。由此我們看到 ,當磁化場在正負兩個方向上往復變化時，介質(zhì)的磁化過程經(jīng)歷著一個循環(huán)的過程。閉合曲線 叫做鐵磁質(zhì)的 磁滯回線 。上面描述的現(xiàn)象叫做 磁滯現(xiàn)象 。由于鐵磁質(zhì)中存在著磁滯現(xiàn)象，使它的磁化規(guī)律更加復雜了。鐵磁質(zhì)的 、 和 的依賴關(guān)系不僅不是線性的，而且也不是單值的。也就是說，給定一個 的值，不能唯一地確定介質(zhì)的 和 ，例如 由正值減小到 0時， 、 ， 由負值減小到 0時， 、 。所以對于同一個 值， 和 的數(shù)值等于多少與介質(zhì)經(jīng)歷怎樣的磁化過程達到這個狀態(tài)有關(guān)，或者說， 和 的數(shù)值除了與 的數(shù)值有關(guān)外，還取決于這介質(zhì)的磁化歷史。 實際上鐵磁質(zhì)磁化的規(guī)律遠比上面描述的要復雜得多。上述磁滯回線只是外場的幅度足夠大時形成的最大磁滯回線。如果外場在上述循環(huán)過程的中途，變化方向突然改變，例如在圖 628中當介質(zhì)的磁化狀態(tài)到達 P 點時，負方向的外場由增加改為減小，這時介質(zhì)的磁化狀態(tài)并不沿原路折回，而是沿著一條新的曲線 PQ 移動。當介質(zhì)的磁化狀態(tài)到達 Q 點后，若外場的變化方向又改變，介質(zhì)的磁化狀 鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律態(tài)也不沿原來途徑返回 P點，而是在 PQ之間形成一個小的磁滯回線。如果外場的數(shù)值在這個小范圍內(nèi)往復變化（即在一定的直流偏場上疊加一個小的交流信號 ),介質(zhì)的磁化狀態(tài)便沿著這小磁滯回線循環(huán)。類似這樣的小磁滯回線，到處都可以產(chǎn)生。 當我們研究一個磁性材料的起始磁化特性時，需要首先使之去磁，亦即令其磁化狀態(tài)回到 圖中的原點 。為此我們必須使外場在正負值之間反復變化，同時使它的幅值逐漸減小，最后回到 。這樣才能使介質(zhì)的磁化狀態(tài)沿著一次比一次小的磁滯回線，最后回復到未磁化狀態(tài) 點（圖 629）。實際的作法，可以先把樣品放在交流磁場中，然后抽出。 磁滯回線下面我們要證明， 圖中磁滯回線所包圍的 “面積 ”代表在一個反復磁化的循環(huán)過程中單位體積的鐵芯內(nèi)損耗的能量。設(shè)介質(zhì)起初處于某一磁化狀態(tài) (圖 630),這里 , 。當 增加時，在時間 內(nèi)磁化狀態(tài)由 點達到 點， 的值增加到 。由于 的變化 ,在線圈中產(chǎn)生一個感應電動勢 ,其中 是線圈中的磁通匝鏈數(shù)， 是線圈的總匝數(shù)， 是截面積。在此過程中電源抵抗感應電動勢作的功為在有閉合鐵芯的螺繞環(huán)中 為線圈單位長度內(nèi)的匝數(shù) , 為螺繞環(huán)的周長 ,而 ,所以有式中 是鐵芯的體積 ,所以對于單位體積的鐵芯來說 ,電源需要抵抗感應電動勢作的功為 磁滯回線由此可見， 的數(shù)值等于圖 630中 段曲線左邊畫了斜線部分的 “ 面積 ” 。 當鐵芯的磁化狀態(tài)沿著磁滯回線經(jīng)歷一個循環(huán)過程時，對于單位體積的鐵芯來說，電源需要抵抗感應電動勢作的總功 應等于上式沿循環(huán)過程積分。沿 段積分時， ,積分的結(jié)果等于圖中 這塊 “ 面積 ” ；沿 段積分時， ， ，積分的結(jié)果等于圖中 “ 面積 ” 的負值；二者的代數(shù)和正好是 的 “ 面積 ” 。沿和 兩段積分的情況也類似，它們的代數(shù)和等于 的 “ 面積 ” ?？偲饋碚f，沿著整個磁滯回線 循環(huán)一周 ,積分的結(jié)果剛好是它所包圍的 “ 面積 ” 。所以對單位體積的鐵芯反復磁化一周電源作的功為 在交流電路的電感元件中 ,磁化場的方向反復變化著 ,由于鐵芯的磁滯效應 ,每變化一周 ,電源就得額外地作上述那樣的功 ,所傳遞的能量最終將以熱量的形式耗散掉。這部分因磁滯現(xiàn)象而消耗的能量，叫做磁滯損耗。在交流電器件中磁滯損耗是十分有害的，必須盡量使之減小。 鐵磁質(zhì)的分類（ 1）軟磁材料從鐵磁質(zhì)的性能和使用的方面來說，它主要按矯頑力的大小分為軟磁材料和硬磁材料兩大類。矯頑力很小的 叫做 軟磁材料 ；矯頑力大的叫做 硬磁材料 。矯頑力小，就意味著磁滯回線狹長 (圖 631)，它所包圍的 “ 面積 ” 小，從而在交變磁場中的磁滯損耗小。所以 軟磁材料適用于交變磁場中。無論電子設(shè)備中的各種電感元件，或變壓器、鎮(zhèn)流器和發(fā)電機中的鐵芯，都需要用軟磁材料來做。此外，繼電器、電磁鐵的鐵芯也需要用軟磁材料來做，以便在電流切斷后沒有 剩磁。 既然鐵芯的作用是增大線圈中的磁通量，這就要求磁性材料具有很高的磁導率 。這里要分兩種情形來討論：一種是用于各種電子電訊設(shè)備中的 軟磁材料，這里的電流很小 (所謂弱電的情形 ),鐵芯的工作狀態(tài)處于起始的一段磁化曲線上，因此要求材料的起始磁導率 高；另一種是用于電動機、發(fā)電機、電力變壓器等電力設(shè)備中的 軟磁材料，這里電流很大 (所謂強電的情形 ),鐵芯的工作狀態(tài)接近于飽和，因此要求材料的最大磁導率 高，而且飽和磁化強度 大。 鐵磁質(zhì)的分類此外，材料的電阻率 影響著渦流損耗的大小。電阻率越高，渦流損耗越小。特別是用于高頻波段的磁芯，對其電阻率的要求是比較高的。鐵氧體是鐵和其它一種或多種金屬 (如鋅、錳、銅、鎳、鋇等 )的復合氧化物由于它是非金屬磁性材料，其電阻率比金屬磁性材料高得多，在高頻和微波波段中，鐵氧體是不可缺少的磁性材料。表 64 典型軟磁材料的性能材 料 化學成分（ %） 安培 /米 （特斯拉） 特斯拉 （高斯） 104歐姆 米 居里點 ℃ 純鐵 10000 202300 () (21500) 10 770硅鋼（熱軋） 4硅 ,余為鐵 450 8000 () (19700) 60 690硅鋼（冷軋晶粒取向） ,余為鐵 600 10000 16() (20230) 50 70045坡莫合金 45鎳 ,余為鐵