[科普中國(guó)]-磁特性

磁特性指材料在磁的作用下表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)，通?？衫斫鉃榇判?，其大小用磁導(dǎo)率衡量。

磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率表示材料被磁化的難易程度，用符號(hào)μ表示，單位為亨每米(H/m)。為了比較各種材料的導(dǎo)磁能力，把任何一種材料的磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率的比值，稱為這種材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，用以μr表示。

不同材料，因?yàn)槠錁?gòu)成物質(zhì)不同，導(dǎo)致其磁導(dǎo)能力大小存在差異。研究中一般將真空下的磁導(dǎo)能力設(shè)為1，則抗磁性材料的相對(duì)磁導(dǎo)率小于1；反之，順磁性材料的相對(duì)磁導(dǎo)率就大于1。在順磁性材料中，相對(duì)磁導(dǎo)率的大小差異也很大，從略大于1到幾百甚至數(shù)千不等。鐵磁性材料是最典型的順磁性材料之一，且其相對(duì)磁導(dǎo)率往往都在數(shù)百以上的級(jí)別，這其中最典型的鐵磁性材料是鐵、鈷、鎳等。

鐵磁材料屬于強(qiáng)磁體。近代的科學(xué)實(shí)踐表明，鐵磁材料的磁性主要來(lái)源于電子的自旋磁矩。在沒(méi)有外磁場(chǎng)的條件下，鐵磁材料中電子自旋磁矩可以在小范圍內(nèi)“自發(fā)”排列起來(lái)，形成一個(gè)個(gè)小的“自發(fā)磁化區(qū)”。這種自發(fā)磁化區(qū)稱為磁疇。每個(gè)磁疇都有各自的磁化方向，當(dāng)鐵磁性材料沒(méi)有被磁化時(shí)，磁疇方向各異，對(duì)外整體不顯磁性。當(dāng)外磁場(chǎng)從無(wú)到有、從弱到強(qiáng)時(shí)，磁疇的方向、位置和體積等都會(huì)發(fā)生變化。1

磁滯回線物質(zhì)的磁滯回線用來(lái)說(shuō)明在外磁場(chǎng)作用下的物質(zhì)被磁化的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的固有方式，這是物質(zhì)的基本特性之一。如圖1所示為物質(zhì)的磁滯回線曲線，由圖1可知，物質(zhì)的磁化過(guò)程磁場(chǎng)的強(qiáng)度變化可分以下幾個(gè)過(guò)程。

(1)平穩(wěn)起始區(qū)(圖中I區(qū))。在該磁場(chǎng)強(qiáng)度變化區(qū)，鐵磁構(gòu)件被外界磁場(chǎng)磁化的速度極為緩慢。

(2)急速變化區(qū)(圖中II區(qū))。鐵磁構(gòu)件的磁化率達(dá)到整個(gè)過(guò)程的頂點(diǎn)，在外磁場(chǎng)的作用下，鐵磁構(gòu)件的磁場(chǎng)強(qiáng)度迅速變大。

(3)近似飽和區(qū)(圖中III區(qū))。在外磁場(chǎng)強(qiáng)度不斷增大的同時(shí)，鐵磁構(gòu)件的磁場(chǎng)變化緩慢，接近于飽和。

(4)磁場(chǎng)飽和區(qū)(圖中Ⅳ區(qū))。不管外磁場(chǎng)如何變化，鐵磁構(gòu)件內(nèi)部的磁場(chǎng)都不隨著改變，趨于穩(wěn)定。1

磁疇的變化由圖1可知，所有的物質(zhì)的被磁化的過(guò)程，都不會(huì)是一個(gè)簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，也不會(huì)隨著外界磁場(chǎng)的增大而不斷增大，而是一個(gè)復(fù)雜的曲線。在開(kāi)始時(shí)，被磁化磁場(chǎng)變化緩慢；在中間時(shí)，被磁化磁場(chǎng)變化極為迅速：接下來(lái)，被磁化磁場(chǎng)到達(dá)飽和期，不隨外界磁場(chǎng)的改變而變化。該曲線反映了物質(zhì)被磁化的過(guò)程，它的理論基礎(chǔ)是建立在磁疇上的，物質(zhì)的磁化和退磁皆是由磁疇的運(yùn)動(dòng)引起的。

物質(zhì)的磁疇在初始狀態(tài)，即在沒(méi)有受到外磁場(chǎng)的干擾時(shí)，物質(zhì)的內(nèi)部的磁疇呈飽和狀態(tài)，磁疇運(yùn)動(dòng)形成的內(nèi)部磁場(chǎng)相互抵消，物質(zhì)表現(xiàn)出來(lái)的總的磁場(chǎng)大小為0，即

式中：Vi為第i個(gè)物質(zhì)內(nèi)部的磁疇的大?。沪萯為第i個(gè)磁疇所受到的外界的磁化強(qiáng)度矢量M與某一特定方向間的夾角的大小。

當(dāng)物質(zhì)受到外界磁場(chǎng)的干擾時(shí)，物質(zhì)開(kāi)始按照磁滯回線的規(guī)律進(jìn)行磁化，磁疇打破原有的平衡狀態(tài)，開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，有

式中：多項(xiàng)式的第一項(xiàng)是外部激勵(lì)磁信號(hào)接近的磁疇產(chǎn)生的影響：第二項(xiàng)是物質(zhì)內(nèi)部磁疇的運(yùn)動(dòng)，對(duì)磁場(chǎng)所產(chǎn)生的影響；第三項(xiàng)是物質(zhì)內(nèi)部磁疇的自身運(yùn)動(dòng)，對(duì)物質(zhì)的磁性所產(chǎn)生的影響。

由物質(zhì)磁化時(shí)的磁滯回線和以上磁疇的表達(dá)式相結(jié)合，可以得知，外部激勵(lì)磁場(chǎng)如果磁場(chǎng)強(qiáng)度較小，則磁疇的位移對(duì)磁場(chǎng)的影響為主，如果外部激勵(lì)磁場(chǎng)為強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，則磁疇的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)物質(zhì)的磁場(chǎng)的影響為主。1

金屬的磁特性物質(zhì)在外磁場(chǎng)的作用下感生出磁場(chǎng)的物理過(guò)程稱為磁化。

在外磁場(chǎng)作用下感生出十分微弱的磁場(chǎng)，而該磁場(chǎng)方向與外磁場(chǎng)方向相同的物質(zhì)稱為順磁質(zhì)，如鋁；該磁場(chǎng)方向與外磁場(chǎng)方向相反的物質(zhì)稱為逆磁質(zhì)，如銅。在外磁場(chǎng)作用下可產(chǎn)生很大的附加磁場(chǎng)的物質(zhì)稱為鐵磁質(zhì)，如鐵、鈷、鎳及它們的某些合金。

物質(zhì)磁性的大小可用磁導(dǎo)率表示，它說(shuō)明了物質(zhì)磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，如下式：

式中，μ為磁導(dǎo)率，單位H/m；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為T；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為A/m。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學(xué)