磁性材料的關(guān)鍵概念

本文討論了與磁性材料相關(guān)的以下基本概念：磁偶極矩、磁化矢量、磁化率和磁導(dǎo)率。

磁性材料的特性直接影響變壓器、電機(jī)、發(fā)電機(jī)和電磁鐵等設(shè)備的性能。這使得磁性材料科學(xué)成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，也是一個(gè)引人入勝的領(lǐng)域——我們利用它來了解這些材料的性質(zhì)，并設(shè)計(jì)和合成能夠滿足不同應(yīng)用需求的新材料。

這是一系列文章中的第一篇，介紹了磁性材料行為的基本概念。我們將在隨后的文章中進(jìn)一步探索磁性材料的世界，希望能更全面地了解這些物質(zhì)在我們的變壓器和電感器中所起的復(fù)雜作用。

磁偶極矩

不同的材料對(duì)相同的外部磁場(chǎng)可以具有完全不同的響應(yīng)。為了理解為什么，我們首先需要了解磁偶極子是如何決定磁行為的。我們將通過考慮一種叫做磁偶極矩的東西來做到這一點(diǎn)。

磁偶極矩，或簡(jiǎn)稱磁矩，是電磁學(xué)中的一個(gè)有用概念，使我們能夠理解和表征電流回路和均勻磁場(chǎng)之間的相互作用。具有面積a和電流I的電流回路的磁矩由下式給出：

等式1。

注意，面積被定義為一個(gè)矢量，這使得磁矩也成為一個(gè)矢量量。兩個(gè)矢量的方向相同。

磁矩的方向垂直于線圈的平面。它可以通過應(yīng)用右手規(guī)則找到——如果你把右手的手指沿著電流的方向彎曲，你的拇指就會(huì)顯示磁矩矢量的方向。如圖1所示。

使用右手尺來確定磁矩的方向。

圖1。右手規(guī)則決定磁矩的方向。

回路的磁矩只取決于電流和面積。它與回路的形狀無關(guān)。

轉(zhuǎn)矩和磁矩

考慮圖2，它顯示了放置在均勻磁場(chǎng)中的電流回路。

磁場(chǎng)中的電流回路。

圖2:磁場(chǎng)中的電流回路。

在上圖中：

I是電流。

→B是磁場(chǎng)矢量。

→μ是磁矩。

θ是磁矩和磁場(chǎng)矢量之間的角度。

因?yàn)樽饔迷诨芈废鄬?duì)兩側(cè)的力相互抵消，所以作用在回路上的總力為零。然而，回路確實(shí)會(huì)受到磁轉(zhuǎn)矩的影響。作用在回路上的扭矩大小由以下公式給出：

等式2。

從方程2可以看出，τ與磁矩直接相關(guān)。這是因?yàn)榇啪氐男袨榫拖翊盆F——當(dāng)它被放置在外部磁場(chǎng)中時(shí)會(huì)受到扭矩。扭矩總是傾向于使環(huán)路朝著穩(wěn)定的平衡位置旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)磁場(chǎng)垂直于回路平面（θ=0度）時(shí)，會(huì)發(fā)生穩(wěn)定平衡。如果我們將環(huán)路稍微旋轉(zhuǎn)離開這個(gè)位置，扭矩會(huì)迫使環(huán)路回到平衡狀態(tài)。

θ=180度時(shí)，扭矩也為零。然而，在這個(gè)位置上，回路處于不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。離開θ=180度的輕微旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致扭矩將回路從該點(diǎn)進(jìn)一步推向θ=0度。

為什么磁矩很重要？

許多設(shè)備依賴于電流回路和磁場(chǎng)的相互作用。例如，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是基于電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)和載流導(dǎo)體之間的相互作用。在這種相互作用中，勢(shì)能隨著導(dǎo)體的旋轉(zhuǎn)而變化。

磁矩和外部磁場(chǎng)之間的相互作用是在我們的磁系統(tǒng)中產(chǎn)生勢(shì)能的原因。這兩個(gè)矢量之間的角度決定了系統(tǒng)（U）中存儲(chǔ)的能量，如我們?cè)谝韵路匠讨兴姡?/p>

等式3。

以下是幾種不同的重要配置下的存儲(chǔ)能量值：

在θ=0度時(shí)，我們處于穩(wěn)定平衡，存儲(chǔ)的能量最小（U=–μB）。

在θ=90度時(shí)，儲(chǔ)存的能量已增加到U=0。

在θ=180度時(shí)，儲(chǔ)存的能量達(dá)到其最大值，U=μB。這是不穩(wěn)定的平衡位置。

從原子模型看凈磁矩

為了充分理解磁性材料是如何產(chǎn)生磁場(chǎng)的，我們需要研究量子力學(xué)。這超出了本文的范圍，但我們?nèi)匀豢梢允褂么啪馗拍詈驮拥慕?jīng)典模型來深入了解材料如何與外部磁場(chǎng)相互作用。該模型表明，電子繞原子核旋轉(zhuǎn)，同時(shí)也繞其自身的軸旋轉(zhuǎn)，如圖3所示。

電子的軌道運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磁矩。

圖3。電子的軌道運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磁矩。

電子的軌道運(yùn)動(dòng)類似于有一個(gè)微小的電流環(huán)。因此，它會(huì)產(chǎn)生磁矩（→μ1在上圖中）。電子的自旋同樣產(chǎn)生磁矩(→μ2