磁性的本質(zhì)

電磁力是當(dāng)電流流過一條簡單的導(dǎo)體（例如一根電線或電纜）時(shí)產(chǎn)生的力。在導(dǎo)體周圍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)相對(duì)于其“北極”和“南極”的方向取決于流過導(dǎo)體的電流方向。

磁性在電氣和電子工程中起著重要的作用，因?yàn)槿绻麤]有磁性，則沒有繼電器，螺線管，電感器，扼流圈，線圈，揚(yáng)聲器，電動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)，變壓器和電表等組件，它們將無法工作。

然后，當(dāng)電流流過時(shí)，每個(gè)線圈都會(huì)利用電磁效應(yīng)。但是，在我們更詳細(xì)地研究磁性，尤其是電磁學(xué)之前，我們需要回想起關(guān)于磁體和磁性如何工作的物理課程。

磁性的本質(zhì)

磁鐵可以以磁性礦石的形式在自然狀態(tài)下找到，其中兩種主要類型是磁鐵礦，也稱為“氧化鐵”（FE 3 O 4 ）和洛德斯通，也稱為“鉛礦石”。如果將這兩個(gè)天然磁鐵懸掛在一根弦上，它們將處于與地球磁場(chǎng)始終指向北的直線位置。

這種效果的一個(gè)很好的例子是指南針。在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，由于它們的磁性非常低，因此可以忽略這些天然存在的磁體，并且由于當(dāng)今，人造人造磁體可以以許多不同的形狀，尺寸和磁強(qiáng)度生產(chǎn)。

磁性基本上有兩種形式，即“永磁體”和“臨時(shí)磁體”，其使用類型取決于其應(yīng)用。有許多不同類型的材料可用于制造磁鐵，例如鐵，鎳，鎳合金，鉻和鈷，并且在其自然狀態(tài)下，其中某些元素（例如鎳和鈷）本身顯示的磁通量非常低。

但是，當(dāng)與其他材料（例如鐵或過氧化鋁）混合或“合金化”時(shí)，它們會(huì)變成非常堅(jiān)固的磁鐵，并產(chǎn)生不尋常的名稱，例如“ alcomax”，“ hycomax”，“ alni”和“ alnico”。

非磁性狀態(tài)的磁性材料的分子結(jié)構(gòu)為松散的磁鏈或散布成隨機(jī)圖案的單個(gè)微小磁體。這種排列方式的總體效果是導(dǎo)致磁性為零或非常弱，因?yàn)槊總€(gè)分子磁體的這種隨機(jī)排列方式都傾向于中和其鄰居。

當(dāng)材料被磁化后，分子的這種隨機(jī)排列發(fā)生了變化，微小的未對(duì)準(zhǔn)分子和隨機(jī)的分子磁體變得“排列”起來，從而產(chǎn)生了一系列的磁性排列。鐵磁材料的分子排列的這種思想被稱為韋伯理論，并在下面說明。

一塊鐵和一塊磁鐵的磁分子對(duì)準(zhǔn)

韋伯的理論基于以下事實(shí)：由于原子電子的自旋作用，所有原子都具有磁性。原子團(tuán)連接在一起，以便它們的磁場(chǎng)都朝相同的方向旋轉(zhuǎn)。磁性材料由處于原子周圍分子水平的微小磁體組組成，并且經(jīng)過磁化處理的材料將使大部分微小磁體在一個(gè)方向上排列，僅在一個(gè)方向上產(chǎn)生北極，而在另一個(gè)方向上產(chǎn)生南極。

同樣，材料的微小分子磁體指向各個(gè)方向，其分子磁體將被其相鄰的磁體中和，從而中和任何磁效應(yīng)。分子磁體的這些區(qū)域稱為“疇”。

任何磁性材料本身都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)取決于軌道和旋轉(zhuǎn)電子在材料中形成的磁疇的對(duì)準(zhǔn)程度。該對(duì)準(zhǔn)程度可以由稱為磁化強(qiáng)度M的量指定。

在未磁化的材料中，M = 0，但是一旦去除磁場(chǎng)，某些磁疇將在材料的小區(qū)域上保持對(duì)齊。向材料施加磁化力的作用是對(duì)齊某些區(qū)域以產(chǎn)生非零磁化值。

一旦消除了磁化力，取決于所使用的磁性材料，材料中的磁性將保持不變或迅速消失。材料保持其磁性的這種能力稱為保持性。

保持其磁性所需的材料將具有相當(dāng)高的保持力，因此可用于制造永磁體，而那些需要快速失去磁性的材料（例如繼電器和螺線管的軟鐵芯）將具有非常低的保持力。

磁通量

所有磁體，無論其形狀如何，均具有兩個(gè)稱為磁極的區(qū)域，磁路內(nèi)部和周圍均具有磁性，從而在其周圍產(chǎn)生確定的，有組織且平衡的，看不見的磁通線模式鏈。這些磁通線統(tǒng)稱為磁體的“磁場(chǎng)”。該磁場(chǎng)的形狀在某些部分要比其他部分更強(qiáng)，將具有最大磁性的磁體區(qū)域稱為“極”。磁鐵的兩端是一個(gè)磁極。

這些通量線（稱為矢量場(chǎng)）無法用肉眼看到，但是可以通過使用灑在紙上的鐵填充物或使用小指南針將它們可視化地看到。磁極始終成對(duì)出現(xiàn)，磁體的總區(qū)域稱為北極，總有相反的區(qū)域稱為南極。

磁場(chǎng)始終以力的形式直觀地顯示出來，力在材料的兩端（磁通線更密集且更集中）給出明確的磁極。組成磁場(chǎng)的線表示方向和強(qiáng)度，稱為力線，或更常用的是“磁通量”，并用希臘文符號(hào)Phi（ Φ ）表示，如下所示。

條形磁鐵磁場(chǎng)的力線

如上所示，磁場(chǎng)在磁體的磁極附近最強(qiáng)，而磁通線的間距更近。磁通量的一般方向是從北極（ N ）到南極（ S ）。另外，這些磁力線形成閉環(huán)，該閉環(huán)在磁體的北極離開而在南極進(jìn)入。磁極始終成對(duì)出現(xiàn)。

然而，由于磁通量是存在于其中的磁力周圍的磁體周圍的靜態(tài)區(qū)域，因此磁通量實(shí)際上并沒有從北極流向南極或流向任何地方。換句話說，磁通量不會(huì)在其中流動(dòng)或移動(dòng)，而不會(huì)受到重力的影響。繪制力線時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些重要的事實(shí)：

力線永不交叉。

力線是連續(xù)的。

力線始終在磁體周圍形成單獨(dú)的閉合環(huán)。

力線從北到南具有確定的方向。

靠近的力線表示強(qiáng)磁場(chǎng)。

分開的力線表示弱磁場(chǎng)。

磁力像電場(chǎng)力一樣吸引和排斥，當(dāng)兩條力線靠近時(shí)，兩個(gè)磁場(chǎng)之間的相互作用會(huì)導(dǎo)致以下兩種情況之一：

1. –當(dāng)相鄰的兩極相同時(shí)（北-北或南-南），它們彼此排斥。

2. –當(dāng)相鄰的兩極不同時(shí)（南北或南北），它們會(huì)相互吸引。

著名的“對(duì)立吸引”表達(dá)很容易記住這種效果，并且可以使用鐵填充物顯示磁體周圍的力線來容易地證明這種磁場(chǎng)相互作用?？梢栽谙旅婵吹讲煌拇艠O組合對(duì)磁場(chǎng)的影響，就像磁極排斥和不同。

極與異極的磁場(chǎng)

當(dāng)用指南針繪制磁場(chǎng)線時(shí)，可以看到力線的產(chǎn)生方式是在磁體的兩端分別產(chǎn)生一個(gè)確定的磁極，在此力線離開北極并重新進(jìn)入磁極。南極。磁性可以通過加熱或錘擊磁性材料來破壞，但不能通過簡單地將磁鐵分成兩部分來破壞或隔離。

因此，如果您將普通的條形磁鐵分成兩塊，則沒有兩半的磁鐵，但是每個(gè)碎塊都會(huì)以某種方式擁有自己的北極和南極。如果您將其中一個(gè)碎片重新分成兩部分，則每個(gè)較小的碎片將具有一個(gè)北極和一個(gè)南極，依此類推。不管磁鐵的塊有多小，每塊仍然會(huì)有一個(gè)北極和一個(gè)南極，這是瘋狂的！

然后，為了使我們?cè)陔姎饣螂娮佑?jì)算中利用磁性，有必要定義磁性的各個(gè)方面。

磁力的大小

現(xiàn)在我們知道，磁力線或更常見的是磁性材料周圍的磁通量用希臘文符號(hào)Phi（ Φ ）表示，其通量單位是 在Wilhelm Eduard Weber之后的Weber（ Wb）。但是給定單位面積內(nèi)的力線數(shù)稱為“通量密度”，由于通量（ Φ ）以（ Wb ）表示，而面積（ A ）以米平方（ m 2 ）為單位，因此，通量密度被測(cè)量以Webers / Metre 2或（ Wb / m 2 ）表示，并用符號(hào)B表示。

但是，當(dāng)涉及磁場(chǎng)中的磁通密度時(shí)，磁通密度以尼古拉·特斯拉之后的特斯拉為單位，因此，一個(gè)Wb / m 2等于一個(gè)特斯拉，1Wb / m 2 = 1T。通量密度與力線成正比，與面積成反比，因此我們可以將通量密度定義為：

磁通密度

磁通密度的符號(hào)為B，磁通密度的單位為Tesla，T。

重要的是要記住，所有通量密度的計(jì)算都以相同的單位進(jìn)行，例如，韋伯中的通量，m2中的面積和特斯拉中的通量密度。

磁性示例1

測(cè)得圓形電磁棒中的磁通量為0.013韋伯。如果材料的直徑為12cm，請(qǐng)計(jì)算通量密度。

磁性材料的橫截面積（單位為m2）為：

磁通量為0.013韋伯，因此，磁通密度可以計(jì)算為：

因此，磁通密度計(jì)算為1.15特斯拉。

處理電路中的磁場(chǎng)時(shí)，必須記住一個(gè)特斯拉就是磁場(chǎng)的密度，這樣，與磁場(chǎng)成直角的1安培的導(dǎo)體在其上承受一牛頓米長的力。

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