磁性材料的關鍵概念

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

磁性材料的特性直接影響變壓器、電機、發電機和電磁鐵等設備的性能。這使得磁性材料科學成為一個重要的研究領域，也是一個引人入勝的領域——我們利用它來了解這些材料的性質，并設計和合成能夠滿足不同應用需求的新材料。

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一步探索磁性材料的世界，希望能更全面地了解這些物質在我們的變壓器和電感器中所起的復雜作用。

磁偶極矩

不同的材料對相同的外部磁場可以具有完全不同的響應。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。

磁偶極矩，或簡稱磁矩，是電磁學中的一個有用概念，使我們能夠理解和表征電流回路和均勻磁場之間的相互作用。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，面積被定義為一個矢量，這使得磁矩也成為一個矢量量。兩個矢量的方向相同。

磁矩的方向垂直于線圈的平面。它可以通過應用右手規則找到——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。

轉矩和磁矩

考慮圖2，它顯示了放置在均勻磁場中的電流回路。

磁場中的電流回路。

圖2:磁場中的電流回路。

在上圖中：

I是電流。

→B是磁場矢量。

→μ是磁矩。

θ是磁矩和磁場矢量之間的角度。

因為作用在回路相對兩側的力相互抵消，所以作用在回路上的總力為零。然而，回路確實會受到磁轉矩的影響。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。這是因為磁矩的行為就像磁鐵——當它被放置在外部磁場中時會受到扭矩。扭矩總是傾向于使環路朝著穩定的平衡位置旋轉。

當磁場垂直于回路平面（θ=0度）時，會發生穩定平衡。如果我們將環路稍微旋轉離開這個位置，扭矩會迫使環路回到平衡狀態。

θ=180度時，扭矩也為零。然而，在這個位置上，回路處于不穩定的平衡狀態。離開θ=180度的輕微旋轉會導致扭矩將回路從該點進一步推向θ=0度。

為什么磁矩很重要？

許多設備依賴于電流回路和磁場的相互作用。例如，電動機產生的轉矩是基于電動機的磁場和載流導體之間的相互作用。在這種相互作用中，勢能隨著導體的旋轉而變化。

磁矩和外部磁場之間的相互作用是在我們的磁系統中產生勢能的原因。這兩個矢量之間的角度決定了系統（U）中存儲的能量，如我們在以下方程中所見：

等式3。

以下是幾種不同的重要配置下的存儲能量值：

在θ=0度時，我們處于穩定平衡，存儲的能量最小（U=–μB）。

在θ=90度時，儲存的能量已增加到U=0。

在θ=180度時，儲存的能量達到其最大值，U=μB。這是不穩定的平衡位置。

從原子模型看凈磁矩

為了充分理解磁性材料是如何產生磁場的，我們需要研究量子力學。這超出了本文的范圍，但我們仍然可以使用磁矩概念和原子的經典模型來深入了解材料如何與外部磁場相互作用。該模型表明，電子繞原子核旋轉，同時也繞其自身的軸旋轉，如圖3所示。

電子的軌道運動和自轉運動產生磁矩。

圖3。電子的軌道運動和自轉運動產生磁矩。

電子的軌道運動類似于有一個微小的電流環。因此，它會產生磁矩（→μ1在上圖中）。電子的自旋同樣產生磁矩(→μ2