§5-6　磁介质

一、磁介质

前面只讨论了运动电荷或电流在真空中所激发的磁场。而在实际情形中，在运动电荷或电流的周围，一般都存在着各种各样的物质，这些物质因受磁场的作用而磁化。磁化了的物质反过来又会影响原来的磁场。这种能影响磁场的物质统称为磁介质。

若均匀磁介质处于磁感应强度为B0的外磁场中，磁介质要被磁化，磁化了的磁介质将产生磁感应强度为B′的附加磁场。则磁介质中的总磁感应强度B应为B₀和B′的矢量和，即

B=B₀+B′

对于不同的磁介质，附加磁感应强度B′的大小和方向有很大差异，为了便于区分各类磁介质，我们引入相对磁导率μ_r，当均匀磁介质充满整个磁场时，磁介质的相对磁导率定义为

式中，B为磁介质中的总磁场的磁感应强度的大小；B₀为真空中磁场或者说外磁场的磁感应强度的大小；μ_r可以用来描述介质磁化后对原磁场的影响。现令μ=μ_rμ₀称为磁介质的磁导率。μ和μ_r都是表征物质磁性的物理量，μ_r是无量纲量，μ的单位与真空磁导率μ₀的单位一致。

实验表明，就物质磁性而言，可分成三类：

1.顺磁质

这类磁介质，在外磁场中，附加磁感应强度B′的方向与B₀的方向相同，使得总磁感应强度B＞B₀。如铝、氧、锰等。其相对磁导率μ_r＞1。

2.抗磁质

在外磁场中，这类磁介质的附加磁感应强度B′的方向与B0的方向相反，使得总磁感应强度B＜B₀，如铜、铋、氢等。抗磁质的相对磁导率μ_r＜1；但无论是顺磁质还是抗磁质，附加磁感应强度的值B′都比B₀要小得多（为几万分之一或几十万分之一），它对原来的磁场影响极为微弱。所以，顺磁质和抗磁质统称为弱磁性物质。

3.铁磁质(www.daowen.com)

这类磁介质在外磁场中，附加磁感应强度B′的方向和顺磁质一样，和B₀的方向相同，但B′的值却要比B0的值大得多（可达10²～10⁴倍），即B＞＞B₀，并且不是常量。这种磁介质能显著地增强磁场，是强磁性物质。如铁、镍、钴及其合金等。这类磁介质的相对磁导率μ_r＞＞1。

二、磁场强度

在研究磁介质中的磁场规律时，为了方便通常引进另一物理量磁场强度。在各向同性的均匀介质中，把磁感应强度和磁介质的磁导率的比值称为磁场强度，用符号H表示：

在SI中，磁感应强度的单位是安（培）每米，符号A/m。

三、铁磁质磁化规律

经过磁化后的介质，顺磁质和抗磁质比铁磁质的磁性弱得多，所以常常把它们统称为弱磁质；而把铁磁质称为强磁质。铁磁质的磁化特性与弱磁质有很大不同。弱磁质的相对磁导率μ_r为接近于1的常数，它对磁场的影响不大；而铁磁质的磁导率μ_r远大于1，而且还随磁场强度H的不同而变化。

1.磁化曲线

在实际应用中，铁磁材料多处于交变磁场中。实验表明：在磁化过程中，铁磁介质的磁感应强度B与其磁场强度H不再是弱磁质那样的简单的正比关系，而是较复杂的函数关系，如图5-24所示曲线。开始时，H=0，B=0，介质处于未被磁化状态。当H逐渐增大时，B也逐渐增大，相当于曲线的0～1段；当H继续增大，B急剧增大，相当于曲线中的1～2段；H在继续增大，B值开始缓慢增加，相当于曲线的2～P段；到达P点后，磁场强度H再增大时，铁磁质内的磁感应强度B不再增大了，达到磁化饱和状态。此时的磁感应强度B_max称为饱和磁感应强度。曲线OP称为初始磁化曲线。

由图5-24可以看出，对于铁磁质，B和H之间不是线性关系。由式（5-32）知，曲线上各点的斜率，即磁导率μ不相同，且不是常数；μ是磁场强度H的函数。由于铁磁质具有很大的磁导率，即μ_r＞＞1，所以在外磁场的作用下，铁磁质中将产生与外磁场同方向、量值很大的附加磁感应强度，并且在外磁场撤除后，介质的磁化状态并不会完全消除，而保留部分磁性。

2.磁滞回线

在铁磁质的磁化过程中，当磁场强度增加到H_m时达到饱和状态P点后，此后外磁场由H_m逐渐减小时，磁感应强度B并不沿起始曲线OP减小，而是沿图5-25中另一条曲线PQ比较缓慢地减小。这种B的变化落后于H的变化现象，叫做磁滞现象。当磁场强度减小到H=0时，磁感应强度并不等于零，而是仍有一定数值B_r，称为剩磁。随着反向磁场的增加，B逐渐减小，当达到H=-H_c时，B等于零，这时，铁磁质的剩磁就消失了。铁磁质也就不再显现磁性（称完全退磁）。通常把H_c叫做矫顽力。当反向磁场继续增强到-H_m时，材料的反向磁化达到饱和点P′。此后，反向磁场逐渐减小到零，B-H曲线便沿P′Q′变化。以后，正向磁场增强到H_m时，B-H曲线就沿Q′P变化，再回到状态P，从而完成一个循环。B-H曲线就形成一个闭合曲线，称为磁滞回线。

根据铁磁质磁滞程度的差异，一般将铁磁质分为软磁材料和硬磁材料，如图5-26所示。软磁材料矫顽力小，其磁滞回线瘦长[图5-26（a）]，适于作变压器、电磁铁、电机等的铁芯。硬磁材料的剩磁和矫顽力较大，其磁滞回线较宽[图5-26（b）]，适于制造永久磁铁。此外，还有一种磁性材料，其磁滞回线接近于矩形[图5-26（c）]，称为矩磁材料。其剩磁Br接近于饱和磁化时的磁感应强度Bm，若矩磁材料在不同方向的磁场中磁化后，当磁化电流变为零时，它总是处于B_m和B_-m两种不同的剩磁状态，可分别代表数码1和0，故可作为二进制记忆元件，广泛应用于数字电路和计算机中。当前常用的矩磁材料有锰—镁铁氧体和锂—锰铁氧体等。