磁饱和的产生原因和影响;磁化强度H和磁感应强度B
1.
先說明一下什么是磁飽和。
導磁物質可理解為由一個一個方向雜亂的磁疇組成。有外加磁場時,隨磁場強度升高,磁疇變得同向的程度也升高,到所有磁疇都同向時,就達到了磁飽和。
變壓器鐵芯在線圈產生的磁場中,線圈電流增大,感應磁場也增大,感應磁場是阻礙電流變化的,在交變電流情況下會達到一個平衡,感生電動勢和電源電壓時時相等,電流也維持在一個穩定的交流值。
一旦鐵芯達到磁飽和,感生電動勢就不再隨著電流增加而增加,再有電流的增加,增量部分就是短路電流,不再受感生電動勢的制約,所以會燒毀變壓器。
為什么變壓器磁飽和之后感量會下降? - kindfine的回答 - 知乎
2.
? ? ? ? 從微觀層面上講,鐵磁材料之所以能夠帶上磁性,是因為其內部具有無數的磁疇,磁疇是鐵磁材料內部一片片微小的空間區域中,由原子陣列組成的整體磁矩,每一片空間區域中原子陣列組成的磁矩代表一個磁疇,但是這些磁疇之間磁矩方向不統一,所以在沒有外磁場的作用時,不同方向的磁疇磁性相互抵消,此時從宏觀上看鐵磁材料不帶磁性。當外加磁場時,材料內部的無數磁疇由于受到外磁場影響,方向變得統一,宏觀上就顯出磁性。外磁場越強,材料內部被統一方向的磁疇越多,此時材料的磁化強度越強,宏觀上對外表現出磁性越強。但是,這不是無休止的,當外加磁場強度增大到一定值時,材料的磁化強度就不再增加,因為內部磁疇基本上已被統一方向,此時就稱該材料達到了飽和磁化強度,其對外的宏觀磁性也就飽和了,你再增大外磁場也不會增強該材料的磁性了。反之,在沒達到飽和時,都是非飽和狀態。
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3.
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4.解釋3中的磁化強度H和磁感應強度B
個人:磁化強度指的是電流在某一點產生的磁場,磁感應強度指的是多方導致某一點上產生的磁場的總和。
磁感應強度B與磁場強度H的區別和聯系(全程硬核)
給B和H的關系正名,希望讀者耐心看完。
設想你暫時只知道磁場是由磁鐵產生,也知道牛頓力學,但尚不知道怎么物理上定義“磁場”。
有一天,你用電流做實驗。你驚訝的發現:通了電的導線能使它附近的小磁針扭轉,從而得出了“電流也產生磁場”的結論。
進一步,你通過力學(如平行電流線,扭轉力矩等)的測量,你發現1.長直導線外,到導線距離相等的點,磁針感受到的“磁場”強度相同2.距離不同的點,“磁場”強度隨著距離成反比。這樣,你便想要通過力學測量和電流強度定義一個物理量H,2*pi*r*H=I。對形狀稍稍推廣,你就得到了安培環路定理的一般積分形式。
注意這時候不需要用到真空磁導率μ0,因為你只要知道電流I就足以定義H這個物理量,沒有理由知道μ0這回事兒。
現在,你有了H,有了“電流能夠產生磁場”這個概念,有了安培環路定理。你心滿意足,轉移了研究興趣,開始研究帶電粒子的受力。
對于一定速度的粒子,加上剛才的磁場,通過幾何軌道,牛頓力學,你可以測出粒子受的力。你發現受的力和電荷數q以及速度成正比,也和H成正比,但是力F并不直接等于qvH,而是還差一個因子:F=A*q*vⅹH,A只是個待定因子,暫未賦予物理意義。
這個公式多了個外加因子,不好看。現在你開始考慮構建“磁導率”這個概念,因為H只是電流外加給的磁場,你希望通過粒子受力,直接定義一個粒子感受到的磁場——叫它B,使得F= qvⅹB成立。現在你理解的磁導率,就是一個粒子對外界磁場的受力響應程度:磁導率大,那么同樣大的外加磁場H使得粒子受力的響應(如偏轉)也越大;磁導率如果為零,那么多大的磁場也不會使得粒子有偏轉等力學反應,磁導率如果近乎無限大,你只要加一丁點外磁場H,粒子就已經偏轉的不亦樂乎了。
你開始管這個磁導率叫μ,并且定義μ=B/H。其中H是(通過電流)外來的,B是使得粒子偏轉的響應。這樣,磁導率=粒子的響應/外加的場。這個式子有著深刻背景,正是理論物理里線性響應理論的雛形。此外,你發現,粒子處于真空中的時候,這個μ是一個與任何你能想到的物理量都無關的常數,這正是真空磁導率。
目前你已經很有成就了:你通過得到了一個外磁場H,并在真空環境下,把這個磁場作用于帶q電荷的粒子,你測量粒子受力F= qvⅹB,并且把測量力F和速度v得到的B值與測量電流I得到的H值相除,你便得到了真空磁導率。
現在你已經知道了,H與B單位的不同,僅僅是由于你最開始研究力學用的單位,和開始研究電荷、電流的單位的不同,導致的一種單位換算。H從I得來,B從F得來,所以看到的是“施H”與“受B”的關系。(實際過程還要復雜些,因為先研究的是電場的情形,然后導出了磁場下的情況,所以你看到的μ0是個漂亮的嚴格值,而真空介電常數作為另一種線性響應確是一個長長的實驗數字)。
既然知道了B與H單位不同只是由于電流和牛頓力學導致的,現在你為了簡化,將二者單位化為相同單位:B=H;這樣你就得到了電磁學里更常用的高斯單位制。如果需要換算,隨時添加磁導率即可。
你開始進一步研究了。你已經研究了電流產生磁場的效應,以及單個粒子在磁場中的運動。那么,有著大量粒子的各種材料介質,從鐵塊,到石墨,到玻璃,它們對于磁場的相應是如何呢?
現在你通過電流I,把磁場H加到某種材料當中,你所要研究的粒子,不再活在真空,而在材料里活動,它可以是金屬里本身自帶的電子,也可以是通過外界射束打入的。這都無妨,只需記住現在你要研究的粒子不再在真空,而在介質里。一個粒子受到的力學上的響應,當然是與這個點的總磁場有關。因此,B的意義就變得豐富了,它代表在該點處的總磁場。為什么說“總”磁場呢?考慮空間里的一點,沒有材料的時候磁場值為H。現在有了材料,這一點處于材料中,外加場H穿進材料后,材料受H影響產生了一些附加場,在該點處的磁場不再是H了。受外界磁場影響使得材料里也有內部額外磁場的過程,我們叫它“磁化”。我們希望一件事物更加具體,就說把它具體化,希望一個企業有規模,就說把它規模化,同樣希望一塊材料里面有更多額外磁場,就說把它“磁化”。
我們管產生的額外磁場大小叫做M。與磁導率一樣,為了研究這個額外的磁場M與外加場H的關系,我們定義磁化率χ=M/H. 磁化率大,說明同樣大的外磁場,能產生更多的內在額外磁場;磁化率為很小,說即使外加磁場很大,里面的材料也“懶得理它”,只有微弱的響應。這里要注意兩點。這是你不難發現,磁化率也是線性響應的過程。所謂線性響應,好比我們有五塊錢,就能從售貨機里買一罐可樂,我們有十塊,根據線性響應,就能買兩罐,15塊買三罐;如果買得多給打折,20塊給五罐,那么輸入(錢)和輸出(可樂瓶數)就不符合線性響應了。磁場情形也一樣,太強的外加場H(輸入),感生場M作為輸出,就不符合現行響應了。此外還要注意一點,磁化率可正可負。所謂正磁化率χ>0,就是說產生的內部磁場M方向與外加磁場H相同;負磁化率χ<0,就是材料內部由于H產生的額外磁場M和外場H方向相反。
進一步,χ>0但是數值不太大的,你命名他為順磁介質,它順從的跟著磁場方向嘛;χ>0數值比較大的,就是鐵磁介質,由于其他機制(超過深度不加以介紹),外加的磁場產生了很大的內磁場,比用用電流制造永磁鐵的過程;χ<0,就是H給材料產生的外加磁場M與H方向相反,所以就是反磁介質,或叫抗磁介質;如果是第一類超導體,它所謂的完全抗磁性,就是這個意思:外加場H,總有感生的內場M,把外場抵消,使得超導體內部磁場為零。物理上看,好像磁場穿不進來一樣。
這樣,總場B在某點的值,應該是該處的外場值H,與H的感生下產生的額外場M在該點的值的和。寫成B(r)=H(r)+M(r), r表示空間處注意這是對任何一點都成立;實際上,如果使用高斯單位制,由于需要考慮了麥克斯韋方程電和磁的對稱性,以及球面的立體角,正確的式子是B(r)=H(r)+4πM(r)。如果要換成SI單位制,則是B=μ0[H(r)+M(r)].
這個式子的正確解釋是:總磁場等于外加磁場和感生的磁場(就叫它磁化)的矢量和。既然B表示總場,已經考慮了感應產生的磁化M,就叫做B為磁感應強度;H來源于外場,就叫它磁場強度;M是H磁化感生的,就叫它磁化強度。注意這個式子是普遍的。在線性響應的額外前提下,我們有M=χH成立。
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總結
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