磁屏蔽及其本质的探究

磁屏蔽及其本质的探究摘要：生活中时常回发生一些奇怪的现象，新买的手表走着走着不准了，不用的磁铁放久了便没了磁性……为什么呢？本文将和大家一起找出真正的原因。关键字：磁体磁化铁磁折射我们知道磁场是用来传递磁极间相互作用的，它总存在于磁体周围。我们的地球就是一个巨大的磁体，它周围包裹着厚厚的磁层，由于它的方向始终不发生变化，因此我们时常用它来指示方向。但很多时候它却常常会引起不必要的麻烦，比如我们的手表如果长时间的处在磁场中就不准了，这时我们就需要将磁场屏蔽掉。但是我们怎样才能把无处不在的磁场屏蔽掉呢？让我们一起来做近一步的分析。首先让我们来看一下放在磁场中的手表是怎样不准的。我们知道构成物质的分子周围包裹着一层电子，电子的运动形成电流，称为分子电流，在这里我们假定电流是环形的。在磁场中，这样的环形分子电流会受到一个力矩的作用迫使它定向排列，这一过程称为磁化，如图一。需要指出的是，并非所有物质都能被磁化，因为组成物质的分子自身排列不尽相同，所以它们能被定向排列所需的力矩大小也不同，其大小可以表示为：1。Bm,其中m称为磁偶极矩，简称磁矩，它是反映该分子电流自身性质的一个物理量。大小可以表示为：2niSm，n是电流的圈数，i表示电流的大小，S则是环形电流包围的面积大小，。B是外加磁场。由于磁化后的分子也会产生磁场，于是在存有磁介质区域的磁场就发生了变化：3'BBB。，B’是磁化产生的磁场，称为感生磁场。同时我们又引进物理量：4VmM，表示单位体积内的分子磁矩，称为磁化强度，亦即磁介质能被磁化的能力。对感生磁场运用安培环路定理（如图二）得：5'M。B，比例系数。是真空中的磁化率。对于。B，我们定义了磁场强度H，并使得：6HB。。。这样3式我们就可以写成：7'MHBBB。。。。实验表明磁场强度和磁化强度之间有关系：HMxm，式中xm称为磁化系数。那么我们就得到：8)1(HBxm。，定义xmr1，称为相对磁化率，不同磁介质的相对磁化率（磁化系数）是不同的，这里给出几种介质的磁化系数的实验值：表一：几种磁介质的磁化系数顺磁质xm（18℃）抗磁质xm（18℃）锰1054.12铋10570.1铬1055.4铜105108.0铝10582.0银10525.0空气（1atm,20℃）10536.30氢（1atm,20℃）10574.2不难发现它们的磁化率远小于1，而磁化率又是反映介质被磁化能力大小的，可见这里的磁介质是很难被磁化的。同时，这样的结果也说明了一个问题，就是磁介质的存在并不能绝对的增强磁场大小。顺磁质能增强所在区域的磁场，而抗磁质则相反。除此之外还有一类特殊的磁介质就是被我们用来屏蔽磁场的，称为铁磁质。类似上述方法，我们得出HB关系，发现极不规则，且得出二者图线，如右：很显然，这里的B随H变化（即)1(xm。）要比上面的强烈得多。而且事实上也确实如此，铁磁性的磁导率)]1([xm。值很大，一般在101062~之间。值得一提的是从图三中我们也能发现当磁场强度为零时，磁化场却不为零，即出现剩磁现象，这是怎么回事呢？物理学中引进磁畴的概念来解释这一现象，就像一个个磁分子一样，磁介质可以看成是由无数的小磁畴构成，每一个磁畴里的磁场方向都不一致，但在外场的作用下，与其具有相同（近）方向磁场的磁畴逐渐增大，当外场足够大时，所有磁畴的方向便一致了，从而也就产生了磁性。那么，磁又是如何被屏蔽掉的呢？通过以上分析，我们知道磁介质能改变它所在区域的磁场，并且通过比较我们发现铁磁材料改变的较好，大大的增加了它所在区域的磁场。但是物质守衡告诉我们磁场不可能平白无故的多出来，必定有地方的磁场减弱了，也就是说磁场发生了转移（这正是我们所希望的——把不需要的磁场通过转移的形式去除掉），那么这种转移又是如何发生的呢？我们已经知道i。Bdr，结合*式和7式，我们不难得到：idrMB。，亦即：iHdr。于是我们就可以在两个磁介质的表面取一闭合回路(如图五中b)，运用H的环路定理有：021llHdrHHtt，得到：921HHtt。另外再取闭合面S，如图五中c，由磁通连续我们可以得到：021SSBdSBBnn，即有1021BBnn。于是根据几何关系可得：sinsin2211HH，coscos2211BB两式相比有：11/t/tan2r121ran，由此不难看出磁场线从一种介质进到另一种介质时发生了折射，且介质的磁化率越大折射角越大。而我们已经知道铁磁质的磁化率远大于顺磁质和抗磁质的磁化率，于是上式就认为趋近于0，1是任取的，所以只能是2很大，即近于90°，也就是说磁场线将沿着磁介质的走向分布，从而改变了磁场线的分布，达到屏蔽的目的（见图六）。尽管如此，磁屏蔽的效果总不如电屏蔽来的彻底，因为11式中r1总有不为0的值，所以我们要提高评比的效果就得通过增大r2的方法，即选用高磁导材料，或多层屏蔽。参考资料：Ⅰ.《固体物理简明教程》蒋平徐至中复旦大学出版社2000.3Ⅱ.FundamentalsofPHYSICS(sixEDITION)HallidayResnickWalkerSanatPrinters.kundli.Haryalla2006Ⅲ.《大学物理学》张慧三清华大学出版社2000.3Ⅳ.《电磁学》张玉民戚伯云科学出版社/中国科学技术大学出版社2000.8