電子在導(dǎo)體內(nèi)總是沿著阻力最小的路線流動。在導(dǎo)體表面及近表層的結(jié)構(gòu)元與導(dǎo)體表面基本平行,電子在其間換位流動阻力較小。而在導(dǎo)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)元呈上下、左右、前后空間排列,電子在其間定向流動要受到五個方向的阻力,(而在表面只有三個方向的阻力)可見電子在導(dǎo)體表層附近運行的阻力要比在內(nèi)部小得多,這樣就導(dǎo)致了電流的集膚效應(yīng)。
其二,當(dāng)電子在導(dǎo)線內(nèi)移動時,在其運動的垂直方向伴生著磁場,(右手定則)其它電子在磁場的作用下向逐步向周邊發(fā)散移動,于是移向了導(dǎo)線的表層附近,形成了電流的集膚效應(yīng)。
其三,當(dāng)然還有溫度的影響:在導(dǎo)體內(nèi)部,電阻產(chǎn)生的熱不易散發(fā),溫度較高,價和電子運轉(zhuǎn)的速率高,線路不是很扁平,這樣就導(dǎo)致了電子通路相對窄小,電阻就高。在導(dǎo)體的表面,散熱快、溫度低,價和電子運轉(zhuǎn)的速率低,線路扁平,這樣就導(dǎo)致了電子通路相對寬大,而故導(dǎo)體表面電阻小,外來電子運行較快,這也是電流集膚的原因之一。 尖端放電 當(dāng)導(dǎo)體的某部分做得很細(xì)很尖時,尖端部分的表面積相對較大,換位移動到此的電子密度相對較大,在尖端部分甚至有些擁擠,有部分電子在擁擠中從尖端溢出,于是就導(dǎo)致了尖端放電現(xiàn)象。
磁性基本現(xiàn)象
從「磁性來源」中我們了解到,某些原子的核外電子的自旋磁矩不能抵消,從而產(chǎn)生剩余的磁矩。但是,如果每個原子的磁矩仍然混亂排列,那么整個物體仍不能具有磁性。只有所以原子的磁矩沿一個方向整齊地排列,就像很多小磁鐵首尾相接,才能使物體對外顯示磁性,成為磁性材料。這種原子磁矩的整齊排列現(xiàn)象,就稱為自發(fā)磁化。既然磁性材料內(nèi)部存在自發(fā)磁化,那么是不是物體中所有的原子都沿一個方向排列整齊了呢?當(dāng)然不是,否則,凡是鋼鐵等就會永遠(yuǎn)帶有磁性,成為一塊大磁鐵,永遠(yuǎn)能夠相互吸引了(實際上,兩塊軟鐵不會自己相互吸引)。事實上,磁性材料絕大多數(shù)都具有磁疇結(jié)構(gòu),使得它們沒有磁化時不顯示磁性。
磁疇:
所謂磁疇,是指磁性材料內(nèi)部的一個個小區(qū)域,每個區(qū)域內(nèi)部包含大量原子,這些原子的磁矩都像一個個小磁鐵那樣整齊排列,但相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩排列的方向不同,如右圖所示。各個磁疇之間的交界面稱為磁疇壁。宏觀物體一般總是具有很多磁疇,這樣,磁疇的磁矩方向各不相同,結(jié)果相互抵消,矢量和為零,整個物體的磁矩為零,它也就不能吸引其它磁性材料。也就是說磁性材料在正常情況下并不對外顯示磁性。只有當(dāng)磁性材料被磁化以后,它才能對外顯示出磁性。下圖為在顯微鏡中觀察到的磁性材料中常見的磁疇形狀,其中左面是軟磁材料常見的條形疇,黑白部分因為不同的磁疇其磁矩方向不同而具有不同的亮度,它們的交界面就是疇壁;中間是樹枝狀疇和疇壁;右面是薄膜材料中可以見到的磁疇形狀。實際的磁性材料中,磁疇結(jié)果五花八門,如條形疇、迷宮疇、楔形疇、環(huán)形疇、樹枝狀疇、泡狀疇等。
既然磁疇內(nèi)部的磁矩排列是整齊的,那么在磁疇壁處原子磁矩又是怎樣排列的呢?在疇壁的一側(cè),原子磁矩指向某個方向,假設(shè)在疇壁的另一側(cè)原子磁矩方向相反。那么,在疇壁內(nèi)部,原子磁矩必須成某種形式的過渡狀態(tài)。實際上,疇壁由很多層原子組成。為了實現(xiàn)磁矩的轉(zhuǎn)向,從一側(cè)開始,每一層原子的磁矩都相對于磁疇中的磁矩方向偏轉(zhuǎn)了一個角度,并且每一層的原子磁矩偏轉(zhuǎn)角度逐漸增大,到另一側(cè)時,磁矩已經(jīng)完全轉(zhuǎn)到和這一側(cè)磁疇的磁矩相同的方向。上圖給出了典型的磁疇壁結(jié)構(gòu)示意圖。
居里溫度:
對于所有的磁性材料來說,并不是在任何溫度下都具有磁性。一般地,磁性材料具有一個臨界溫度Tc,在這個溫度以上,由于高溫下原子的劇烈熱運動,原子磁矩的排列是混亂無序的。在此溫度以下,原子磁矩排列整齊,產(chǎn)生自發(fā)磁化,物體變成鐵磁性的。
利用這個特點,人們開發(fā)出了很多控制組件。例如,我們使用的電飯鍋就利用了磁性材料的居里點的特性。在電飯鍋的底部中央裝了一塊磁鐵和一塊居里點為105度的磁性材料。當(dāng)鍋里的水分干了以后,食品的溫度將從100度上升。當(dāng)溫度到達大約105度時,由于被磁鐵吸住的磁性材料的磁性消失,磁鐵就對它失去了吸力,這時磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會把它們分開,同時帶動電源開關(guān)被斷開,停止加熱。
與磁性材料有關(guān)的常用物理量:
磁場強度:指空間某處磁場的大小,用H表示,它的單位是安/米(A/m)。
磁化強度:指材料內(nèi)部單位體積的磁矩矢量和,用M表示,單位是安/米(A/m)。
磁感應(yīng)強度: 磁感應(yīng)強度B的定義是:B=m0(H+M),其中H和M分別是磁化強度和磁場強度,而m0是一個系數(shù),叫做真空導(dǎo)磁率。磁感應(yīng)強度又稱為磁通密度,單位是特斯拉(T)。
導(dǎo)磁率:導(dǎo)磁率的定義是m=B/m0H,是磁化曲線(見材料的靜態(tài)磁化)上任意一點上B和H的比值。導(dǎo)磁率實際上代表了磁性材料被磁化的容易程度,或者說是材料對外部磁場的靈敏程度。
磁性材料的靜態(tài)磁化及常用性能指針:
我們已經(jīng)知道,磁性材料內(nèi)部具有磁疇,它們就好像眾多的小磁鐵混亂地堆積,整體對外沒有磁性。這時我們稱材料處于磁中性狀態(tài)。但是,如果材料處在外加磁場的環(huán)境中,那么這些小磁鐵(實際上是磁疇的磁矩)就會和磁場發(fā)生相互作用,其結(jié)果就是材料中的磁矩發(fā)生向外加磁場方向的轉(zhuǎn)動,導(dǎo)致這些磁矩不再能相互抵消,也就是說所有磁矩的矢量和不等于零。在外加磁場的作用下,磁性材料由磁中性狀態(tài)變成對外顯示磁矩狀態(tài)的過程稱為磁化。
那么磁性材料在磁化過程中到底發(fā)生了哪些變化呢?
在磁中性狀態(tài)(即沒有外加磁場),材料內(nèi)部的磁矩成混亂排列,總的磁矩為零,因此材料顯示的磁化強度也是零。
當(dāng)磁性材料處于外加磁場中時,材料內(nèi)部的磁矩就會受到磁場的作用力,磁矩會向外磁場的方向轉(zhuǎn)動,就像磁鐵在磁場中轉(zhuǎn)動一樣。這時,磁矩就不再是完全混亂排列的了,而是沿外磁場方向產(chǎn)生了一個總的磁化強度,這時我們說材料被磁化了。并且,外磁場越大,材料內(nèi)部的磁矩向外磁場方向轉(zhuǎn)動的數(shù)量和程度就越多。當(dāng)外磁場足夠大時,材料內(nèi)部所有的磁矩都會沿外磁場方向整齊排列,這時材料對外顯示的磁化強度達到最大值,我們說材料被磁化到了飽和。達到飽和之后,無論怎樣增大磁場,材料的磁化強度也不再增大。因此材料被磁化到飽和時的磁化強度稱為飽和磁化強度,用Ms來表示。
從上面的分析,我們知道材料的磁化強度隨外磁場而變化。在科學(xué)實驗和生產(chǎn)實際中,常把磁場和磁化強度的關(guān)系畫成曲線,稱為磁化曲線,如圖所示。其中,橫坐標(biāo)表示外磁場的大小,縱坐標(biāo)表示磁化強度的高低。磁化曲線一般可以分成三個階段:可逆磁化階段、不可逆磁化階段、飽和階段。
在工程上,一般不用磁化強度-磁場的關(guān)系畫磁化曲線,而用磁感應(yīng)強度-磁場的關(guān)系畫磁化曲線。這時,磁化飽和時就有一個飽和磁感應(yīng)強度(或者飽和磁通密度),用Bs表示。以后,如果沒有特殊說明,我們都用的是B-H磁化曲線。飽和磁感應(yīng)強度是磁性材料的一個重要指標(biāo)。
在磁化曲線上,每一點都有一個磁感應(yīng)強度和磁場的比值,稱為導(dǎo)磁率。在磁化的不同階段,材料的導(dǎo)磁率也不同,導(dǎo)磁率在最高點稱為最大導(dǎo)磁率。在磁化起始點的導(dǎo)磁率稱為初始導(dǎo)磁率。導(dǎo)磁率是軟磁材料的另一個非常重要的指標(biāo)。
那么,在磁化過程中,材料內(nèi)部的磁矩究竟是怎樣轉(zhuǎn)動的?有兩種方式使材料的磁矩產(chǎn)生轉(zhuǎn)動:一是疇壁位移:材料磁化時,疇壁內(nèi)部的原子磁矩逐漸轉(zhuǎn)向外磁場的方向,疇壁逐漸推移,這樣,與外磁場方向接近的磁疇面積逐漸擴大,而與外磁場方向相反的磁疇逐漸縮小。這種方式一般發(fā)生在非飽和階段。二是磁矩一致轉(zhuǎn)動:在外磁場的作用下,與外磁場方向相反的磁疇中的磁矩向外磁場方向整體轉(zhuǎn)動,就像磁鐵轉(zhuǎn)動一樣。這種方式主要發(fā)生在接近飽和階段。