§36-3 磁化曲线

现在将考察某些简单情况,其中磁场为恒量、或场变化得足够缓慢以致同j传导 相比可以略去∂D/∂t,于是场将遵循方程组:

▽·B=0, (36.16)

▽×H=j传导 /∈0 c2 , (36.17)

H=B-M/∈0 c2 . (36.18)

假设有一个由铜线圈包扎的铁环(炸面饼圈模样),如图36-7(a)所示。导线中有电流I流动。这样,磁场将会怎么样呢?磁场将主要存在于铁环之内,那里,B线将是一些圆圈,如图36-7(b)所示。由于B通量是连续的,所以它的散度便是零,而式(36.16)被满足。其次,通过绕图36-7(b)所示的闭合回路Γ进行积分而把式(36.17)写成另一种形式。根据斯托克斯定理,我们有

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其中j的积分是对整个以Γ为边界曲面进行的。这个曲面被每一匝绕线穿过一次,每一匝对积分都贡献了电流I,若总共有N匝,则积分为NI。根据我们问题中的对称性,环绕曲线Γ各处的B都相同,若假定磁化强度——从而场H——沿着Γ也是恒定不变的,则式(36.19)变成

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其中l为该曲线Γ的长度。因此,

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正是因为在像这样一种情况下H与起磁电流成正比,所以H有时被称为磁化场

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图36-7 (a)一个绕上了绝缘导线圈的铁环;(b)铁环截面中的场线

现在,只需要H与B有关的方程。但不存在任何这样的方程!当然,我们有个方程式(36.18),不过那没有什么帮助,因为对于像铁那样的铁磁性材料M与B之间并没有直接的关系。磁化强度M取决于铁的整个过去历史,而不仅取决于该时刻的B。

然而,并不是毫无希望。在某些简单情况下我们还是能够获得一些解答的。如果从未磁化的铁开始——让我们说该块铁已在高温下退了火——那么在铁环的简单几何中,全部铁就都有相同的磁性历史。这样,我们就能根据实验测量结果对M——从而对B和H间的关系——说出某些东西。根据式(36.20),铁环里的场H可以表示为一常数乘以绕线中的电流I。而场B则可通过对线圈中(或绕于图示的那个起磁线圈上面的另一个辅助线圈中)的电动势对时间的积分而量度出来。由于这个电动势等于B通量的变化率,因而电动势对时间的积分就等于B乘以该铁环的横截面积。

图36-8显示出用一个软铁环所观测到的B和H之间的关系。当电流初接通时,B沿曲线a随着H的增大而增大。要注意,B和H的不同标度。起初,只要相对小的H就能造成大的B。为什么用铁所得的B会比在空气中得到的大那么多呢?这是因为有一个大的磁化强度M,它等效于在铁上有一个较大的表面电流——场B来自这一电流与绕线中的传导电流之 。为什么M会那么大,我们将在以后讨论。

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图36-8 软铁的典型磁化曲线和磁滞回线

在H值较高时,磁化曲线趋于水平,我们就说铁块已经饱和 。按图上的那种标尺,曲线看来已变成水平。实际上,它稍微继续上升——对于强场来说,B变成正比于H,并有一单位斜率。M不再增加。顺便提一下,我们应该指出,假如该环是由某种非磁性材料制成的,则对于所有场M均应该为零,而B应等于H。

我们所注意到的第一件事,是图36-8中曲线a——通常所说的磁化曲线 ——的高度非线性。但更糟的是若达到了饱和之后,我们减少线圈里的电流使H回到零,则磁场B将沿曲线b下降。当H达到零时,仍会有些剩余的B。即使没有起磁电流,在铁里仍有磁场——它已被永远磁化了。如果我们此时在线圈中接通一 电流,则B-H曲线仍将继续沿着b下降,直到铁在负方向达到饱和。然后若我们再使电流回到零,则B将沿曲线c变化。如果使电流在大的正值与负值之间交变,则B-H曲线将会沿着极接近于b与c的两条曲线来回变化。然而,若以某种任意方式改变H,则可获得更为复杂的曲线,一般而言它们将位于曲线b与c之间的某些地方。由场的反复振荡所形成的回路称为铁的磁滞 回线。

于是我们看到,不可能写出一个像B=f(H)的函数关系,因为在任意时刻的B值不但取决于在该时刻的H值如何,而且还取决于它过去的整个历史。自然,磁化曲线和磁滞回线对于不同物质是不同的。这些曲线的形状既密切依赖于该材料的化学成分,也依赖于其制备及随后物理处理的细节。我们在下一章中将对这些复杂情况的某些物理解释进行讨论。