磁屏蔽及其本质的探究

1、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

2、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。需耍指出的是，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：亍=恥3。1），其屮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：万二加s，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, 瓦是外加磁场。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

3、了变化：方=恳+（3）, 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：雨=孕叫4）,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。对感生磁场运用安比例系数川是真空中的磁b、dr =i=n 兀 c d/i=/llo mdr *培环路定理（如图二）得： = “而,|dr图一二对感5磁场运川女瑞环路定pe化率。对于瓦，我们定义了磁场强度h,并使得：瓦=“。h。这样v3式我们就可以写成：b =+ f = h + “。m。实验表明磁场强度和磁化强度之间有关系：m=xih,式中竝称为磁化系数。那么我们就得到：b = “。（1 +兀丿丹今，定义“广1 +兀”，称为相对磁化率

4、，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r (18°c)抗磁质y (18°c)12.4 x(f-1.70xjq-5珞4 5xl0_5铜-0.108x105铝o.82xjq5银_ 0.25x10 5空气(1 atm,20 °c)30.36 x iq'5氢(1 atm,20°c)- 2.74x不难发现它们的磁化率远小于1,而磁化率乂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，这样的结杲也说明了一个问题，就是磁介质的存在并不能多。而且事实上也确实如此，铁磁

5、性的磁导率“匸“。（1 +如）值很人， 一般在 102106图四： 磁畴很显然，这里的b随h变化（即“。（1 +如）要比上面的强烈得z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，这是怎么冋事呢？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，并但通过比较我们发现

6、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？我们已经知道押d“。工i,结合*式和v7式，我们不难得到：= 亦即：hdr = x于是我们就可以在两个磁介质巧二也hb2z ur2h2图五b2nb2t的表面取一闭合回路（如图五中b）,运用h的环路定理有： wr = /ka/-/2a/ = o,得到：hjhx另外再取闭合面s, 如图五中c,由磁通连续我们可以得到：押ds二民as-b“as=o,即有于是根据儿何

7、关系可得:hi 血。广比血仏，bicosi = b2cos2两式相比有：伽0/伽0=乩/“2i"，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 人。而我们己经知道铁磁质的磁化率远人于顺磁质和抗磁质的磁化 率，于是上式就认为趋近于0, 0是任取的，所以只能是&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“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厶的方法， 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 徐至屮 复旦大学出版社2000.3ii fundamentals of physics (six edition) halliday re