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本文讨论了与磁性材料相关的以下基本概念：磁偶极矩、磁化矢量、磁化率和磁导率。

磁性材料的特性直接影响变压器、电机、发电机和电磁铁等设备的性能。这使得磁性材料科学成为一个重要的研究领域，也是一个引人入胜的领域——我们利用它来了解这些材料的性质，并设计和合成能够满足不同应用需求的新材料。

这是一系列文章中的第一篇，介绍了磁性材料行为的基本概念。我们将在随后的文章中进一步探索磁性材料的世界，希望能更全面地了解这些物质在我们的变压器和电感器中所起的复杂作用。

磁偶极矩

不同的材料对相同的外部磁场可以具有完全不同的响应。为了理解为什么，我们首先需要了解磁偶极子是如何决定磁行为的。我们将通过考虑一种叫做磁偶极矩的东西来做到这一点。

磁偶极矩，或简称磁矩，是电磁学中的一个有用概念，使我们能够理解和表征电流回路和均匀磁场之间的相互作用。具有面积a和电流I的电流回路的磁矩由下式给出：

等式1。

注意，面积被定义为一个矢量，这使得磁矩也成为一个矢量量。两个矢量的方向相同。

磁矩的方向垂直于线圈的平面。它可以通过应用右手规则找到——如果你把右手的手指沿着电流的方向弯曲，你的拇指就会显示磁矩矢量的方向。如图1所示。

使用右手尺来确定磁矩的方向。

图1。右手规则决定磁矩的方向。

回路的磁矩只取决于电流和面积。它与回路的形状无关。

转矩和磁矩

考虑图2，它显示了放置在均匀磁场中的电流回路。

磁场中的电流回路。

图2:磁场中的电流回路。

在上图中：

I是电流。

→B是磁场矢量。

→μ是磁矩。

θ是磁矩和磁场矢量之间的角度。

因为作用在回路相对两侧的力相互抵消，所以作用在回路上的总力为零。然而，回路确实会受到磁转矩的影响。作用在回路上的扭矩大小由以下公式给出：

等式2。

从方程2可以看出，τ与磁矩直接相关。这是因为磁矩的行为就像磁铁——当它被放置在外部磁场中时会受到扭矩。扭矩总是倾向于使环路朝着稳定的平衡位置旋转。

当磁场垂直于回路平面（θ=0度）时，会发生稳定平衡。如果我们将环路稍微旋转离开这个位置，扭矩会迫使环路回到平衡状态。

θ=180度时，扭矩也为零。然而，在这个位置上，回路处于不稳定的平衡状态。离开θ=180度的轻微旋转会导致扭矩将回路从该点进一步推向θ=0度。

为什么磁矩很重要？

许多设备依赖于电流回路和磁场的相互作用。例如，电动机产生的转矩是基于电动机的磁场和载流导体之间的相互作用。在这种相互作用中，势能随着导体的旋转而变化。

磁矩和外部磁场之间的相互作用是在我们的磁系统中产生势能的原因。这两个矢量之间的角度决定了系统（U）中存储的能量，如我们在以下方程中所见：

等式3。

以下是几种不同的重要配置下的存储能量值：

在θ=0度时，我们处于稳定平衡，存储的能量最小（U=–μB）。

在θ=90度时，储存的能量已增加到U=0。

在θ=180度时，储存的能量达到其最大值，U=μB。这是不稳定的平衡位置。

从原子模型看净磁矩

为了充分理解磁性材料是如何产生磁场的，我们需要研究量子力学。这超出了本文的范围，但我们仍然可以使用磁矩概念和原子的经典模型来深入了解材料如何与外部磁场相互作用。该模型表明，电子绕原子核旋转，同时也绕其自身的轴旋转，如图3所示。

电子的轨道运动和自转运动产生磁矩。

图3。电子的轨道运动和自转运动产生磁矩。

电子的轨道运动类似于有一个微小的电流环。因此，它会产生磁矩（→μ1在上图中）。电子的自旋同样产生磁矩(→μ2

关键词： 磁性材料 磁偶极矩 磁化矢量 磁化率 磁导率