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揭示:电子变压器的磁性基本现象

作者:时间:2011-02-23来源:网络收藏

电子在导体内总是沿着阻力最小的路线流动。在导体表面及近表层的结构元与导体表面基本平行,电子在其间换位流动阻力较小。而在导体内部结构元呈上下、左右、前后空间排列,电子在其间定向流动要受到五个方向的阻力,(而在表面只有三个方向的阻力)可见电子在导体表层附近运行的阻力要比在内部小得多,这样就导致了电流的集肤效应。


其二,当电子在导线内移动时,在其运动的垂直方向伴生着磁场,(右手定则)其它电子在磁场的作用下向逐步向周边发散移动,于是移向了导线的表层附近,形成了电流的集肤效应。

其三,当然还有温度的影响:在导体内部,电阻产生的热不易散发,温度较高,价和电子运转的速率高,线路不是很扁平,这样就导致了电子通路相对窄小,电阻就高。在导体的表面,散热快、温度低,价和电子运转的速率低,线路扁平,这样就导致了电子通路相对宽大,而故导体表面电阻小,外来电子运行较快,这也是电流集肤的原因之一。 尖端放电 当导体的某部分做得很细很尖时,尖端部分的表面积相对较大,换位移动到此的电子密度相对较大,在尖端部分甚至有些拥挤,有部分电子在拥挤中从尖端溢出,于是就导致了尖端放电现象。

磁性基本现象

从「磁性来源」中我们了解到,某些原子的核外电子的自旋磁矩不能抵消,从而产生剩余的磁矩。但是,如果每个原子的磁矩仍然混乱排列,那么整个物体仍不能具有磁性。只有所以原子的磁矩沿一个方向整齐地排列,就像很多小磁铁首尾相接,才能使物体对外显示磁性,成为磁性材料。这种原子磁矩的整齐排列现象,就称为自发磁化。既然磁性材料内部存在自发磁化,那么是不是物体中所有的原子都沿一个方向排列整齐了呢?当然不是,否则,凡是钢铁等就会永远带有磁性,成为一块大磁铁,永远能够相互吸引了(实际上,两块软铁不会自己相互吸引)。事实上,磁性材料绝大多数都具有磁畴结构,使得它们没有磁化时不显示磁性。

磁畴:

所谓磁畴,是指磁性材料内部的一个个小区域,每个区域内部包含大量原子,这些原子的磁矩都像一个个小磁铁那样整齐排列,但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同,如右图所示。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。宏观物体一般总是具有很多磁畴,这样,磁畴的磁矩方向各不相同,结果相互抵消,矢量和为零,整个物体的磁矩为零,它也就不能吸引其它磁性材料。也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后,它才能对外显示出磁性。下图为在显微镜中观察到的磁性材料中常见的磁畴形状,其中左面是软磁材料常见的条形畴,黑白部分因为不同的磁畴其磁矩方向不同而具有不同的亮度,它们的交界面就是畴壁;中间是树枝状畴和畴壁;右面是薄膜材料中可以见到的磁畴形状。实际的磁性材料中,磁畴结果五花八门,如条形畴、迷宫畴、楔形畴、环形畴、树枝状畴、泡状畴等。

既然磁畴内部的磁矩排列是整齐的,那么在磁畴壁处原子磁矩又是怎样排列的呢?在畴壁的一侧,原子磁矩指向某个方向,假设在畴壁的另一侧原子磁矩方向相反。那么,在畴壁内部,原子磁矩必须成某种形式的过渡状态。实际上,畴壁由很多层原子组成。为了实现磁矩的转向,从一侧开始,每一层原子的磁矩都相对于磁畴中的磁矩方向偏转了一个角度,并且每一层的原子磁矩偏转角度逐渐增大,到另一侧时,磁矩已经完全转到和这一侧磁畴的磁矩相同的方向。上图给出了典型的磁畴壁结构示意图。

居里温度:

对于所有的磁性材料来说,并不是在任何温度下都具有磁性。一般地,磁性材料具有一个临界温度Tc,在这个温度以上,由于高温下原子的剧烈热运动,原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下,原子磁矩排列整齐,产生自发磁化,物体变成铁磁性的。

利用这个特点,人们开发出了很多控制组件。例如,我们使用的电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105度的磁性材料。当锅里的水分干了以后,食品的温度将从100度上升。当温度到达大约105度时,由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失,磁铁就对它失去了吸力,这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开,同时带动电源开关被断开,停止加热。

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关键词: 变压器/磁性

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