磁学的基本概念

按照电磁学理论，可把磁性体假定是由许多非常细小的磁畴所构成的。磁畴的体积很小，较大的磁畴只有10-7～10-3cm，每一个磁畴包含有1012～1015个分子，本身有南极和北极，相当于一块小小的永久磁铁。磁性体在未经磁化的情况下，这些磁畴的排列是杂乱无章的，这时，彼此的磁性互相抵消，就整体来说，对外并不显示磁性。如果我们使磁性体外面的线圈通上电流，磁性体由于处于磁场内，磁畴受到磁化力的影响，就产生一种趋向于统一排列的趋势，如外部磁化力不够强，磁畴排列的方面还不能完全一致，彼此互相抵消磁力的现象不能完全消除，磁性体对外所显示的磁性还不能达到最大值。如果使用磁性体磁化强度再增加，磁畴的排列就更趋整齐，这时磁性体的磁性达到最大值。此后，尽管再增加线圈的电流，磁性体也不会有更大的磁性。换句话说，磁性体在此时的磁力线已经达到饱和的程度。当外界的磁场消失，磁性体磁畴的排列仍保持整齐的状态，这就是永久磁体。
　　1. 磁场、磁力线、磁通、磁感应强度
（1）磁场是存在于磁体、电流和运动电荷周围空间的一种特殊形态的物质。
: y9 i2 ?' ~3 q; k磁场的基本特性是对处于其中的磁体、电流和运动电荷有磁场力的作用。
1 \7 M0 e% t7 p+ g5 I  Z7 R( O磁场的来源是永久磁体、电流、运动电荷。
! p" k8 J2 V( l, `) G% R# Y5 f（2）磁力线是一种对磁场的情况假想的形象描述。磁力线的方向与指南针N极所指的方向一致，通过磁场内某一截面积的磁力线总数叫磁通，用φ表示，单位为韦（Wb）。
" h( h+ [: T5 S+ n2 b1 O通过与磁力线垂直方向的单位面积的磁力线数目叫磁力线的密度，也叫磁通密度或磁感应强度，用B表示，单位为特（T）。
2 B! V) i, H& @% @5 j) R2. 磁场强度和磁导率
: H5 k/ W& S4 s. E　　磁通、磁感应强度皆因介质而异。为了定义一个与介质无关的量，把真空中的磁感应叫做磁化力或磁场强度，用H表示，单位为安每米（A／m）。B与H的比值叫磁导率，用 μ表示，即μ＝B／H。
( T& d! h$ h1 Q1 h! m# p4 E* w    实验证明：空气的μ＝1；铁磁材料（铁、坡莫合金等）的μ可达几千或几万。
0 G+ e- d4 E0 S3 ]- M# j  3. 磁滞回线
% k& a) N0 G4 K; G1 S　　在各种磁介质中，最重要的是以铁为代表的一类磁性很强的物质，它们叫铁磁体。在铁磁材料中，磁导率μ不是常数，它随H而变，也因原来的磁化情况而异。在磁场中，铁磁体的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线来表示，当磁化磁场作周期的变化时，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线，这条闭合线叫做磁滞回线。
( P9 u( E- [* H; T  每一种铁磁材料各有不同的磁滞回线，磁滞回线是研究铁磁材料磁特性的基础。
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二、磁卡记录原理
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) a- ]5 P7 ?' o, r5 x　　 记录磁头由内有空隙的环形铁芯和绕在铁芯上的线图构成。磁卡是由一定材料的片基和均匀地涂布在片基上面的微粒磁性材料制成的。在记录时，磁卡的磁性面以一定的速度移动，或记录磁头以一定的速度移动，并分别和记录磁头的空隙或磁性面相接触。磁头的线圈一旦通上电流，空隙处就产生与电流成比例的磁场，于是磁卡与空隙接触部分的磁性体就被磁化。如果记录信号电流随时间而变化，则当磁卡上的磁性体通过空隙时（因为磁卡或磁头是移动的），便随着电流的变化而不同程度地被磁化。磁卡被磁化之后，离开空隙的磁卡磁性层就留下相应于电流变化的剩磁。
　　 如果电流信号（或者说磁场强度）按正弦规律变化，那么磁卡上的剩余磁通也同样按正弦规律变化。当电流为正时，就引起一个从左到右（从N到S）的磁极性；当电流反向时，磁极性也跟着反向。其最后结果可以看作磁卡上从N到S再返回到N的一个波长，也可以看作是同极性相接的两块磁棒。这是在某种程度上简化的结果，然而，必须记住的是，剩磁Br是按正弦变化的。当信号电流最大时，纵向磁通密度也达到最大。记录信号就以正弦变化的剩磁形式记录，贮存在磁卡上。
三、磁卡工作原理
) q7 T$ `" ]9 v　　磁卡上面剩余磁感应强度Br在磁卡工作过程中起着决定性的作用。磁卡以一定的速度通过装有线圈的工作磁头，磁卡的的外部磁力线切割线圈，在线圈中产生感应电动势，从而传输了被记录的信号。当然，也要求在磁卡工作中被记录信号有较宽的频率响应、较小的失真和较高的输出电平。
5 i3 b* M/ e# w1 ^" F/ y( p　　一根很细的金属直线可以作为一个简单的重放设备。金属直线与磁卡紧贴，方向垂直于磁卡运行方向，磁卡运行时，金属直线切割磁力线而产生感应电动势，电动势的大小与切割的磁力线成正比。当磁卡的运行速度保持不变时，金属直线的感应电动势与磁卡表面剩余磁感应强度成正比，而导体中的感应电动势可由下式表示：
& F8 F5 q* f, t; y, ]: N9 F+ qe=BrWv
　　式中Br－表面剩余磁感应强度；
　　W－记录道迹的宽度；
　　v－重放时磁卡的运行速度。
　　在Br=2πf/vφrmcos2πft的情况下，综合Br和e的关系式，得到
" O4 A6 a' X7 ^: e0 g" Z; n$ w2 K' j, X8 `　　e=2πfWφrmcos2πft
% ^4 _5 D+ l  ~. |/ G　　当然，用一根金属线作磁卡工作设备，由于输出很小，故而是不实用的。
6 @2 @: |/ }/ A4 L( z6 ?- m而磁头是用高导磁系数的软磁材料制成的铁芯，上面缠有绕组线圈，磁头前面有一条很窄的缝隙，这时进入工作磁头的磁卡磁通量而言，可以看作是两个并联的有效磁阻，即空隙的磁阻和磁头铁芯的磁阻。因为空隙的有效磁阻远大于工作磁头铁芯的磁阻，所以磁卡上磁通量的绝大部分输入到磁头铁芯，并与工作磁头上线圈绕组发生交连，因而感应出电动势，在这种情况下，单根金属重放线所得到的感应电动势公式完全适用于环形磁卡工作磁头，只是比例系数不同而已。
　　设N为线圈的匝数，m为与工作磁头铁芯的大小和磁性有关的系数，则环形工作磁头绕组中所产生的感应电动势为：
　e=2πfWmNφrmcos2πft
7 M8 K; l% m/ k4 r　　因为在工作磁绕组中所感应的电动势正比于磁通的变化率，即电动势e∝By∝ 频率f。在记录时i=Isinwt，纵向剩磁密度Bx∝i（传递曲线的直线部分），所以，Bx=K1Isinwt。由于By∝dbx/dt,e∝By，所以，e=K2Iwcoswt。这里的K2取决于工作磁头的效率、匝数、磁带材料等。这些公式还表明：输出电压正比记录电流；输出电压正比于信号频率；输出电压得到
90°的相应变化（即由正弦项改变到余弦项）。