如何學習電工基礎:物質的磁性(二十二)

不知大家對鐵磁物質的了解有多少？或者這樣問，為什麼電機的鐵芯或變壓器的鐵芯都是由矽鋼片製成？如需電工全套資料，可私信回復「電工」即可！

如下圖22-1所示，變壓器的以矽鋼片製成鐵芯，電機的繞組是嵌放在由矽鋼片疊成的鐵芯槽內。

▲圖22-1

這是因為矽鋼片是高磁導率（磁阻低）的鐵磁性材料，能使磁通絕大部分通過由矽鋼片疊成的鐵芯而形成閉合迴路。這就好比電流都是流過導體的原理，只有微小的漏電流會流過絕緣物質，但是磁導率和電導率是完全不同數量級的數，所以漏電流和漏磁通的數量級也是是完全不同的。

磁導率，在之前的學習分享中已經學過，是一個用來表示磁場媒質磁性即磁介質的物理量，也就是用來衡量物質導磁能力（即導磁性）的物理量，用符號μ表示，單位是H/m（亨/米），其值由媒質的性質所決定真空中的磁導率是一個常數，用μ0表示，即μ0=4π×10-7H/m。其它任一媒質的磁導率與真空的磁導率的比值稱為相對磁導率，用μr表示，即μr=μμ0。

其中磁介質是指磁場中的物質，類似於電場中的電介質。而導磁性是指物質對磁場的影響能力。

在之前學習磁場的基本物理量的時候也提到過，磁導率μ與磁場強度H和磁感應強度B之間存在著某種關係，即H=μB或H=B/μ。根據相對磁導率的定義，我們可以很快地推導出相對磁導率μ、磁場強度H與磁感應強度B之間的關係如圖22-2所示。

▲圖22-2

圖22-2中的式子表明，在同樣磁場強度的情況下，磁場空間某點的磁感應強度與該點媒質的磁導率有關，若媒質的磁導率為μ，則磁感應強度將是真空中磁感應強度的μr倍。

不同材料的相對磁導率μr相差很大。自然界的所有物質根據磁導率的大小，大體分可以為非磁性物質和磁性物質兩大類：

l 非磁性材料的相對磁導率為常數且接近於1；

l 磁性材料的相對磁導率則很大，其磁導率可比非磁性材料的要高102～106倍。

也就是說非磁性材料如空氣、木材、瓷、膠木、銅、鋁之類的磁介質，其導磁能力（即對磁場的增強程度）很弱且接近；而磁性材料如鐵、鎳、鈷和它們的合金及氧化物之類的磁介質，其導磁能力很強。

非磁性物質其實很好理解，它們一般不能被磁鐵吸合。非磁性材料分子電流的磁場方向雜亂無章，幾乎不受外磁場的影響而相互抵消，不具有磁化特性。它們的磁導率μ約等於真空磁導率μ0，即μ≈μ0，所以其相對磁導率μr≈1。

▲圖22-3

當物質是非磁性材料時，如上圖22-3所示，其中H=NI/l是磁介質的安培環路定理，在此就不展開講述。

從圖22-3我們可以看到，非磁性物質的磁感應強度B和所處的磁場強度H成正比，它們的特性曲線呈線性關係；

同樣的，其磁通φ與產生磁場的電流I成正比，也是呈線性關係。也就是說，外加電流越大，電流產生的磁場的磁場強度越強，此時的磁介質即非磁性物質的磁感應強度和磁通量也越大，但這個增大是呈線性趨勢。

當物質是磁性材料時，此時的B、H、φ與I就不是簡單的線性關係了，因為此時的磁性材料存在很大的磁化現象。而關於磁性材料的磁化現象，這也是我們接下來要學習的內容。

其實，任何物質在外磁場中都能夠或多或少地被磁化，只是磁化的程度不同而已。根據物質在外磁場中表現出的特性，物質可分為五類：順磁性物質、抗磁性物質、鐵磁性物質、亞磁性物質及反磁性物質。其中順磁性物質和抗磁性物質稱為弱磁性物質，鐵磁性物質稱為強磁性物質。通常所說的磁性材料其實就是指的強磁性物質。

另外，磁性材料按磁化後去磁的難易程度可分為軟磁性材料和硬磁性材料。磁化後容易去掉磁性的物質叫軟磁性材料，不容易去磁的物質叫硬磁性材料。一般來講軟磁材料剩磁較小，硬磁材料剩磁較大。

磁化，是指在受外磁場的作用下，由於材料中磁矩排列時取向趨於一致而呈現出一定的磁性的現象。其中磁矩是描述載流線圈或微觀粒子磁性的物理量。磁性物質內部會形成許多小區域，其分子間存在的一種特殊的作用力使每一區域的磁場排列整齊，顯示磁性，這些小區域就稱為磁疇。磁疇是天然磁化區，是磁性物質特有的結構，每一個磁疇都有自己的磁矩（即一個微小的磁場）。如下圖22-4所示，一個個的小區域就是磁介質的磁疇。

▲圖22-4

在沒有外磁場作用的普通磁性物質中，各個磁疇排列雜亂無章，如圖22-4的（a）所示，磁場相互抵消，整體對外不顯磁性。在外磁性作用下，磁疇方向發生變化，使之與外磁場方向趨於一致，如圖22-4的（b）所示，物質整體顯示出磁性來，這就是磁化，即磁性物質能被磁化。

磁介質的磁化現象有點類似於電介質在電場中所產生的極化現象。極化的電介質產生一個附加電場，從而對原電場產生影響；磁化的磁介質也要產生附加磁場，顯然，附加磁場對原磁場也會產生影響。

磁導率很大的鐵磁材料磁化後，能顯著地增強磁場，所以磁性物質被廣泛地應用於電工設備中，電動機、電磁鐵、變壓器等設備線圈中都含有的鐵芯，就是利用其磁導率大的特性，使得在較小的電流情況下得到儘可能大的磁感應強度和磁通，即鐵芯材料的磁化。

▲圖22-5

如圖22-5所示，若將鐵磁材料放入通電線圈中（線圈稱為勵磁線圈，電流稱為勵磁電流），在勵磁電流產生的外磁場的作用下，個磁疇的磁場方向趨向於外磁場的方向，產生一個很強的附加磁場，使合成的總磁場大大增強，這種現象就稱為鐵磁材料的磁化。

學到這裡，關於物質的磁性，我相信大家也有了一定程度的了解，下次我們會繼續學習磁性物質的磁特性。那麼，這次的學習就到此為止。（技成培訓原創，作者：楊思慧，未經授權不得轉載，違者必究！）