如何學電工基礎:關於磁性材料的磁特性(二十三)

2020-12-04 技成培訓網

磁滯回線是什麼？B-H曲線是什麼？#電工基礎#

在之前學習磁的基本物理量的時候我就提到過這兩個概念，當時沒有以此展開講解，其實就是在這等著大家呢。繼上次大家學習了什麼是磁性材料和非磁性材料後，我們這次繼續學習磁性材料的磁特性。

如下圖23-1所示的變壓器鐵芯矽鋼片、銑床電磁吸盤、電磁起重機，還有此卡、磁碟等等，鐵磁材料的應用與我們的生活息息相關。而磁性材料不同的磁特性可以讓它應用在各種不同的領域。那麼，磁性材料有著什麼樣的磁特性呢？如需電工全套資料，私信回復「電工」即可！

▲圖23-1

1、高磁導率

磁性材料的磁導率很大，μr1，其磁導率可比非磁性材料的要高102～106倍。這就好比高導電率，導體導電率（電導率） 越大，其電阻越小，導電性能也就越好，在相同電流作用下，其消耗也較小，作為導線用，顯然是選擇電導率越大的導體越有利。類似的，在需要應用磁力的各種設備中，自然也是磁力越大越好，而高磁導率的磁性材料，在通過很小的電流的情況下，就能產生很大的磁力，達到很好的工作效率。

例如曹老師在《電工基礎》課程中所提到的導磁塊、銑刨用強力電磁吸盤以及電磁起重機都是利用磁性材料高磁導率的特性得到廣泛使用。

2、磁飽和性

磁性物質因磁化產生的磁場是不會無限制增加的，當外磁場（或激勵磁場的電流）增大到一定程度時，全部磁疇都會轉向與外磁場方向一致，這是的磁感應強度將達到飽和值。我們以通電線圈為例，如圖23-2所示，圖（a）中流過電流i的通電線圈在真空中時的磁場強度H和磁感應強度B關係與圖（b）中流過相同電流i的通電線圈內含有磁性材料介質時的磁場強度H和磁感應強度B關係不同。

▲圖23-2

若圖23-2中的磁介質是變壓器鐵芯，顯然圖（b）中的磁感應強度比圖（a）的大得多。這是因為鐵芯被磁化後使得原磁場得到大大增強。而上文提到，磁性物質因磁化產生的磁場是不會無限制增加的，也就是說鐵芯對磁場的增強效果是有限的。

在上一次的學習內容中我們已經知道，非磁性物質的磁導率約等於真空磁導率，真空的磁感應強度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。

▲圖23-3

而含有磁介質的情況下的磁化曲線卻不是線性的，如圖23-3所示。磁性物質的磁化現象使得在相同的磁場強度（或者是相同的勵磁電流）下，磁介質中總的磁感應強度比真空情況下（沒有磁介質）的磁感應強度大；另外，磁性物質的磁導率也不是常數。因為此時的B與H不是線性關係，所以磁通量φ與H也不存在正比關係。

當磁化的磁感應強度達到飽和值，即全部磁疇都會轉向與外磁場方向一致的時候，BJ-H曲線趨於平緩，此時再增加磁場強度H，總的磁感應強度B的變化趨勢與B0基本相同。由B=μH，我們也可以看到，隨著H的增大，μ在增大，即B-H曲線的斜率在增大。顯然B-H曲線就是磁化曲線，它表示表示磁性物質中的磁場強度H與所感應的磁感應強度B之間的關係。

3、磁滯性

在上一次的學習中我們也已經知道了，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。也就是說，磁性材料通過磁化具有磁性後，其磁性並不是簡單的隨著磁場強度（或者是勵磁電流）的消失而消失，而是通過採用某種手段才能去掉磁性。

我們以鐵芯線圈為例講解，當鐵芯線圈通有交變電流時，鐵芯將受到交變磁化。但當H減少為零時，B並未回到零值，出現剩磁Br。這種磁感應強度滯後於磁場強度變化的性質稱為磁滯性。如圖23-4為磁性物質的磁滯回線。

▲圖23-4

如圖23-4所示，將沒有磁化過的磁性材料從磁場強度H=0開始，然後逐漸增大磁場強度H，磁場材料被磁化，隨著強度的增大，磁化的磁感應強度也沿O-1曲線增大，直至到達磁飽和狀態。此時再增大H，磁性材料的磁化狀態將基本保持不變。O-1曲線稱為起始磁化曲線。

此後若減小H，磁化曲線從點「1」開始並不沿原來的起始磁化曲線返回，這表明磁感應強度B的變化滯後於H的變化。當H減小為零時，B並不為零，而等於剩磁Br（點「2」）。要使剩磁消失，通常需進行反向磁化，即加一反向磁化場（反向磁場強度H），而當反向磁化場加強到-Hc時，B才為零。將B=0時的H值稱為矯頑磁力，即Hc稱為矯頑磁力，如圖23-4中的點「3」和點「6」,。

如果反向磁場強度H的大小繼續增大，磁性材料將沿反方向磁化到達飽和狀態，相應的磁感應強度繼續達到飽和值（點「4」）。

此後若使反向剩磁磁-Br減小到零，然後磁場強度H又沿正方向增加。磁性材料磁化狀態將沿曲線5-6-1回到正向飽和磁化狀態。

如圖23-4中這種在磁場強度周期性變化時，磁性物質由於磁滯現象的閉合磁化曲線叫做磁滯回線。磁性材料在循環磁化過程中是伴隨著能量的損耗的，即磁滯損耗，它是磁疇反覆轉向引起的能量損失。另外，可以證明，B-H磁滯回線所包圍的面積正比於在一次循環磁化中的能量損耗，在此也不展開講述。

接觸過變壓器的電工朋友們應該知道銅損和鐵損，其中鐵損是指鐵磁材料在交變磁場中的磁滯損耗和渦流損耗之和。這裡的磁滯損耗就是上文所指的磁滯損耗，它會使變壓器鐵芯發熱。

學到這裡，我們已經可以很好地回到前面所提的的問題了，磁性材料的磁特性是：導磁能力強，磁通與勵磁電流為非線性關係，具有磁滯性和磁飽和性。磁特性的根源在於磁性材料內部存在磁疇。

知道了磁性材料的磁特性後，結合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這點，我們可以很快的知道，硬磁材料一經外磁場磁化後，即使在相當大的反向磁場作用下，仍能保持一部分或大部分原磁場方向的磁性。這類材料的剩餘磁感應強度Br高，矯頑磁力Hc大。

根據磁滯回線和磁化曲線的不同，磁性物質大致可以被分為三類：軟磁材料、硬磁材料及矩磁材料，它們的磁滯回線如圖23-5所示。

▲圖23-5

如圖23-5中的三種磁滯回線的形狀。軟磁材料的矯頑磁力較小，磁滯回線較窄，磁滯損失小，一般為矽鋼、純鐵、鑄鐵、坡莫合金等，用來製造電機、變壓器等的鐵芯。硬磁材料矯頑磁力較大，磁滯回線較寬，磁滯損失大，一般為鉻鋼、鈷鋼、碳鋼、鎢鋼等，適宜製作永久磁鐵。矩磁材料剩磁大而矯頑磁力小，磁滯回線近似為矩形，穩定性良好，適用於電子計算機隨機存取的記憶裝置、磁放大器等。

在《電工基礎》中，曹老師還給我們講解了怎麼查看磁化曲線，在這裡由於製圖原因，我就不再展開講解，大家可以去看曹老師的課程。（技成培訓原創，作者：楊思慧，未經授權不得轉載，違者必究！）

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