9种铁磁性材料表示磁饱和的磁化曲线。1.钢板,2.硅板,3.钢铸件,4.钨钢,5.磁钢,6.铸铁,7.镍,8.钴,9.磁铁矿
磁饱和 是铁磁性 或亚铁磁性 材料(例如铁 、镍 、钴 、锰 和它们的合金等)中的一種特性。在磁饱和之前,若增大外加磁場强度 H,材料會磁化 ,磁通密度 B會對應增加,但當磁場强度H大到一定程度,磁通密度 B只會因真空磁导率 而緩慢增加,此即為磁饱和。
说明
磁饱和的特性可以在其磁化曲线(也叫BH曲线或磁滞 曲线)中看出,即该曲线向右弯曲的部分(见右图)。当磁场强度 H 增加时,磁感应强度 B 逐渐趋于一个最大值。在磁饱和之后,磁感应强度 B 仍在逐渐增加,但比达到饱和度前的增长速率小了3个数量级 [ 1] 。
磁场强度 H 和磁感应强度 B 的关系可以用磁导率 :
μ μ -->
=
B
/
H
{\displaystyle \mu =B/H}
或相对磁导率
μ μ -->
r
=
μ μ -->
/
μ μ -->
0
{\displaystyle \mu _{r}=\mu /\mu _{0}}
表达,当中的
μ μ -->
0
{\displaystyle \mu _{0}}
是真空磁导率 。磁性金属的磁导率不是一个恒定不变的量,而是取决于磁场强度 H 。在會磁饱和的金属中,相对磁导率随磁场强度 H 的增加达到一个最大值,然后随着它的饱和发生转变再减小,最後會變為1[ 1] [ 2] 。
不同的材料有着不同的饱和度。例如,被用于变压器中的高导磁性铁合金,在磁感应强度為1.6-2.2特斯拉 (T)饱和[ 3] ,然而铁氧体 在0.2-0.5T饱和[ 4] 。某些非晶态金属 合金在1.2-1.3T达到饱和[ 5] ,μ合金 在0.8T达到饱和[ 6] [ 7]
。
因為磁飽和,鐵磁性材料的磁导率μf 會随磁场强度增加,上昇到一最大值,之後漸漸下降。
解释
鐵磁性 材料(像铁)在微观上由一个个磁畴 构成,它们的作用就像微小的永磁体 ,可以改变它们磁化的方向。在外部的磁场施加在材料之前,这些磁畴的磁场 随机排列互相抵消,所以整体上的磁场小到足以忽略。当一个外部的磁场强度H施加在材料後,它進入材料然后重新排列磁畴,造成那些小磁场转变方向然后与外磁场平行,相加后形成从材料中发出的大磁场。这就稱為磁化 。施加的磁场强度H越大,磁畴转变方向而形成的磁感应强度B越大。当外部磁场强度大於某定值後,磁场强度再加大所產生的磁感应强度變化已可忽略,此時磁化強度 接近定值,此時即為磁饱和。磁饱和不代表全部磁畴都對正外部磁場的方向[ 8] 。飽和時的磁畴結構會隨溫度而不不同[ 8] 。
影响和用途
磁饱和限制了铁氧體磁芯的磁铁 和变压器 能达到的最大磁场(约为2特斯拉),也限制了它们的最小磁芯,这也是为什么高功率电动机、发电机 、及電力用变压器 的体积那么大的一个重要原因,因为它们必须有一个大磁芯。
在变压器与电感器这類利用铁芯及磁場運作的元件中,当足够大的电流通过时,它们磁芯的磁場也会达到饱和,此时它们的运转為非线性的,也就是说通过改变电流,可以使这些磁芯的电感 与其他性质随之改变。在线性电路 中这是不希望出现的现象。当施加交流电信号的时候,这种非线性会造成一次谐波 和互调失真 。为了避免这种现象,必须限制施加在铁芯电感上的信号强度,使铁芯不会磁饱和。为了减小这种影响,在一些变压器磁芯中会有一些气隙[ 9] 。在饱和电流是通過線圈後會使磁芯饱和的電流,这會列在电感器与变压器厂商提供的规格書中。
不過有些電子設備也會應用磁饱和的特性。例如在弧焊 中用饱和变压器芯 限制电流。在鐵磁共振變壓器 中,磁饱和的作用相当于稳压器 。当原电流超过某一特定值时,芯进入一种饱和状态,限制次级电流的进一步递增。在更复杂的应用中,饱和铁芯感应器 和磁放大器 使用一个直流电通过一个独立离的线圈来控制电感器的阻抗 。在控制绕组中,变化的电流使操作点在饱和曲线中上下移动,控制通过电感器的交流电。在萤光灯 、镇流器 中和功率控制系统中會用到這類的特性[ 10] 。
在磁通門羅盤 及磁通門磁强计 中也有用到磁饱和的特性。
參見條目
参考
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^ Laughton, M. A.; Warne, D. F. (编). 8. Electrical Engineer's Reference Book Sixteenth. Newnes. 2003. ISBN 0-7506-4637-3 .
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^ USA 5126907 ,Yoshihiro Hamakawa, Hisashi Takano, Naoki Koyama, Eijin Moriwaki, Shinobu Sasaki, Kazuo Shiiki,「Thin film magnetic head having at least one magnetic core member made at least partly of a material having a high saturation magnetic flux density」,发行于1992
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^ Mumetal is one of a family of three Nickel-Iron alloys . mumetal.co.uk. [2013-05-07 ] . (原始内容 存档于2013-05-07).
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