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磁飽和

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9種鐵磁性材料表示磁飽和的磁化曲線。1.鋼板,2.矽板,3.鋼鑄件,4.鎢鋼,5.磁鋼,6.鑄鐵,7.鎳,8.鈷,9.磁鐵礦

在很多磁性材料中,我們可以看見一種現象,當增大外加的磁場場強 H 時,不能再進一步使材料磁化,所以整體上的磁感應強度 B 或多或少的表現出一種平穩狀態(但仍會因為真空磁導率而緩慢增加)即磁飽和。這是一種磁性金屬(或亞磁性金屬)的特徵,例如和它們的合金。

說明[編輯]

在一種物質的磁化曲線(也叫BH曲線或磁滯曲線)中磁飽和是一種非常明顯的現象,即該曲線向右彎曲的部分(見右圖)。當磁場強度 H 增加時,磁感應強度 B 逐漸趨於一個最大值,即為該物質的飽和度。事實上,飽和之後,磁感應強度 B 也在逐漸增加,但比達到飽和度前的增長速率小了3個數量級

磁場強度 H 和磁感應強度 B 的關係可以用磁導率\mu = B / H或相對磁導率\mu_r = \mu/\mu_0表達,當中的 \mu_0是真空磁導率。磁性金屬的磁導率不是一個恆定不變的量,而是取決於磁場強度 H 。在可飽和的金屬中,相對磁導率隨磁場強度 H 的增加達到一個最大值,然後隨著它的飽和發生轉變再減小.

不同的材料有著不同的飽和度。例如,被用於變壓器中的高導磁性鐵合金在1.6-2.2特斯拉(T)飽和,然而鐵氧體在0.2-0.5T飽和 。某些非晶態金屬合金在1.2-1.3T達到飽和 ,特殊金屬在0.8T達到飽和。

解釋[編輯]

磁性金屬(像鐵)在微觀上由一個個鐵磁域構成,它們的作用就像微小的永磁體,可以改變它們磁化的方向。在外部的磁場施加在金屬上之前,這些鐵磁域的磁場隨機轉換互相抵消,所以整體上的磁場小到足以忽略。當一個外部的磁場強度H施加在金屬上時,它侵入金屬然後重新排列鐵磁域,造成那些小磁場轉變方向然後與外磁場平行,相加後形成一個從金屬中發出的大磁場。這就被叫做磁化。施加的磁場強度H越大,鐵磁域轉變方向而形成的磁感應強度B越大。當全部鐵磁域都在同一方向時,磁飽和就發生了,再增加磁場強度H無法增加磁感應強度B。

影響和用途[編輯]

磁飽和限制了鐵磁芯磁鐵變壓器能達到的最大磁場(約為2T),即限制了它們的最小磁芯,這也是為什麼高功率電動機、發電機、變壓器的體積那麼大的一個重要原因,因為它們必須有一個大磁芯。

在電子電路、變壓器與電感器這些用鐵芯磁運轉的東西中,當足夠大的電流通過它們時它們的的磁芯也會達到飽和,此時它們的運轉時非線性的,也就是說通過改變電流可以使這些磁芯的電感係數與其他性質隨之改變。在線性電路中這通常被視為一種不希望出現的現象。當施加交流電信號的時候,這種非線性會造成一次諧波互調失真。為了避免這種現象,施加在鐵芯電感上的信號強度必須被限制使它不會達到飽和。為了減小這種影響,在一些變壓器磁芯中會有一些氣隙。在飽和電流的情況下,通過電流的線圈需要使磁芯飽和,這由不同規格電感器與變壓器的廠商來處理。

另一方面,磁飽和被利用在一些電子設備中。例如被用於在弧焊中,用飽和變壓器芯限制電流,可飽和變壓器在這裡的作用相當於一個穩壓器。當原電流超過某一特定值時,芯進入一種飽和狀態,限制次級電流的進一步遞增。在更複雜的應用中,飽和鐵芯感應器磁放大器使用一個直流電通過一個獨立離的線圈來控制電感器的阻抗。在控制繞組中,變化的電流使操作點在飽和曲線中上下移動,控制通過電感器的交流電。也被用於變化的螢光燈鎮流器中和功率控制系統中。

參見條目[編輯]

參考[編輯]