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磁饱和

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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

磁饱和铁磁性亚铁磁性材料(例如和它们的合金等)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[编辑]

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个数量级英语Orders_of_magnitude_(magnetic_field)[1]

磁场强度 H 和磁感应强度 B 的关系可以用磁导率或相对磁导率表达,当中的 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[编辑]

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[编辑]

磁饱和限制了铁氧體磁芯的磁铁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。在线性电路英语Linear circuit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互调失真英语Intermodulation。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。在鐵磁共振變壓器英语ferroresonant transformers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,饱和铁芯感应器英语Saturable reactor磁放大器英语Magnetic amplifier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]

磁通門羅盤英语fluxgate compass及磁通門磁强计中也有用到磁饱和的特性。

參見條目[编辑]

参考[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 Bozorth, Richard M. Ferromagnetism. AN IEEE Press Classic Reissue. John Wiley & Sons. 1993 [Reissue of 1951 publication]. ISBN 0-7803-1032-2. 
  2. ^ Bakshi, V.U.; U.A.Bakshi. Basic Electrical Engineering. Technical Publications. 2009: 3–31. ISBN 81-8431-334-9. 
  3. ^ Laughton, M. A.; Warne, D. F. (编). 8. Electrical Engineer's Reference Book Sixteenth. Newnes. 2003. ISBN 0-7506-4637-3. 
  4. ^ Chikazumi, Sōshin. table 9.2. Physics of Ferromagnetism. Clarendon Press. 1997. ISBN 0-19-851776-9. 
  5. ^ 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 
  6. ^ Shielding Materials. K+J Magnetics. [2013-05-07]. 
  7. ^ Mumetal is one of a family of three Nickel-Iron alloys. mumetal.co.uk. [2013-05-07]. 
  8. ^ 8.0 8.1 [unlcms.unl.edu/cas/physics/.../Section%2016_Magnetic_Properties_2.pdf/ Magnetic properties of materials] 请检查|url=值 (帮助) (PDF). unlcms.unl.edu. [2016-03-16]. 
  9. ^ Rod, Elliott. Transformers - The Basics (Section 2). Beginner's Guide to Transformers. Elliott Sound Products. May 2010 [2011-03-17]. 
  10. ^ Choudhury, D. Roy. 2.9.1. Modern Control Engineering. Prentice-Hall of India. 2005. ISBN 81-203-2196-0.