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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

磁飽和鐵磁性亞鐵磁性材料(例如和它們的合金等)中的一種特性。在磁飽和之前,若增大外加磁場強度H,材料會磁化磁通密度B會對應增加,但當磁場強度H大到一定程度,磁通密度B只會因真空磁導率而緩慢增加,此即為磁飽和。

說明[編輯]

磁飽和的特性可以在其磁化曲線(也叫BH曲線或磁滯曲線)中看出,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。在磁飽和之後,磁感應強度 B 仍在逐漸增加,但比達到飽和度前的增長速率小了3個數量級英語Orders_of_magnitude_(magnetic_field)[1]

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 。在會磁飽和的金屬中,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,最後會變為1[1][2]

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,在磁感應強度為1.6-2.2特斯拉(T)飽和[3],然而鐵氧體在0.2-0.5T飽和[4]。某些非晶態金屬合金在1.2-1.3T達到飽和[5]μ合金在0.8T達到飽和[6][7]

因為磁飽和,鐵磁性材料的磁導率μf會隨磁場強度增加,上昇到一最大值,之後漸漸下降。

解釋[編輯]

鐵磁性材料(像鐵)在微觀上由一個個磁域構成,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材料之前,這些磁域的磁場隨機排列互相抵消,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施加在材料後,它進入材料然後重新排列磁域,造成那些小磁場轉變方向然後與外磁場平行,相加後形成從材料中發出的大磁場。這就稱為磁化。施加的磁場強度H越大,磁域轉變方向而形成的磁感應強度B越大。當外部磁場強度大於某定值後,磁場強度再加大所產生的磁感應強度變化已可忽略,此時磁化強度接近定值,此時即為磁飽和。磁飽和不代表全部磁域都對正外部磁場的方向[8]。飽和時的磁域結構會隨溫度而不不同[8]

影響和用途[編輯]

磁飽和限制了鐵氧體磁芯的磁鐵變壓器能達到的最大磁場(約為2特斯拉),也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、及電力用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。

在變壓器與電感器這類利用鐵芯及磁場運作的元件中,當足夠大的電流通過時,它們磁芯的磁場也會達到飽和,此時它們的運轉為非線性的,也就是說通過改變電流,可以使這些磁芯的電感與其他性質隨之改變。在線性電路英語Linear circuit中這是不希望出現的現象。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英語Intermodulation。為了避免這種現象,必須限制施加在鐵芯電感上的信號強度,使鐵芯不會磁飽和。為了減小這種影響,在一些變壓器磁芯中會有一些氣隙[9]。在飽和電流是通過線圈後會使磁芯飽和的電流,這會列在電感器與變壓器廠商提供的規格書中。

不過有些電子設備也會應用磁飽和的特性。例如在弧焊中用飽和變壓器芯限制電流。在鐵磁共振變壓器英語ferroresonant transformers中,磁飽和的作用相當於穩壓器。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,飽和鐵芯感應器英語Saturable reactor磁放大器英語Magnetic amplifier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。在螢光燈鎮流器中和功率控制系統中會用到這類的特性[10]

磁通門羅盤英語fluxgate compass及磁通門磁強計中也有用到磁飽和的特性。

參見條目[編輯]

參考[編輯]

  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. (編). 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」,發行於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] 請檢查|url=值 (幫助) (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.