逆磁性物质的矫顽磁力及特性解析

9.1 磁感应线有什么特点？与电力线有何区别？

答：磁感应线实际并不存在，是一种假想的概念。磁感应线可形象地描绘磁场的强弱和方向，主要有以下特点：①磁感应线是闭合回线，无头无尾；②磁感应线之间互不相交；③磁感应线的密疏程度表示磁感应强度B的强弱；④磁感应线上各点的切线方向就是该点磁感应强度B的方向。

电力线也属于假想的概念，实际并不存在，它的密疏程度表示电场强度的强弱。但电力线不是闭合回线，起始于正电荷，终止于负电荷。

9.2 简述物质磁性分类概况。

答：自然界物质按其磁导率不同可分为三类：顺磁性物质、逆磁性物质和铁磁性物质。

①顺磁性物质：μ_r稍大于1，在1.000003～1.00001之间，例如铝、铬、铂和空气等。

②逆磁性物质：μ_r稍小于1，在0.999995～0.99983之间，例如氢、铜等。

③铁磁性物质：μr1，可达几百甚至几千以上，而且不是一个常数，随磁感应强度B和温度而变。例如铁、钴、镍、硅钢、坡莫合金、铁氧体等。

9.3 磁感应强度与磁通密度有何异同？

答：从本质上说，磁感应强度与磁通密度没有什么区别，仅是一种物理量的两种不同表述。磁感应强度B是从通电导线在磁场中受力大小来反映磁场强弱和方向；而磁通密度是从磁通量（磁感应线）密疏程度来反映磁场强弱和方向。因此，某一点的磁感应强度即该点的磁通密度。

9.4 磁感应强度B与磁场强度H有何异同？

答：磁感应强度B与磁场强度H都是描述磁场强弱的物理量。两者之间的关系为B=μH。

磁场强度H沿任意闭合路径l的线积分仅与产生该磁场的传导电流有关，而与该闭合路径所围面的磁介质的磁导率μ无关。但在同等条件下，磁感应强度B的线积分与该面磁介质的磁导率μ有关。

磁感应强度B与磁场强度H的关系可用图9-7实验说明。图9-7a为未放入铁块的匀强磁场（可用铁屑显示磁感应线），图9-7b为放入铁块后的磁场。很明显，放入铁块后，绝大部分磁感应线聚集在铁块中通过，表明该处（铁块）中的磁感应强度B明显比原来增强了（磁感应线密度变密），而磁场强度H并未变化。

图9-7 B与H关系示意实验

需要说明的是，不能简单地理解为磁场强度的分布与磁介质无关。在非均匀介质的条件下，磁场强度H与磁介质的分布有关。

9.5 铁磁性物质为什么会有高导磁性能？

答：铁磁性物质内部具有磁畴结构。通常情况下，磁畴排列杂乱无章，磁性相互抵消，对外并不显示磁性。但在受到外界磁场激励时，磁畴转向与外磁场一致，使总磁场大大增强。因而具有高导磁性能。而一般物质内部不具有磁畴结构。

9.6 定性画出并简述铁磁性物质的磁滞回线。

答：定性画出铁磁性物质的磁滞回线如图9-2所示。

①其中曲线Oc称为起始磁化曲线，它是描述磁场强度H从O逐渐增大时磁感应强度B随之变化的规律。

②当H从H_m逐渐减小至O时，B并不沿cO曲线返回原点，而是沿cd运行。当H=0时，B=B_r≠0，B_r称为剩余磁感应强度，简称剩磁。

③只有当H反向增大至H=-H_c，B才等于0。反向磁场强度H_c称为矫顽磁力。

④当H继续反向增大，B才出现负值。当H=-H_m，B=-B_m。H反向减小至零时，B=-B_r。

⑤H正向增大至H=H_c时，B才等于0。

⑥此后，当磁场强度H作交变时，磁感应强度B沿hcdefgh回线反复运行。回线hcdefgh称为磁滞回线。铁磁性物质的磁滞性可理解为磁感应强度B的变化滞后于磁场强度H的变化。

9.7 软磁材料与硬磁材料有何区别？

答：软磁材料与硬磁材料的区别主要在于磁滞回线及其因此而带来的特点。

硬磁材料的磁滞回线较宽，回线面积较大，剩磁和矫顽磁力均较大，在外界励磁电流为零时，仍能保持很强的剩磁，例如永久磁铁。常见的硬磁材料有铁镍铝钴合金、钨钢、钴钢等。硬磁材料适宜于制作永久磁铁及含有永久磁铁的电气设备，例如磁电式仪表、扬声器、永磁发电机等。

软磁材料的磁滞回线较窄，回线面积较小，磁导率较高，剩磁较小。软磁材料又可分为低频软磁材料和高频软磁材料。常见低频软磁材料如硅钢、坡莫合金等，用于电机和变压器中的铁心；常见的高频软磁材料如铁氧体等，用于收音机中的磁棒和中周变压器的磁芯。

9.8 简述下列名词：（1）磁路；（2）磁阻；（3）磁位差；（4）磁通势；（5）磁路欧姆定律；（6）基尔霍夫磁通定律；（7）基尔霍夫磁位差定律。

答：（1）磁路：约束在铁心及其气隙所限定范围内的磁通路。

（2）磁阻：介质对磁通呈现的阻碍作用。，单位：1/亨[利]。

（3）磁位差：某一段磁路中磁场强度与该段磁路长度之积。U_m=Hl，单位：安[培]。

（4）磁通势：磁路中产生磁通的磁源，类似于电路中的电动势。F=NI，单位：安匝。

（5）磁路欧姆定律：磁路中某一段磁路的磁位差等于该段磁路的磁阻与磁通的乘积。U_m=ФR_m。

（6）基尔霍夫磁通定律：对于磁场中任一封闭曲面，进入该封闭曲面的磁通等于穿出该封闭曲面的磁通。∑Ф=0。基尔霍夫磁通定律即磁通连续性原理。

（7）基尔霍夫磁位差定律：磁路中沿任意闭合回路磁位差的代数和等于沿该回路磁通势的代数和。∑Hl=∑NI。基尔霍夫磁位差定律从安培环路定律演变而来。

9.9 磁路与电路相比，有什么异同？

答：磁路与电路相比，在形式上由许多相似之处，如表9-1所示。

但磁路与电路还有许多不同之处：

（1）磁通不代表某种质点运动，不消耗能量。

电流表示带电质点的定向运动，在具有一定电阻的导体中流动时，会消耗一定的能量，其功率损耗为I²R。但磁通并不代表某种质点运动，Ф²R_m并不代表功率损耗，这是磁路与电路的本质区别。因此，磁路与电路仅在形式上相似。

（2）磁路中没有断路状态。

对电流来讲，自然界中有许多很好的绝缘材料，能够阻断电流流通，存在断路状态。在磁路中，非铁磁性物质，包括顺磁性和逆磁性物质，其磁导率均近似为1，均具有一定的导磁性，即不存在有磁通势而无磁通的现象。磁通是连续的，无断路状态。

表9-1 磁路与电路比较

（3）磁路几乎都是非线性的。

磁路大多数由铁磁性材料组成，而铁磁性材料的磁化曲线是非线性的。前面引入的磁阻和磁路欧姆定律在定量分析中只有在磁路中各段材料是线性或可作线性处理时才适用。实际分析一般按安培环路定律和各段磁路材料B-H曲线求解。但磁阻和磁路欧姆定律用于磁路定性分析还是很有用和方便的。

9.10 简述交流铁心线圈中电压波形与电流波形的关系。

答：铁心线圈的电压与磁通为线性关系；磁通与磁感应强度B为线性关系；电流与磁场强度H为线性关系；而磁感应强度B与磁场强度H的关系为非线性关系。因此，磁通与电流的关系为非线性关系，铁心线圈的电压与电流的关系为非线性关系。

若在铁心线圈两端施加正弦电压，则线圈中电流为畸变的非正弦波（钟乳形）。

9.11 铁心线圈在交变电压激励下，有哪些损耗？

答：在交变电压激励下，铁心线圈的功率损耗包括铜损和铁损。

铜损是指交变电流在线圈直流电阻上产生的损耗，与线圈的直流电阻和交变电流的大小有关。铁损是指在交变磁通作用下，在铁心中的能量损耗。铁损主要由两部分组成：磁滞损耗和涡流损耗。

9.12 什么叫磁滞损耗？主要与哪些因素有关？

答：由铁磁性物质磁滞特性而引起的功率损耗称为磁滞损耗。

磁滞损耗与铁磁性物质磁滞回线面积成正比。磁滞回线面积越小，磁滞损耗越少。而磁滞回线的形状与磁感应强度最大值B_m有关。因此，若要减小磁滞损耗，应选择磁滞回线面积较小的磁性材料。

若从铁磁性物质内部磁畴结构来分析，磁滞损耗可理解为铁磁性物质在交变电压激励下，磁畴反复变化，类似于摩擦生热的能量损耗，因此磁滞损耗又与交变激励电压的频率成正比。

9.13 什么叫涡流损耗？主要与哪些因素有关？如何减小铁心线圈的涡流损耗？

答：涡流在铁心中流动产生的功率损耗称为涡流损耗。(www.xing528.com)

交变磁通不仅能在线圈中产生感应电动势，而且也能在同样是导体的铁心中产生感应电动势和感应电流，感应电流在铁心中垂直于磁通方向的平面内一圈一圈回旋流动，称为涡流。涡流在具有一定电阻的铁心中流动，当然要消耗能量。

涡流损耗与感应电流（电压）的平方成正比。而感应电流（电压）与交变磁通的频率f和磁感应强度的最大值B_m有关。因此，涡流损耗与f及B_m的平方成正比。

涡流的大小还与铁心的电阻有关，严格讲是与垂直于磁通方向平面内的铁心电阻有关。

为了减小涡流损耗，在钢中适量加入绝缘材料二氧化硅，炼成硅钢，以增加其电阻率。并将其加工成片状，表面涂上绝缘层（清漆），以阻断涡流流动。将铁、锰、镁、锌、铜等金属氧化物粉末按一定比例混合压铸烧结成电阻率很高的铁氧体等。

9.14 涡流损耗是否总是有害？

答：涡流损耗虽然有害，但也有变害为利的应用，例如利用涡流的中频炼钢炉和应用涡流加热食品的电磁炉等。

9.15 简述交流铁心线圈空气隙增大时的影响。

答：交流铁心线圈空气隙增大时，磁阻增大，消耗在气隙上的磁通势增大，将导致励磁电流增大。

9.16 为什么空心线圈的电感是常数，而铁心线圈的电感不是常数？若线圈的尺寸、形状和匝数相同，有铁心和没有铁心时哪个电感大？

答：电感的定义为，若磁通与产生磁通的电流呈线性关系，则称为线性电感，空心线圈的Φ与I成正比，属于线性电感，即L为常数。铁心线圈的磁通Φ与磁感应强度B成反比，而产生磁通的励磁电流I与磁场强度H成正比，但B与H为非线性关系，因此铁心线圈电感不是线性电感，不是常数。

B=μH=μ_rμ₀H，空气的相对磁导率μ_r=1，铁心的相对磁导率μr1，（铁磁性物质的相对磁导率μ_r为几百～几千以上），因此若线圈的尺寸、形状和匝数相同，有铁心时的电感量比没有铁心时大得多。

9.17 铁心变压器理想化的条件是什么？

答：（1）一、二次线圈绕组的直流电阻为0，即没有铜损；

（2）铁心中没有涡流和磁滞现象，即没有铁损；

（3）变压器全部磁通均闭合在铁心中，即没有漏磁通；

（4）铁心材料的磁导率μ趋于无穷大，即产生磁通的磁化电流Iφ趋于零，可忽略不计。

一般来讲，铁心变压器比较容易接近上述条件，因此大多数铁心变压器可以当做理想变压器。

9.18 简述铁心变压器空载运行时的空载电流特性。如何减小空载电流？

答：铁心变压器空载运行时一次线圈通过的电流称为空载电流，用表示。因，铁心中的主磁通Ф由建立，也称为励磁电流。

。其中，为铁损电流；为磁化电流。因变压器的铁心一般为高导磁材料的硅钢片，紧密闭合，气隙很小（磁阻很小），因此建立主磁通Ф所需的励磁电流很小。

一般来说，选用高导磁率材料的硅钢片（B_m大）；增大一次线圈匝数N₁；增大铁心截面积S（选用较大尺寸硅钢片或增大迭厚）；减小气隙和钢片间空隙等，能有效减小励磁电流。越小，变压器损耗越小，效率越高，越接近于理想变压器特性。但考虑到性能价格比，一般取有效值为一次线圈额定电流（长期连续工作的电流）的2%～8%。

9.19 如何理解铁心变压器磁势平衡方程式？

答：铁心变压器磁势平衡方程式：

①铁心中的磁通Ф是由、共同产生的，且与空载时一次线圈励磁电流产生的主磁通相等。

②，其中。表明一次线圈的电流由两部分组成，一部分是励磁电流，用于建立主磁通；另一部分是负载分量，产生磁通势，用于抵消二次线圈电流产生的磁通势，即。

③二次线圈电流I₂增大时，一次线圈电流I₁也随着增大。

9.20 某额定电压为220V/110V的铁心变压器N₁=2000匝，N₂=1000匝，能否将其一、二次线圈匝数分别减为200匝和100匝，以节省铜线？

答：不能。一、二次线圈匝数改为200∶100后，虽然匝数比未变，但一次线圈电感量比原设计大大减小，施加额定电压后电流大大增加，将烧毁变压器。或者可理解为：一次线圈匝数减小后，其产生的自感电动势E₁=4.44fN₁Ф_m减小，不足以平衡（抵消）外施额定电压，一次线圈电流将大大增加。

一次线圈的匝数N₁不是随意确定的，而是根据U₁=4.44fN₁Ф_m确定。当电源电压U₁和频率f确定后，N₁匝数根据Ф_m大小确定。Ф_m=B_mS，若选用高导磁材料（B_m大），增大变压器铁心截面积S（选用较大尺寸硅钢片或增加迭厚），减小气隙和钢片间空隙等，可有效减小N₁匝数。至于N₂匝数，应根据一、二次电压比U₁/U₂确定。

9.21 若保持铁心变压器变比n不变，选用线径较细漆包线绕制一、二次线圈，会产生什么后果？

答：不同线径的漆包线均有其对应的允许长期流通的电流值。线径较细时绕组直流电阻较大，电流流过时，压降较大，输出电压跌落。而且在线圈绕组上的功率损耗将增大，其损耗能量转换为热量，使绕组及铁心温度升高，严重时将损坏变压器。因此，变压器设计时首先根据负载电流I₂的要求确定二次绕组线径；然后根据变比算出一次绕组电流I₁，再根据I₁选择一次绕组线径。漆包线线径不能随意减小。

9.22 在绕制电源变压器时，缺少直径为0.6mm的漆包线，能否用5根直径为0.12mm的漆包线替代？为什么？

答：实际工作中，常会遇到缺少某一线经的漆包线情况，用几根较小直径的漆包线替代。但替代时应根据漆包线的有效截面积，而不是漆包线的直径。截面积S与直径d的关系为：

d₁=0.6mm，S₁=0.283mm²；

d₂=0.12mm，S₂=0.0113mm²，5S₂=0.0565mm²。

5S₂＜S₁。因此，不能用5根直径为0.12mm的漆包线替代一根直径为0.6mm的漆包线。

需要说明的是，晶体管收音机中的天线线圈一般用多股漆包线绞合而成，这是因为该线圈工作在高频状态，高频电流具有集肤效应，分析这种情况就不能根据有效截面积，应另当别论。

9.23 某铁心变压器U_1N=220V，测得其一次绕组直流电阻R₁=10Ω，试问该变压器空载时，一次绕组电流是否为22A？

答：否。变压器空载时的一次绕组电流称为空载电流，也是变压器的励磁电流。其大小不但与一次绕组的直流电阻有关，而且与一次绕组线圈电感量及铁心中的损耗有关。

9.24 如果铁心变压器一次绕组匝数增加一倍，且所加电压不变，试问励磁电流如何变化？

答：励磁电流将减小，但一般不是减小为原来的一半。U=4.44fNB_mS，N增大一倍，理论上所需磁感应强度B_m可减小一半，但B与H为非线性关系，H与励磁电流i成正比，而且励磁电流还与铁损电流（包括磁滞损耗和涡流损耗）有非线性关系。因此，磁感应强度B与励磁电流为非线性关系。

9.25 若将一台额定电压为220V/110V的铁心变压器一次侧接直流电压220V，将发生什么后果？若在二次侧接入交流220V，又将发生什么后果？

答：变压器只能用于交流变压，若将变压器接入与交流额定电压同值的直流电压，由于变压器绕组的电感对直流相当于短路，而绕组的直流电阻很小，因此一次侧电流极大，将烧毁变压器。

若在低压侧接入高压侧的交流额定电压，也将在低压侧绕组中产生大于原低压侧额定电流的电流，若大大超出，也将损坏变压器。

9.26 自耦变压器使用时有什么注意事项？

答：自耦变压器因一、二次共用一个绕组，没有隔离，在安全接线和使用上应特别注意：

①一、二次绕组不可接错接线端子；

②相线与中线不能接反；

③调压时必须从零位起调；使用完毕，必须回归零位。

9.27 电压互感器和电流互感器使用时各有什么注意事项？

答：电压互感器二次绕组不允许短路，且其中一端必须接地；

电流互感器二次绕组不允许开路，且其中一端必须接地。

9.28 直流电磁铁和交流电磁铁的电磁吸力与衔铁间隙有何关系？

答：直流电磁铁：衔铁与被吸物间隙越小，吸力越大。因此，衔铁吸合后的电磁力最大。

交流电磁铁：吸力是交变的，但其平均值基本不变，与衔铁与被吸物间隙基本无关。

9.29 交流电磁铁怎样消除衔铁的颤动和噪声？

答：交流电磁铁的吸力是交变的，在零与最大值F_m之间脉动。因而衔铁将以两倍电源频率颤动，不但引起很大噪声，而且极易损坏吸合触点。为消除这一现象，可在磁极部分端面上套上一个分磁环（或称短路环）。由于磁通交变时在分磁环中产生感应电流，因而两部分磁极的磁通之间有一定相位差，两部分磁极的吸力不会同时降为零，其合力也不会为零，从而消除了衔铁的颤动和噪声。

9.30 交流电磁铁使用时有什么注意事项？

答：交流电磁铁在吸合过程中，随着气隙的减小，磁阻减小，线圈的电感量和感抗增大，因而电流逐渐减小。因此，若因某种机械故障，衔铁和机械可动部分被卡住，通电后衔铁吸合不上，励磁线圈中将长期维持较大电流，使线圈严重发热，甚至烧毁。