磁性材料的磁性能分析

物质按其导磁性能大体上分为磁性物质和非磁性物质，铁、镍和钴及其合金等为磁性材料，μr值很高，从几百到几万，而非磁性材料的磁导率与真空相近，都是常数，故μr≈1。因此，在具有高磁性能材料的铁芯线圈中，通入不大的励磁电流，便可产生足够大的磁通和磁感应强度，因此具有励磁电流小、磁通大的特点。

1.高导磁性

磁性材料是构成磁路的主要材料，铁磁材料的磁导率μ很高，其相对磁导率μr远大于1，可达数百、数千直至数万。铁磁材料在磁场中可被强烈磁化（呈现磁性）。

磁性材料的高导磁性与它的原子结构有关。由于运动的电子产生一个原子量级的电流，电流又产生磁场，因此物质的每一个原子都产生一个原子量级的微小磁场。对于非磁性材料，这些微小的磁场随机排列互相抵消。而对于磁性材料，在一个小的区域内磁场不公互相抵消，这些微小的区域称为磁畴，如图3.2（a）所示。如果存在外磁场，铁磁物质的磁畴就沿着外磁场方向转向，显示出磁性来。随着外磁场的增强，磁畴的磁轴逐渐转到与外磁场相同的方向上，如图3.2（b）所示，这时排列相同的磁時将产生一个与外磁场方向相同的很强的磁化磁场，因而使得铁磁物质内的磁感应强度大大增加，即铁磁材料被强烈地磁化了。

图3.2　磁畴及磁性材料的磁化示意图

铁磁材料可被强烈磁化的特性在电工设备中得到了广泛的应用。电机、变压器及各种铁磁元件的线圈都放有由铁磁材料制成的铁芯。只要在有铁芯的线圈中通入较小的电流，就能产生足够强的磁通和磁感应强度。

铁磁材料除了可被强烈磁化的特性外，还有铁磁饱和及磁滞两个重要特性。

2.磁饱和性

磁性物质的磁导率，由于B与H不成正比，所以μ不是常数，而是随H的变化而改变，如图3.3所示。

图3.3　B、μ与H的关系

铁磁材料的磁饱和性表现在磁感应强度B不会随磁场强度的增强而无限增强，磁性材料的磁饱和性用它的磁化曲线来描述。当磁场强度H增大到一定值时，磁感应强度B不能继续强，达到铁磁材料的饱和性。从图3.3可以看出，铁磁性材料中的B与外加磁场H不是线性关系。由于磁通Φ与B成正比，H与励磁电流I成正比，因此在铁磁材料中，磁通Φ与励磁电流I是不成正比的。

3.磁滞性

铁磁材料（如铁、镍、钴和其他铁磁合金）具有独特的磁化性质，磁滞性表现在交变磁中反复变化时，磁感应强度B的变化滞后于磁场强度H的变化特性，其磁滞回线如图3.4所示。

如果流过线圈的磁化电流从零逐渐增大，则磁感应强度B随磁场强度H的变化如图3.4中Oa段所示。继续增大磁化电流，即增加磁场强度H时，B上升很缓慢。如果H逐渐减小，则B也相应减小，但并不沿aO段下降，而是沿另一条曲线ab下降。B随H变化的全过程如下：(www.xing528.com)

图3.4　磁滞回线

当H按O→Hm→O→-Hc→-Hm→O→Hc→Hm 的顺序变化时，

B相应地沿O→Bm→Br→O→-Bm→-Br→O→Hm 的顺序变化。

将上述变化过程的各点连接起来，就得到一条封闭曲线abcdefa，这条曲线称为磁滞回线。从图3.5可以看出：

图3.5　几种铁磁材料的磁化曲线

a—铸铁；b—铸钢；c—硅钢片。

（1）当H=0时，B不为零，铁磁材料还保留一定值的磁感应强度Br，称Br为铁磁材料剩磁。

（2）要消除剩磁Br降为零，必须加一个反方向磁场Hc，该磁场强度Hc叫作该铁磁材料矫顽磁力。

（3）上升到某一个值和下降到同一数值时，铁磁材料内的B值并不相同，即磁化过程磁材料过去的磁化经历有关。

同一铁磁材料，选择不同的磁场强度进行反复磁化，可得一系列大小不同的磁滞回线。由实验测得，不同的铁磁材料，其磁滞回线也不同。按照磁滞回线形状的不同，可将料分为三类。

（1）软磁材料具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄，一般用来制造电机、变压器和电器的铁芯。常用的软磁材料有纯铁、铸铁、硅钢、铁氧体和坡莫合金等。铁氧体在电子技术中应用很广泛，如计算机的磁芯、磁鼓以及录音机的磁带、磁头等。

（2）永磁材料具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽，一般用来制造永久磁铁。常用的有低碳钢级铁镍钴合金等。近年来稀土永磁材料发展较快，如稀土钴、稀土钕铁硼等，其矫顽磁力极大。

（3）矩磁材料具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性也较好。在计算机和控制系统中可用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体及1J51型铁镍合金等。