鐵磁材料(鐵磁材料及其特性)
磁性物質(zhì)的分類
電磁學(xué)，電必有磁，磁必有電。
根據(jù)磁導(dǎo)能量，天然物質(zhì)可分為兩類:
A.鐵磁性材料:如鐵、鋼、鎳、金剛石等。這些材料具有良好的導(dǎo)磁能和大的磁導(dǎo)率μ值；
B.非鐵磁性材料:如銅、鋁、紙、空氣體等。這些材料導(dǎo)磁能差，磁導(dǎo)率μ小，接近空的真磁導(dǎo)率μ0。
鐵磁材料是制造變壓器、電機(jī)、磁性電子元件等的主要材料。鐵磁材料的磁性對電磁器件的性能和工作狀態(tài)有很大的影響。
鐵磁材料的特性
鐵磁材料的磁性主要表現(xiàn)為高磁導(dǎo)率、磁飽和、磁滯。
1.高滲透性
鐵磁材料具有很強(qiáng)的磁導(dǎo)率，在外磁場的作用下，其內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度會大大增強(qiáng)。
這是因為鐵磁材料內(nèi)部有很多被磁化的區(qū)域叫做磁疇，每個磁疇就像一個小磁鐵。當(dāng)沒有外部磁場時，這些磁疇的排列是不規(guī)則的，對外不顯示磁性，如下圖所示。
磁疇示意圖
在一定強(qiáng)度的外磁場作用下，這些磁疇會趨向于沿外磁場方向有規(guī)律地排列，產(chǎn)生附加磁場，大大增強(qiáng)了鐵磁材料中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。這種現(xiàn)象叫做磁化。
非鐵磁材料沒有磁疇結(jié)構(gòu)，所以沒有磁化特性。
通電時將磁芯放入線圈中，磁場會大大增強(qiáng)，此時的磁場是線圈產(chǎn)生的磁場和磁芯磁化后產(chǎn)生的附加磁場的疊加。變壓器、電機(jī)和其他電器的線圈中都有鐵芯。當(dāng)在帶鐵芯的線圈中引入小的勵磁電流時，可以產(chǎn)生足夠的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通量。
2.磁飽和
在鐵磁材料的磁化過程中，隨著勵磁電流的增大，外磁場和附加磁場都會增大，但當(dāng)勵磁電流增大到一定值時，幾乎所有磁疇都與外磁場同向，附加磁場不再隨著勵磁電流的增大而繼續(xù)增大。這種現(xiàn)象稱為磁飽和現(xiàn)象。
下圖顯示了磁化曲線。我們來分析一下磁飽和過程。
材料的磁化特性可以用上圖中的磁化曲線B=f(H)來表示。
鐵磁材料的磁化過程大致可分為四個階段:
[Oa]段的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨磁場強(qiáng)度H緩慢增加；
[ab]部分中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B幾乎與磁場強(qiáng)度H成比例地增加；
【B點后】隨著H的增加，B的速度變慢，逐漸飽和；
【C點后】其磁化曲線近似為直線，平行于真空或非鐵磁材料的磁化曲線B0=f(H)。
工程上，A點叫附著點，B點叫拐點，C點叫飽和點。
由于鐵磁性材料的B與H的關(guān)系是非線性的，從B=μH的關(guān)系可以知道，其磁導(dǎo)率μ的值會隨著磁場強(qiáng)度H的變化而變化，如上圖中的μ=f(H)曲線所示。
鐵磁材料的μ值在磁化開始和飽和后的Oa階段并不大，在拐點b附近達(dá)到最大值，所以在電氣工程中通常要求鐵磁材料在拐點附近工作。
下圖是用實驗方法測得的鑄鐵、鑄鋼、硅鋼片三種常見磁化曲線。
這三條曲線分別從三個點A、B和C分成兩段:
下段h為0 ~ 1.0×10(3)(a/m)，橫坐標(biāo)在曲線下方。
上段h為1 ~ 10×10(3)(a/m)，橫坐標(biāo)在曲線上方。
3.滯變
如果勵磁電流是大小和方向隨時間變化的交流電，鐵磁材料將被交替磁化。
在一個周期的交流電中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場強(qiáng)度H的關(guān)系如下圖所示。
從圖中可以看出。
當(dāng)磁場強(qiáng)度H減小時，磁感應(yīng)強(qiáng)度B并沒有沿著原來的曲線回落，而是沿著一條比它高的曲線緩慢下降。
當(dāng)H減速到零時，B不等于零但仍保留一些磁性。
這說明鐵磁材料中的排列磁疇不會完全回到磁化前的無序狀態(tài)，剩余的磁性稱為剩磁。
Br表示，如果要消除剩磁，且B=0，則應(yīng)施加反向磁場強(qiáng)度-Hc。Hc的大小稱為矯頑力，表示鐵磁材料抵抗退磁的能力。
就像開車時的慣性一樣。當(dāng)你松開油門時，汽車不會立即停下來。你需要給一個反向力(踩剎車)才能剎車。
如果反方向增加磁場，鐵磁材料將被反方向磁化；當(dāng)反向磁場減弱時，也會產(chǎn)生反向剩磁(-Br)。隨著磁場強(qiáng)度的不斷變化，磁化曲線是一條閉合曲線。
鐵磁材料在重復(fù)磁化過程中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化總是滯后于磁場強(qiáng)度的變化。這種現(xiàn)象稱為遲滯，上圖所示的閉合曲線稱為遲滯回線。
鐵磁材料按其磁性能可分為三種:軟磁材料、硬磁材料和矩磁材料。下圖顯示了它們的磁滯回線。
軟磁材料的剩磁和矯頑力小，磁滯回線形狀窄，但磁化曲線陡，即磁導(dǎo)率高，封閉面積小。易于充磁和退磁，一般用于有交變磁場的場合，如鎮(zhèn)流器、變壓器、電機(jī)及各種中高頻電磁元件的鐵芯。
常見的軟磁材料有純鐵、硅鋼、坡莫合金和非金屬軟磁鐵氧體。
硬磁材料具有較大的剩磁和矯頑力，較寬的磁滯回線形狀和較大的封閉面積，適合制作永磁體。比如揚聲器、耳機(jī)、電話、錄音機(jī)以及各種磁電儀器中的永磁體都是由硬磁材料制成的。
常見的硬磁材料有碳鋼、鉆鋼、鐵鎳鋁鈷合金等。
矩形磁性材料，其磁滯回線類似于矩形，剩磁大，接近飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，但矯頑力小，容易翻轉(zhuǎn)。它常用作計算機(jī)和控制系統(tǒng)中的存儲元件和開關(guān)元件，如磁帶、磁盤和硬盤。
常見的磁矩材料有鎂錳鐵氧體和一些鐵鎳合金。