磁滯

磁滯，通常稱為磁滯現(xiàn)象，是指磁性材料在磁化和去磁過程中表現(xiàn)出的滯后或延遲現(xiàn)象。

鐵磁材料在受到臨時(shí)磁場作用時(shí)，由于材料本身的特性，可能會(huì)在去磁過程中表現(xiàn)出滯后或延遲。這種磁性材料的滯后或延遲通常被稱為磁滯。

我們知道，電磁線圈產(chǎn)生的磁通量是在給定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的磁場或力線的數(shù)量，通常稱為“磁通密度”。磁通密度的符號(hào)為B，單位為特斯拉（T）。

從之前的教程中我們還知道，電磁鐵的磁強(qiáng)度取決于線圈的匝數(shù)、通過線圈的電流或所使用的核心材料類型，如果我們?cè)黾与娏骰蛟褦?shù)，我們可以增加磁場強(qiáng)度，符號(hào)為H。

之前，相對(duì)磁導(dǎo)率（符號(hào)μr）被定義為絕對(duì)磁導(dǎo)率μ與自由空間磁導(dǎo)率μo（真空）的比值，并且這是一個(gè)常數(shù)。然而，磁通密度B與磁場強(qiáng)度H之間的關(guān)系可以通過相對(duì)磁導(dǎo)率μr不是常數(shù)而是磁場強(qiáng)度的函數(shù)來定義，從而給出磁通密度為：B = μ H。

因此，材料的磁通密度將由于其相對(duì)于真空磁通密度μoH的相對(duì)磁導(dǎo)率而增加一個(gè)更大的因子，對(duì)于空氣核心線圈，這種關(guān)系給出為：

磁化力方程

因此，對(duì)于鐵磁材料，磁通密度與場強(qiáng)（B/H）的比值不是常數(shù)，而是隨磁通密度變化。然而，對(duì)于空氣核心線圈或任何非磁性介質(zhì)核心（如木材或塑料），這個(gè)比值可以被視為常數(shù)，這個(gè)常數(shù)被稱為自由空間的磁導(dǎo)率μo（μo = 4.π.10-7 H/m）。

通過繪制磁通密度（B）與場強(qiáng)（H）的值，我們可以為每種類型的核心材料生成一組曲線，稱為磁化曲線、磁滯曲線或更常見的B-H曲線，如下圖所示。

磁化或B-H曲線

磁滯曲線

上面的磁化曲線組M代表了軟鐵和鋼核心的B與H關(guān)系的示例，但每種類型的核心材料都有其自己的磁滯曲線組。你可能已經(jīng)注意到，磁通密度隨場強(qiáng)成比例增加，直到達(dá)到某個(gè)值，即使場強(qiáng)繼續(xù)增加，它也不再增加，幾乎變得水平且恒定。

這是因?yàn)楹诵目梢援a(chǎn)生的磁通量有一個(gè)限制，因?yàn)殍F中的所有磁疇都完美對(duì)齊。因此，任何額外的增加都不會(huì)對(duì)M的值產(chǎn)生影響。圖上磁通密度達(dá)到其極限的點(diǎn)稱為磁飽和，也稱為核心飽和。在我們上面的簡單示例中，鋼曲線的飽和點(diǎn)大約在每米3000安培-匝數(shù)時(shí)開始。

飽和發(fā)生是因?yàn)?，正如我們從之前的磁學(xué)教程中記得的，其中包括韋伯理論，核心材料內(nèi)的分子結(jié)構(gòu)的隨機(jī)排列隨著材料內(nèi)的微小分子磁鐵“對(duì)齊”而改變。

隨著磁場強(qiáng)度（H）的增加，這些分子磁鐵變得越來越對(duì)齊，直到它們達(dá)到完美對(duì)齊，產(chǎn)生最大磁通密度，并且由于通過線圈的電流增加而導(dǎo)致的磁場強(qiáng)度的任何增加將幾乎沒有影響。

剩磁

讓我們假設(shè)我們有一個(gè)電磁線圈，由于通過它的電流而具有高場強(qiáng)，并且鐵磁核心材料已達(dá)到其飽和點(diǎn)，即最大磁通密度。如果我們現(xiàn)在打開一個(gè)開關(guān)并移除通過線圈的磁化電流，我們預(yù)計(jì)線圈周圍的磁場將消失，因?yàn)榇磐繙p少到零。

然而，磁通量并不會(huì)完全消失，因?yàn)殡姶藕诵牟牧显陔娏魍Ｖ沽鬟^線圈后仍然保留一些磁性。這種線圈在磁化過程停止后在核心內(nèi)保留一些磁性的能力稱為剩磁或殘余磁化，而核心中仍然保留的磁通量稱為殘余磁通密度BR。

這是因?yàn)橐恍┪⑿〉姆肿哟盆F不會(huì)返回到完全隨機(jī)的模式，并且仍然指向原始磁化場的方向，給它們一種“記憶”。一些鐵磁材料具有高剩磁（磁硬），使其非常適合生產(chǎn)永磁體。

而其他鐵磁材料具有低剩磁（磁軟），使其非常適合用于電磁鐵、螺線管或繼電器。將這種殘余磁通密度減少到零的一種方法是通過反轉(zhuǎn)通過線圈的電流方向，從而使磁場強(qiáng)度H的值變?yōu)樨?fù)值。這種效應(yīng)稱為矯頑力HC。

如果這種反向電流進(jìn)一步增加，磁通密度也將在反方向上增加，直到鐵磁核心再次達(dá)到飽和，但在與之前相反的方向上。再次將磁化電流i減少到零將產(chǎn)生類似數(shù)量的殘余磁化，但在相反方向上。

然后，通過不斷改變通過線圈的磁化電流方向，從正方向到負(fù)方向，如在交流電源的情況下，可以生成鐵磁核心的磁滯回線。

磁滯回線

磁滯回線

上面的磁滯回線顯示了鐵磁核心的行為，因?yàn)锽與H的關(guān)系是非線性的。從非磁化核心開始，B和H都為零，磁化曲線上的點(diǎn)0。

如果磁化電流i在正方向上增加到某個(gè)值，磁場強(qiáng)度H隨i線性增加，磁通密度B也將增加，如曲線從點(diǎn)0到點(diǎn)a所示，朝向飽和。

現(xiàn)在，如果線圈中的磁化電流減少到零，圍繞核心的磁場也減少到零。然而，由于核心中存在的殘余磁化，線圈的磁通量不會(huì)達(dá)到零，這如曲線從點(diǎn)a到點(diǎn)b所示。

為了將點(diǎn)b處的磁通密度減少到零，我們需要反轉(zhuǎn)通過線圈的電流。必須施加的磁化力以消除殘余磁通密度稱為“矯頑力”。這種矯頑力反轉(zhuǎn)磁場，重新排列分子磁鐵，直到核心在點(diǎn)c處變?yōu)榉谴呕?/p>

這種反向電流的增加導(dǎo)致核心在相反方向上被磁化，進(jìn)一步增加這種磁化電流將導(dǎo)致核心達(dá)到其飽和點(diǎn)，但在相反方向上，曲線上的點(diǎn)d。

這個(gè)點(diǎn)與點(diǎn)b對(duì)稱。如果磁化電流再次減少到零，核心中存在的殘余磁化將等于先前的值，但在相反方向上，點(diǎn)e。

再次反轉(zhuǎn)通過線圈的磁化電流，這次進(jìn)入正方向，將導(dǎo)致磁通量達(dá)到零，曲線上的點(diǎn)f，并且如前所述，進(jìn)一步增加磁化電流在正方向上將導(dǎo)致核心在點(diǎn)a處達(dá)到飽和。

然后，B-H曲線遵循a-b-c-d-e-f-a的路徑，因?yàn)橥ㄟ^線圈的磁化電流在正負(fù)值之間交替變化，如交流電壓的周期。這條路徑稱為磁滯回線。

磁滯效應(yīng)表明，鐵磁核心的磁化過程以及因此的磁通密度取決于鐵磁核心在曲線的哪一部分被磁化，因?yàn)檫@取決于電路的過去歷史，給核心一種“記憶”。因此，鐵磁材料具有記憶，因?yàn)樗鼈冊(cè)谕獠看艌霰灰瞥笕匀槐３执呕?/p>

然而，軟鐵磁材料（如鐵或硅鋼）具有非常窄的磁滯回線，導(dǎo)致非常少量的殘余磁化，使其非常適合用于繼電器、螺線管和變壓器，因?yàn)樗鼈兛梢院苋菀椎乇淮呕腿ゴ拧?/p>

由于必須施加矯頑力來克服這種殘余磁化，必須做工作來閉合磁滯回線，使用的能量以熱的形式在磁性材料中耗散。這種熱量稱為磁滯損耗，損耗量取決于材料的矯頑力值。

通過向鐵金屬添加添加劑（如硅），可以制造出具有非常小矯頑力的材料，這些材料具有非常窄的磁滯回線。具有窄磁滯回線的材料易于磁化和去磁，稱為軟磁性材料。

軟硬材料的磁滯回線

軟硬材料的磁滯回線

磁滯導(dǎo)致以熱的形式耗散浪費(fèi)的能量，浪費(fèi)的能量與磁滯回線的面積成正比。磁滯損耗在交流變壓器中將始終是一個(gè)問題，因?yàn)殡娏鞑粩喔淖兎较?，因此核心中的磁極將導(dǎo)致?lián)p耗，因?yàn)樗鼈儾粩喾崔D(zhuǎn)方向。

直流電機(jī)中的旋轉(zhuǎn)線圈也將產(chǎn)生磁滯損耗，因?yàn)樗鼈兘惶嫱ㄟ^南北磁極。如前所述，磁滯回線的形狀取決于所使用的鐵或鋼的性質(zhì)，在鐵受到巨大磁反轉(zhuǎn)的情況下，例如變壓器核心，重要的是B-H磁滯回線盡可能小。

在下一個(gè)關(guān)于電磁學(xué)的教程中，我們將研究法拉第電磁感應(yīng)定律，并看到通過在靜止磁場中移動(dòng)導(dǎo)線，可以在導(dǎo)線中感應(yīng)出電流，產(chǎn)生一個(gè)簡單的發(fā)電機(jī)。