铁磁材料(铁磁材料及其特性)
磁性物质的分类
电磁学,电必有磁,磁必有电。
根据磁导能量,天然物质可分为两类:
A.铁磁性材料:如铁、钢、镍、金刚石等。这些材料具有良好的导磁能和大的磁导率μ值;
B.非铁磁性材料:如铜、铝、纸、空气体等。这些材料导磁能差,磁导率μ小,接近空的真磁导率μ0。
铁磁材料是制造变压器、电机、磁性电子元件等的主要材料。铁磁材料的磁性对电磁器件的性能和工作状态有很大的影响。
铁磁材料的特性
铁磁材料的磁性主要表现为高磁导率、磁饱和、磁滞。
1.高渗透性
铁磁材料具有很强的磁导率,在外磁场的作用下,其内部磁感应强度会大大增强。
这是因为铁磁材料内部有很多被磁化的区域叫做磁畴,每个磁畴就像一个小磁铁。当没有外部磁场时,这些磁畴的排列是不规则的,对外不显示磁性,如下图所示。
磁畴示意图
在一定强度的外磁场作用下,这些磁畴会趋向于沿外磁场方向有规律地排列,产生附加磁场,大大增强了铁磁材料中的磁感应强度。这种现象叫做磁化。
非铁磁材料没有磁畴结构,所以没有磁化特性。
通电时将磁芯放入线圈中,磁场会大大增强,此时的磁场是线圈产生的磁场和磁芯磁化后产生的附加磁场的叠加。变压器、电机和其他电器的线圈中都有铁芯。当在带铁芯的线圈中引入小的励磁电流时,可以产生足够的磁感应强度和磁通量。
2.磁饱和
在铁磁材料的磁化过程中,随着励磁电流的增大,外磁场和附加磁场都会增大,但当励磁电流增大到一定值时,几乎所有磁畴都与外磁场同向,附加磁场不再随着励磁电流的增大而继续增大。这种现象称为磁饱和现象。
下图显示了磁化曲线。我们来分析一下磁饱和过程。
材料的磁化特性可以用上图中的磁化曲线B=f(H)来表示。
铁磁材料的磁化过程大致可分为四个阶段:
【B点后】随着H的增加,B的速度变慢,逐渐饱和;
【C点后】其磁化曲线近似为直线,平行于真空或非铁磁材料的磁化曲线B0=f(H)。
工程上A点叫附着点,B点叫拐点,C点叫饱和点。
由于铁磁性材料的B与H的关系是非线性的,从B=μH的关系可以知道,其磁导率μ的值会随着磁场强度H的变化而变化,如上图中的μ=f(H)曲线所示。
铁磁材料的μ值在磁化开始和饱和后的Oa阶段并不大,在拐点b附近达到更大值,所以在电气工程中通常要求铁磁材料在拐点附近工作。
下图是用实验 *** 测得的铸铁、铸钢、硅钢片三种常见磁化曲线。
这三条曲线分别从三个点A、B和C分成两段:
下段h为0 ~ 1.0×10(3)(a/m),横坐标在曲线下方。
上段h为1 ~ 10×10(3)(a/m),横坐标在曲线上方。
3.滞变
如果励磁电流是大小和方向随时间变化的交流电,铁磁材料将被交替磁化。
在一个周期的交流电中,磁感应强度B与磁场强度H的关系如下图所示。
从图中可以看出。
当磁场强度H减小时,磁感应强度B并没有沿着原来的曲线回落,而是沿着一条比它高的曲线缓慢下降。
当H减速到零时,B不等于零但仍保留一些磁性。
这说明铁磁材料中的排列磁畴不会完全回到磁化前的无序状态,剩余的磁性称为剩磁。
Br表示,如果要消除剩磁,且B=0,则应施加反向磁场强度-Hc。Hc的大小称为矫顽力,表示铁磁材料抵抗退磁的能力。
就像开车时的惯性一样。当你松开油门时,汽车不会立即停下来。你需要给一个反向力(踩刹车)才能刹车。
如果反方向增加磁场,铁磁材料将被反方向磁化;当反向磁场减弱时,也会产生反向剩磁(-Br)。随着磁场强度的不断变化,磁化曲线是一条闭合曲线。
铁磁材料在重复磁化过程中,磁感应强度的变化总是滞后于磁场强度的变化。这种现象称为迟滞,上图所示的闭合曲线称为迟滞回线。
铁磁材料按其磁性能可分为三种:软磁材料、硬磁材料和矩磁材料。下图显示了它们的磁滞回线。
软磁材料的剩磁和矫顽力小,磁滞回线形状窄,但磁化曲线陡,即磁导率高,封闭面积小。易于充磁和退磁,一般用于有交变磁场的场合,如镇流器、变压器、电机及各种中高频电磁元件的铁芯。
常见的软磁材料有纯铁、硅钢、坡莫合金和非金属软磁铁氧体。
硬磁材料具有较大的剩磁和矫顽力,较宽的磁滞回线形状和较大的封闭面积,适合 *** 永磁体。比如扬声器、耳机、 *** 、录音机以及各种磁电仪器中的永磁体都是由硬磁材料制成的。
常见的硬磁材料有碳钢、钻钢、铁镍铝钴合金等。
矩形磁性材料,其磁滞回线类似于矩形,剩磁大,接近饱和磁感应强度,但矫顽力小,容易翻转。它常用作计算机和控制系统中的存储元件和开关元件,如磁带、磁盘和硬盘。
常见的磁矩材料有镁锰铁氧体和一些铁镍合金。