第二節(jié) 磁導(dǎo)率

一、什么是磁動(dòng)勢(shì)

實(shí)驗(yàn)證明：通電線圈的磁場的強(qiáng)弱跟電流I與線圈匝數(shù)N的乘積成正比。乘積IN稱為磁動(dòng)勢(shì)，其單位是安匝或安（A）。例如，DZ系列中間繼電器線圈的磁動(dòng)勢(shì)為877A；MZZ1-300型制動(dòng)電磁鐵線圈的磁動(dòng)勢(shì)為8500A；NW1-16型起重電磁鐵線圈的磁動(dòng)勢(shì)為76000A等。磁動(dòng)勢(shì)IN是激勵(lì)磁場的根源。

實(shí)驗(yàn)還證明，在具有一定安匝數(shù)的通電線圈中，放入鐵、鈷、鎳等鐵磁性物質(zhì)，磁感應(yīng)B將大大增強(qiáng)；若放入鋼、鋁、木材等非鐵磁性物質(zhì)，則磁感應(yīng)強(qiáng)度B幾乎不變?？梢姡艌龅拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度不僅與磁動(dòng)勢(shì)有關(guān)，還與磁場中介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。

二、什么是磁導(dǎo)率

我們用磁導(dǎo)率μ來表示物質(zhì)的導(dǎo)磁能力。磁導(dǎo)率的國際單位制單位是亨/米（H/m）。經(jīng)測(cè)定，真空磁導(dǎo)率μ₀=4π×10^-7H/m是一常量，又稱磁常數(shù)。

某介質(zhì)的磁導(dǎo)率μ與真空磁導(dǎo)率μ₀的比值μ_r稱為該介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率，即

μ_r是沒有量綱的純數(shù)值，從它的大小可以直接看出介質(zhì)導(dǎo)磁能力的高低。μ_r>1的物質(zhì)稱為順磁性物質(zhì)，如鋁、鉑、空氣等；μ_r<1的物質(zhì)稱為反磁性物質(zhì)，如銅、銀、塑料、橡膠等。這兩種物質(zhì)的μ_r都接近于1，它們的導(dǎo)磁能力都和真空差不多，統(tǒng)稱為非鐵磁物質(zhì)。實(shí)用上，非鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率μ值均可用真空磁導(dǎo)率μ₀代替。

三、什么是鐵磁物質(zhì)

鐵磁物質(zhì)是指鐵、鈷、鎳以及它們的合金，導(dǎo)磁能力很強(qiáng)，它們的μ值都比μ₀值大得多，即μ_r>>1，例如鑄鐵的μ_r大于200；坡莫含金（一種鐵鎳合金）的μ_r可達(dá)十萬以上。這就是說，在相同磁動(dòng)勢(shì)的條件下，鐵心線圈比空心線圈的磁場要強(qiáng)幾百、幾千、幾萬倍。所以鐵磁物質(zhì)在電視、電器、儀表、電信和廣播等設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。鐵磁物質(zhì)都比較重，最近新發(fā)現(xiàn)某些比較輕的有機(jī)材料也具有較大的磁導(dǎo)率，若能付諸實(shí)用，將會(huì)大大減輕電機(jī)、電器的重量。

應(yīng)該指出，同一鐵磁物質(zhì)的μ_r并不是常數(shù)，它隨勵(lì)磁電流的大小和溫度的高低而變化。表3-1列出的是幾種鐵磁物質(zhì)在室溫下的最大相對(duì)磁導(dǎo)率。

在進(jìn)行磁場計(jì)算時(shí)，我們引用一個(gè)稱為磁場強(qiáng)度的輔助量，用H表示，它只決定于勵(lì)磁電流、導(dǎo)線的形狀和匝數(shù)，而與磁介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。

四、什么是磁場強(qiáng)度

磁場強(qiáng)度H的定義是磁感應(yīng)強(qiáng)度B與介質(zhì)磁導(dǎo)率μ的比值，即

式中，若B的單位用T（Wb/m²），μ的單位用H/m，則H的單位是A/m。

磁感應(yīng)強(qiáng)度為

現(xiàn)在舉一個(gè)例子具體說明B與H的關(guān)系以及它們之間的區(qū)別。

圖3-1所示為一個(gè)鐵磁圓環(huán)上密繞的螺管線圈（可簡稱為環(huán)形線圈），共繞線圈N匝，通入電流I，圓環(huán)中心線的周長l=2πr，R是圓環(huán)的平均半徑。若線圈繞得很緊密，則環(huán)形線圈的外部磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，磁通全部集中分布在線圈的內(nèi)部。實(shí)驗(yàn)與理論都可以證明，在圓環(huán)中心線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)為

式中，μ為環(huán)內(nèi)鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率。

若環(huán)內(nèi)是空心的（即環(huán)內(nèi)介質(zhì)是空氣，μ≈μ₀），則中心線上的磁感應(yīng)為

由式（3-4）和式（3-5）可得

這說明鐵心環(huán)形線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度B是空心環(huán)形線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度B₀的幾百、幾千倍以上。

但是磁場強(qiáng)度H呢？根據(jù)定義可知，鐵心環(huán)形線圈中心線上的磁場強(qiáng)度為

空心環(huán)形線圈中心線上的磁場強(qiáng)度為

這就是說，無論是何種磁介質(zhì)，環(huán)形線圈中心線上的磁場強(qiáng)度總是

它與磁介質(zhì)無關(guān)。

例3 一環(huán)形線圈，中心線周長l=50cm，匝數(shù)為500，通入電流為1A。求線圈的介質(zhì)為空氣或鑄鋼（μ_r=800）時(shí)，線圈中心線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

解 先求出H：

再求得B：介質(zhì)為空氣時(shí)

B₀=μ₀H=4π×10^-7×1000T≈1.26×10^-3T

介質(zhì)為鑄鋼時(shí)

B=μ_rμ₀H=800×1.26×10^-3≈1.01T

五、汽車上的應(yīng)用

【專業(yè)指導(dǎo)】 汽車上的很多傳感器和執(zhí)行器采用了改變磁阻的原理工作

汽車傳感器如以改變磁阻實(shí)現(xiàn)磁通量Φ發(fā)生變化，這個(gè)過程中實(shí)現(xiàn)位置監(jiān)測(cè)的傳感器有磁阻霍爾效應(yīng)傳感器和磁脈沖傳感器。

汽車執(zhí)行器應(yīng)用在目前很多純電動(dòng)汽車（如比亞迪純電動(dòng)、北汽純電動(dòng)）、混合動(dòng)力汽車（如豐田普銳斯）上的電控駐車電機(jī)為磁阻電機(jī)，即電機(jī)定子線圈磁極為分布式集中繞組，數(shù)目是三的倍數(shù)，而轉(zhuǎn)子是三分之二定子的磁極個(gè)數(shù)。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)是因?yàn)槎ㄗ拥拇帕€力圖沿磁阻最小的路徑走，這個(gè)過程中，定子集中繞組總導(dǎo)致這個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)從而達(dá)到最小磁阻的路徑。