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第三節(jié) 磁化和反復(fù)磁化

為什么鐵心線圈比同樣的空心線圈能大大增強(qiáng)磁場(chǎng)呢?

一、什么是磁化

鐵磁物質(zhì)結(jié)構(gòu)上有一個(gè)特點(diǎn):它的內(nèi)部存在著大量磁疇。所謂磁疇,就是由分子電流形成的磁性小區(qū)域。在沒有外磁場(chǎng)作用時(shí),如圖3-2a所示,這些磁疇的排列取向極不規(guī)則,因此宏觀對(duì)外不顯磁性;而在外磁場(chǎng)作用時(shí),如圖3-2b所示,磁疇做定向排列,與外磁場(chǎng)方向一致,從而產(chǎn)生很強(qiáng)的附加磁場(chǎng)。這個(gè)附加磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)疊加起來,就使通電線圈的磁場(chǎng)大大增強(qiáng),這種現(xiàn)象稱為磁化。由此可見,磁疇是鐵磁物質(zhì)磁化的內(nèi)在根據(jù),而外磁場(chǎng)則是磁化的外部條件。

圖3-2 磁疇取向示意圖

鐵磁物質(zhì)的BH而變化的曲線稱為磁化曲線,又稱B-H曲線。

圖3-3所示為測(cè)定磁化曲線的實(shí)驗(yàn)電路。將待測(cè)的鐵磁物質(zhì)制成圓環(huán)形,線圈密繞于環(huán)上,勵(lì)磁電流由電流表測(cè)得,磁通由磁通表測(cè)得。

實(shí)驗(yàn)前,待測(cè)的鐵心是去磁的(即當(dāng)H=0時(shí),B=0)。實(shí)驗(yàn)開始,接通電路,使電流I由零逐漸增加,即H由零逐漸增加,B隨之變化。以H為橫坐標(biāo)、B為縱坐標(biāo),將多組B-H對(duì)應(yīng)值逐點(diǎn)測(cè)繪出來的磁化曲線如圖3-4所示。由圖可見,BH的關(guān)系是非線性的,即不是常數(shù)。

圖3-3 測(cè)定鐵磁物質(zhì)磁化曲線的實(shí)驗(yàn)電路

圖3-4 起始磁化曲線

磁化曲線大致可分為四段:當(dāng)H從零開始增加時(shí),B隨之增大(曲線O-1段);H繼續(xù)增大時(shí),B急劇上升(1-2段),這是由于磁疇在外磁場(chǎng)作用下,迅速依外磁場(chǎng)的指向排列,故B值增加很快,這時(shí)μ值較大;在曲線2-3段,因?yàn)榇蟛糠执女犚艳D(zhuǎn)到外磁場(chǎng)方向,所以隨著H的增大B值的增強(qiáng)已漸緩慢,μ值逐漸減小,這一段通常稱為磁化曲線的膝部:在曲線3-4段,因磁疇已幾乎全部轉(zhuǎn)到外磁場(chǎng)方向,故H值增加時(shí)B值基本上不再增加了,這時(shí)B值已達(dá)到飽和值Bm。通常Bm約為0.8~1.8T,隨材料的不同而異。電機(jī)和變壓器的鐵心通常都工作在曲線的膝部,即接近于飽和狀態(tài)。

各種鐵磁材料的磁化曲線可從電工手冊(cè)中查得。圖3-5所示為幾種常見鐵磁材料的磁化曲線,由圖可見,在同一H值作用下,電工鋼片(即硅鋼片)的B值最大。

圖3-5 幾種常見鐵磁材料的磁化曲線

二、什么是反復(fù)磁化

鐵磁物質(zhì)還有一些磁的性能需在反復(fù)磁化的過程中才顯示出來。所謂反復(fù)磁化,就是指鐵磁物質(zhì)在大小和方向做周期性變化的外磁場(chǎng)作用下進(jìn)行磁化。在反復(fù)磁化的過程中,先是H從零開始增大,B隨之增大,直到B達(dá)到飽和值,即繪出如圖3-4所示的磁化曲線,稱為起始磁化曲線。當(dāng)B已達(dá)飽和值后,將H從最大值Hm逐漸減小,B也隨之減小,但在這個(gè)去磁過程中,B值并非循著原來的曲線(Oa)衰減,而是沿著另一條位置較高的曲線ab下降,如圖3-6所示。這說明,去磁過程中的B值,比磁化過程中同一H值所對(duì)應(yīng)的B值要大一些。這種B值變化落后于H值變化的現(xiàn)象稱為磁滯。磁滯現(xiàn)象表明鐵磁物質(zhì)具有保持既有磁性的傾向。當(dāng)H值回到0時(shí),B仍然保留某一量值,記作B,稱為該鐵磁物質(zhì)的剩磁感應(yīng),簡稱剩磁,它相當(dāng)于圖3-6中的b點(diǎn);當(dāng)B值反向由0增大到適當(dāng)?shù)臄?shù)值(圖3-6中的c點(diǎn)),B值下降為0,這時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度(HC)稱為矯頑磁力;隨著反向H值的繼續(xù)增大,就會(huì)使B值反向并由0增大至反向的飽和值;然后再將反向的H值減小,即反向去磁,B值將出現(xiàn)反向剩磁。鐵磁物質(zhì)經(jīng)過多次這樣磁化、去磁、反向磁化、反向去磁的過程,B-H的關(guān)系將沿著一條閉合曲線abcdefa周而復(fù)始地變化,這條閉合曲線稱為磁滯回線。

在上述反復(fù)磁化的過程中,鐵磁物質(zhì)內(nèi)部的磁疇來回翻轉(zhuǎn),要消耗一些能量,這些能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽Q為磁滯損耗。理論與實(shí)踐證明,磁滯回線包圍的面積越大,磁滯損耗也越大。磁滯損耗是引起鐵心發(fā)熱的原因之一,因而電機(jī)、變壓器等電氣設(shè)備的鐵心應(yīng)采用磁滯損耗較小的鐵磁物質(zhì)。

工程上應(yīng)用的鐵磁材料按磁性能和用途可分為三類。

1.軟磁性材料

它的特點(diǎn)是剩磁和矯頑磁力都很小。其磁滯回線狹長,磁滯特性不顯著。圖3-7所示為軟磁性材料的磁滯回線,它包圍的面積狹小,磁滯損耗小,常用于電機(jī)、變壓器、電磁鐵中。如純鐵、硅鋼、坡莫合金、軟磁鐵氧體等都是軟磁性材料。

圖3-6 磁滯回線

圖3-7 軟磁性材料的磁滯回線

2.硬磁性材料

它的特點(diǎn)是剩磁和矯頑磁力都大。其磁滯回線較寬,磁滯特性顯著。圖3-8所示為硬磁性材料的磁滯回線。硬磁性材料適宜于制造永久磁鐵,廣泛用于各種磁電系測(cè)量儀表、揚(yáng)聲器、永磁發(fā)電機(jī)以及通信裝置中。如碳鋼、鎢鋼、鋁鎳合金、鋁鎳鈷合金、硬磁鐵氧體等都是硬磁性材料。

3.矩磁性材料

它的特點(diǎn)是受較小的外磁場(chǎng)作用就能達(dá)到磁飽和,去掉外磁場(chǎng)后,仍保持磁飽和狀態(tài)。磁滯回線幾乎呈矩形,如圖3-9所示。現(xiàn)廣泛采用錳-鎂或鋰-鎂矩磁鐵氧體制成記憶磁心,它是電子計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程控制設(shè)備中存儲(chǔ)器的重要元件。計(jì)算技術(shù)中通常采用二進(jìn)制計(jì)數(shù),只有0、1兩個(gè)數(shù)碼,故可利用矩磁材料的兩種磁狀態(tài)(+Br-Br),分別代表這兩個(gè)數(shù)碼起到“記憶”作用。

圖3-8 硬磁性材料的磁滯回線

圖3-9 矩磁性材料的磁滯回線

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