铁磁材料(铁磁材料及其特性)
【资料图】
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:
[Oa]段的磁感应强度B随磁场强度H缓慢增加；
[ab]部分中的磁感应强度B几乎与磁场强度H成比例地增加；
【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附近达到最大值，所以在电气工程中通常要求铁磁材料在拐点附近工作。
下图是用实验方法测得的铸铁、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，适合制作永磁体。比如扬声器、耳机、电话、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。
