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不知大家对铁磁物质的了解有多少?或者这样问,为什么电机的铁芯或变压器的铁芯都是由硅钢片制成?如下图22-1所示,变压器的以硅钢片制成铁芯,电机的绕组是嵌放在由硅钢片叠成的铁芯槽内。
▲图22-1
这是因为硅钢片是高磁导率(磁阻低)的铁磁性材料,能使磁通绝大部分通过由硅钢片叠成的铁芯而形成闭合回路。这就好比电流都是流过导体的原理,只有微小的漏电流会流过绝缘物质,但是磁导率和电导率是完全不同数量级的数,所以漏电流和漏磁通的数量级也是是完全不同的。
磁导率,在之前的学习分享中已经学过,是一个用来表示磁场媒质磁性即磁介质的物理量,也就是用来衡量物质导磁能力(即导磁性)的物理量,用符号μ表示,单位是H/m(亨/米),其值由媒质的性质所决定真空中的磁导率是一个常数,用μ0表示,即μ0=4π×10-7H/m。其它任一媒质的磁导率与真空的磁导率的比值称为相对磁导率,用μr表示,即μr=μμ0。
其中磁介质是指磁场中的物质,类似于电场中的电介质。而导磁性是指物质对磁场的影响能力。
在之前学习磁场的基本物理量的时候也提到过,磁导率μ与磁场强度H和磁感应强度B之间存在着某种关系,即H=μB或H=B/μ。根据相对磁导率的定义,我们可以很快地推导出相对磁导率μ、磁场强度H与磁感应强度B之间的关系如图22-2所示。
▲图22-2
图22-2中的式子表明,在同样磁场强度的情况下,磁场空间某点的磁感应强度与该点媒质的磁导率有关,若媒质的磁导率为μ,则磁感应强度将是真空中磁感应强度的μr倍。
不同材料的相对磁导率μr相差很大。自然界的所有物质根据磁导率的大小,大体分可以为非磁性物质和磁性物质两大类:
l 非磁性材料的相对磁导率为常数且接近于1;
l 磁性材料的相对磁导率则很大,其磁导率可比非磁性材料的要高102~106倍。
也就是说非磁性材料如空气、木材、瓷、胶木、铜、铝之类的磁介质,其导磁能力(即对磁场的增强程度)很弱且接近;而磁性材料如铁、镍、钴和它们的合金及氧化物之类的磁介质,其导磁能力很强。
非磁性物质其实很好理解,它们一般不能被磁铁吸合。非磁性材料分子电流的磁场方向杂乱无章,几乎不受外磁场的影响而相互抵消,不具有磁化特性。它们的磁导率μ约等于真空磁导率μ0,即μ≈μ0,所以其相对磁导率μr≈1。
▲图22-3
当物质是非磁性材料时,如上图22-3所示,其中H=NI/l是磁介质的安培环路定理,在此就不展开讲述。从图22-3我们可以看到,非磁性物质的磁感应强度B和所处的磁场强度H成正比,它们的特性曲线呈线性关系;同样的,其磁通φ与产生磁场的电流I成正比,也是呈线性关系。也就是说,外加电流越大,电流产生的磁场的磁场强度越强,此时的磁介质即非磁性物质的磁感应强度和磁通量也越大,但这个增大是呈线性趋势。
当物质是磁性材料时,此时的B、H、φ与I就不是简单的线性关系了,因为此时的磁性材料存在很大的磁化现象。而关于磁性材料的磁化现象,这也是我们接下来要学习的内容。
其实,任何物质在外磁场中都能够或多或少地被磁化,只是磁化的程度不同而已。根据物质在外磁场中表现出的特性,物质可分为五类:顺磁性物质、抗磁性物质、铁磁性物质、亚磁性物质及反磁性物质。其中顺磁性物质和抗磁性物质称为弱磁性物质,铁磁性物质称为强磁性物质。通常所说的磁性材料其实就是指的强磁性物质。
另外,磁性材料按磁化后去磁的难易程度可分为软磁性材料和硬磁性材料。磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁性材料,不容易去磁的物质叫硬磁性材料。一般来讲软磁材料剩磁较小,硬磁材料剩磁较大。
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