傻傻分不清電路?專業電氣學姐為你全方面解讀(二十二)

2020-03-31 11:33 更新 肖菲 瀏覽:248人次 微信二維碼

我是如何學習電工基礎之Part.22:物質的磁性


不知大家對鐵磁物質的了解有多少?或者這樣問,為什么電機的鐵芯或變壓器的鐵芯都是由硅鋼片制成?如下圖22-1所示,變壓器的以硅鋼片制成鐵芯,電機的繞組是嵌放在由硅鋼片疊成的鐵芯槽內。



▲圖22-1

這是因為硅鋼片是高磁導率(磁阻低)的鐵磁性材料,能使磁通絕大部分通過由硅鋼片疊成的鐵芯而形成閉合回路。這就好比電流都是流過導體的原理,只有微小的漏電流會流過絕緣物質,但是磁導率和電導率是完全不同數量級的數,所以漏電流和漏磁通的數量級也是是完全不同的。


磁導率,在之前的學習分享中已經學過,是一個用來表示磁場媒質磁性即磁介質的物理量,也就是用來衡量物質導磁能力(即導磁性)的物理量,用符號μ表示,單位是H/m(亨/米),其值由媒質的性質所決定真空中的磁導率是一個常數,用μ0表示,即μ0=4π×10-7H/m。其它任一媒質的磁導率與真空的磁導率的比值稱為相對磁導率,用μr表示,即μr=μμ0。


其中磁介質是指磁場中的物質,類似于電場中的電介質。而導磁性是指物質對磁場的影響能力。


在之前學習磁場的基本物理量的時候也提到過,磁導率μ與磁場強度H和磁感應強度B之間存在著某種關系,即H=μBH=B/μ。根據相對磁導率的定義,我們可以很快地推導出相對磁導率μ、磁場強度H與磁感應強度B之間的關系如圖22-2所示。


22-2


22-2中的式子表明,在同樣磁場強度的情況下,磁場空間某點的磁感應強度與該點媒質的磁導率有關,若媒質的磁導率為μ,則磁感應強度將是真空中磁感應強度的μr倍。


不同材料的相對磁導率μr相差很大。自然界的所有物質根據磁導率的大小,大體分可以為非磁性物質和磁性物質兩大類:


l 非磁性材料的相對磁導率為常數且接近于1;

l 磁性材料的相對磁導率則很大,其磁導率可比非磁性材料的要高102~106倍。


也就是說非磁性材料如空氣、木材、瓷、膠木、銅、鋁之類的磁介質,其導磁能力(即對磁場的增強程度)很弱且接近;而磁性材料如鐵、鎳、鈷和它們的合金及氧化物之類的磁介質,其導磁能力很強。


非磁性物質其實很好理解,它們一般不能被磁鐵吸合。非磁性材料分子電流的磁場方向雜亂無章,幾乎不受外磁場的影響而相互抵消,不具有磁化特性。它們的磁導率μ約等于真空磁導率μ0,即μμ0,所以其相對磁導率μr≈1。


22-3


當物質是非磁性材料時,如上圖22-3所示,其中H=NI/l是磁介質的安培環路定理,在此就不展開講述。從圖22-3我們可以看到,非磁性物質的磁感應強度B和所處的磁場強度H成正比,它們的特性曲線呈線性關系;同樣的,其磁通φ與產生磁場的電流I成正比,也是呈線性關系。也就是說,外加電流越大,電流產生的磁場的磁場強度越強,此時的磁介質即非磁性物質的磁感應強度和磁通量也越大,但這個增大是呈線性趨勢。


當物質是磁性材料時,此時的B、H、φI就不是簡單的線性關系了,因為此時的磁性材料存在很大的磁化現象。而關于磁性材料的磁化現象,這也是我們接下來要學習的內容。


其實,任何物質在外磁場中都能夠或多或少地被磁化,只是磁化的程度不同而已。根據物質在外磁場中表現出的特性,物質可分為五類:順磁性物質、抗磁性物質、鐵磁性物質、亞磁性物質反磁性物質。其中順磁性物質和抗磁性物質稱為弱磁性物質,鐵磁性物質稱為強磁性物質。通常所說的磁性材料其實就是指的強磁性物質。


另外,磁性材料按磁化后去磁的難易程度可分為軟磁性材料和硬磁性材料。磁化后容易去掉磁性的物質叫軟磁性材料,不容易去磁的物質叫硬磁性材料。一般來講軟磁材料剩磁較小,硬磁材料剩磁較大。


磁化,是指在受外磁場的作用下,由于材料中磁矩排列時取向趨于一致而呈現出一定的磁性的現象。其中磁矩是描述載流線圈或微觀粒子磁性的物理量。磁性物質內部會形成許多小區域,其分子間存在的一種特殊的作用力使每一區域的磁場排列整齊,顯示磁性,這些小區域就稱為磁疇。磁疇是天然磁化區,是磁性物質特有的結構,每一個磁疇都有自己的磁矩(即一個微小的磁場)。如下圖22-4所示,一個個的小區域就是磁介質的磁疇。


22-4


在沒有外磁場作用的普通磁性物質中,各個磁疇排列雜亂無章,如圖22-4的(a)所示,磁場相互抵消,整體對外不顯磁性。在外磁性作用下,磁疇方向發生變化,使之與外磁場方向趨于一致,如圖22-4的(b)所示,物質整體顯示出磁性來,這就是磁化,即磁性物質能被磁化。


磁介質的磁化現象有點類似于電介質在電場中所產生的極化現象。極化的電介質產生一個附加電場,從而對原電場產生影響;磁化的磁介質也要產生附加磁場,顯然,附加磁場對原磁場也會產生影響。


磁導率很大的鐵磁材料磁化后,能顯著地增強磁場,所以磁性物質被廣泛地應用于電工設備中,電動機、電磁鐵、變壓器等設備線圈中都含有的鐵芯,就是利用其磁導率大的特性,使得在較小的電流情況下得到盡可能大的磁感應強度和磁通,即鐵芯材料的磁化。


22-5


如圖22-5所示,若將鐵磁材料放入通電線圈中(線圈稱為勵磁線圈,電流稱為勵磁電流),在勵磁電流產生的外磁場的作用下,個磁疇的磁場方向趨向于外磁場的方向,產生一個很強的附加磁場,使合成的總磁場大大增強,這種現象就稱為鐵磁材料的磁化。


學到這里,關于物質的磁性,我相信大家也有了一定程度的了解,下次我們會繼續學習磁性物質的磁特性。那么,這次的學習就到此為止。



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