磁路与铁心线圈电路

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第7章磁路与铁心线圈电路
• 7.1 磁场的基本物理量 • 7.2 铁磁材料的磁性能 • 7.3 磁路与磁路欧姆定律 • 7.4 交流铁心线圈电路 • 7.5 电磁铁
7.1 磁场的基本物理量
磁场中用磁感应强度、磁通、导磁率和磁场强度等基本物理量来描述。
7.1.1 磁感应强度B
表征磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量称为磁感应强度B。它是一个矢量，可用试验载流线段在磁场中受到作用力的大小和方向来确定。它与电流的方向关系可以用右手螺旋法则来判定，其大小为：
PWL WL f 2 Bm2V
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7.2 铁磁材料的磁性能
7.2.2 磁记录和磁记忆材料
磁性材料可用于记录，也可用于记忆，记录是一种大小变化的模拟量，记忆是一种0和1组成的数字量。
1．磁记录材料磁记录材料是用来记录、存储和再现信息的磁性材料、由磁带、磁盘等磁记录媒质和磁头材料组成。磁记录是通过磁带和磁头相对运动来完成。
r
0
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7.1 磁场的基本物理量
根据上式，可把物质分为三类：第一类为反磁物质，μr <1，如铜、银、炭；第二类为顺磁物质，μr＞1，如铂、锡、铝等；第三类为铁磁物质，μr>>1，如铁、镍、钴和它们的合金。反磁物质和顺磁物质的相对磁导率都近似为1，均接近于真空磁导率μ0。
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，又可以称为磁通密度。磁通的单位：国际单位制（SI）制单位是为韦伯（Wb），电磁制(CGSM)的单位为麦克斯韦（Mx），1Wb=108 Mx。
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7.1 磁场的基本物理量
7.1.3 磁导率μ
不同的介质的导磁能力不同。描述磁场介质导磁能力的物理量称为磁导率μ 。
如图7.1.1 所示的线圈通电后，在其周围产生磁场。磁场强弱与通过线圈的电流I和线圈的匝数N的乘积成正比。线圈内部x处各点的磁感应强度可表示为：
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7.2 铁磁材料的磁性能
非铁磁物质中小磁畴结构完全杂乱无章，既使在外磁场的作用下，磁畴结构仍无明显变化，不能产生附加磁场，其对外的磁场与真空状态接近，如图7.2.1（a）所示。
2．磁饱和性磁性物质在磁化所产生的磁化磁场不会随着பைடு நூலகம்磁场的增强而无限增强。
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7.1 磁场的基本物理量
7.1.4 磁场强度H
磁场的强弱，除了与回路的电流大小有关外，还受到载流回路周围物质磁化的影响。例如，一个带铁心的螺线管，它的总磁场可以分为两个部分，一部分为螺线管中电流产生的外磁场，另一部分为铁心内部由于磁畴排列整齐而产生的附加磁场，这个附加磁场远远大于外磁场。而且是一个变量，随外磁场的大小而变化。所以这种磁介质( 铁心)使磁场的分析计算复杂化，为了反映外磁场和电流之间的关系，便于计算，引进一个辅助计算矢量——磁场强H。在磁场中任何一点磁场强度的大小与媒介质性质无关，只与产生磁场的电流和载流导体空间的布置情况有关。
在SI制中，H的单位安/米(A／m)，在CGSM制中的单位是奥斯特 (Oe)，它们的换算关系为：1A/m=4π×10-3Oe。
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7.2 铁磁材料的磁性能
磁性材料很多，常用的主要有铁、镍、钴及其合金等材料。不同介质的导磁能力也不同。
7.2.1 铁磁材料的磁性能
在工程上使用的磁性材料都是指磁导率远大于1的铁磁材料，它具有以下的磁特性：
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7.2 铁磁材料的磁性能
铁磁材料之所以较容易被磁化，是由这类材料内部结构决定的。在物质分子中，电子一方面围绕原子核运动，另一方面它又自转，电子运动形成分子电流。该分子电流能产生磁场，每个分子相当于一个小磁铁。磁性物质内部还分成许多小区域，由于磁性物质的分子间有一种特殊的作用力而使每一区域内的分子磁铁都排列整齐，显出磁性，如图7.2.1（b）所示。在没有外磁场作用时，铁磁物质的磁畴排列取向极不规则，相互抵消，对外不显示磁性，但在外磁场作用下。磁畴作定向运动，产生一个很强的与外磁场同方向的附加磁化磁场，使铁磁物质对外呈现很强的磁性。
如果磁场内所有点的磁感应强度大小相等，方向相同，这样的磁场称为均匀磁场。
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7.1 磁场的基本物理量
7.1.2 磁通φ
在均匀磁场中，磁感应强度B与垂直于方向磁场的面积S的乘积，称为通过该面积的磁通，即：
BS
式中：φ为磁通，Wb；
或
B
S
S为面积，m2；
磁通反映了磁导体某个范围内磁力线的多少，所以磁感应强度B
铁磁材料不同，其磁化曲线和磁滞回线不同，根据磁铁材料磁性能上的差异，可以分为三类：
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7.2 铁磁材料的磁性能
1）软磁材料具有很高的导磁性，剩磁与矫顽力都很小，磁滞回线窄，磁滞损耗小。其磁滞回线如图6．2．3(a)所示。这一类材料常用的有硅钢、铸铁、铁氧体等。一般用来制作电机、变压器及电器线圈的铁心。铁氧体在电子技术中应用也很广泛，例如可做计算机的磁心、磁鼓以及录音机的磁带、磁头。
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7.2 铁磁材料的磁性能
1．导磁性
铁磁材料的磁导率很高，其值可达数百、数千以至数万。象硅钢片的相对磁导率μr＝6000～8000，坡英合金(铁镍合金) 可达105左右。铁磁材料这一高导磁性使它在外磁场作用下，能被强烈磁化而呈现很强的磁性。
铁磁物质的磁导率为什么会比真空中的磁导率大得多呢？这是由于将铁磁物质放入磁场后，它就转变为与外磁场同方向的并比外磁场强得多的磁铁。因而使总磁场比原有(真空中或空气中的)磁场强得多。一种物质从不显示磁性到显示磁性的现象叫磁化。
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7.1 磁场的基本物理量
B F 式中： B为磁感应强度的大小，Tl；I
I为通过导线的电流，A； l为垂直磁场方向导线的长度，m； F为在磁场中受到的作用力，N。
磁感应强度B的单位：国际单位制（SI）单位是特斯拉，简称特（T），电磁制(CGSM)的单位为高斯(Gs)，1T＝104Gs。
Bx
NI lx
NI
2x
式中：lx表示x点处的磁力线的长度。
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7.1 磁场的基本物理量
由此可见，某点的磁感应强度的大小与磁导体介质、流过电流大小、线圈的匝数及该点的位置有关。
在SI制中，单位为享／米(H／m)。实验测定，真空的磁导率μ0＝ 4π×10-7 (H／m)，因为μ0是一个常数，工程上常把其他介质的磁导率与之相比较，称其为相对磁导率，是标量，常用字母μr表示，即：
7.2 铁磁材料的磁性能
磁饱和性是铁磁材料固有的特性，即B不会随着H的增强而无限增强。如果对铁心线圈通电，铁心就被磁化，产生磁化磁场，逐渐加大通电电流，磁化磁场逐渐强。当励磁电流(产生磁化磁场的电流)增大到一定程度，磁性材料内部的全部磁畴的磁场方向转向与外磁场方向一致，这时再增加励磁电流，磁化磁场的磁感应强度B几乎不再增大，此对应的磁感应强度Bj称磁饱和感应强度，如图7.2.2磁化曲线中虚线所示。图中B0是空心线圈通过电流产生的磁感应强度，随着励磁电流的增加而线性增加，其值极小，也不饱和。总磁感应强度B由Bj 和B0叠加，组成实际B一H感化曲线。
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7.2 铁磁材料的磁性能
2）硬磁材料具有较大的剩磁，磁滞回线较宽，其磁滞回线如图6.2.3 (b) 所示。常用这一类材料有碳钢、铁镍铝钴合金等。一般用来制作永久磁铁。近年来，稀土钴等的矫顽磁力更大。
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7.2 铁磁材料的磁性能
3）矩形磁材料具有矩形滋滞回线的是一种特殊的磁性材料，它具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。它在很小的外磁场作用下就能磁化并达到饱和，去掉外磁场仍能保持，其磁滞回线如图6.2.3 (c) 所示。这一类材料常用的有经过组织化处理后的铁镍合金，金属矩磁材料制成薄膜可作为计算机和控制系统的可作记忆元件、开关元件和逻辑元件。
PCZ CZ fBmnV
式中,Pcz为磁滞损失功率；δcz为铁磁材料有关系数。
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7.2 铁磁材料的磁性能
2．涡流损耗
当铁心通过交变磁通时，根据电磁感应定律，铁心中将产生感生电势和感生电流，这些电流在铁芯内部围绕磁通呈游涡状流动，故称为涡流，其功率损耗称涡流损耗。为减小涡流损耗，一般铁心不用整块铁磁材料，而是采用相互绝缘的薄钢片组成，增长了涡流的路程；另外在电工钢中加入4％左右的硅。以提高电阻系数ρ。以上措施都是提高涡流回路的电阻，以减小涡流损耗。在工频下应用，硅钢片的厚度约为0.35～0.50mm，音频下为0.02～0.05mm，涡流的损失功率可由下式计算：
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7.1 磁场的基本物理量
磁场强度H为磁场中某一点磁感应强度B与该点介质的磁导率的比值。H和B有相同的方向，其大小为：
HB
由式（7.1.3）和式（7.1.5）可得：
NI NI H
lx 2x
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7.1 磁场的基本物理量
上式表明磁场内某点的磁场强度H值与电流大小、线圈匝数及该点的位置有关，而与该点处介质的磁导率无关。
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7.2 铁磁材料的磁性能
由图可知，磁化曲线可分为4段： 1）oa段，B增加非常缓慢； 2）ab段，B随H增加很快，B和H差不多按比例增长，近似为线性； 3）bc段，随着H的增长，B的增加缓慢下来，此段称为曲线的膝部；
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7.2 铁磁材料的磁性能
4）c以后，B几乎不再增加，最大值B，这时为磁饱和状态。b点称为膝点，电源变压器磁感应强度B通常选在b点附近，以提高相对磁导率，又可防止磁饱和。通讯电路中变压器或电感为减小损耗，提高线性度，通常选在磁化曲线的a点附近。
2）当励磁电流由正降到零，H也由Hm降至零时，铁心磁化获得的磁性尚未完全消失，B不是沿ao下降，而是沿曲线ab下降。铁心中有剩磁Br；
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7.2 铁磁材料的磁性能
3）当H由零变到一Hm，即反向磁化时，B沿着bcd变化。铁心中仍有剩磁Br；
4）当H由一Hm上升到零时，B沿de变化； 5）当H再由零上升到Hm时，B沿着曲线efa上升，又几乎回到a点。这样反复磁化一个循环，就得到一个闭合曲线abcdefa，称为铁磁材料的磁滞回线。
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7.2 铁磁材料的磁性能
7.2.2 铁磁材料的损耗
铁心通过恒定磁通不产生损耗。铁心中若通过交变磁通，则铁心内部将产生磁滞损耗和涡流损耗。低频时磁滞损耗比涡流损耗大，高频时主要是涡流损耗。
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7.2 铁磁材料的磁性能
1．磁滞损耗铁磁材料在交变磁场的作用下，按磁滞回线反复磁化，磁畴间不断“磨擦”消耗能量。磁滞损耗与交变磁化频率f成正比，还与材料磁滞回线面积、最大磁感应强度Bm以及体积有关。磁滞功率损耗可由下式表示：
当有磁性物质存在时，B和H不成正比，如图7.2.3所示。故，磁性物质的磁导率μ常数，它随H而改变。
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7.2 铁磁材料的磁性能
3．磁滞性
当铁心线圈在交流励磁电流作用下，铁心受到反复磁化。下面我们就图7.2.4所示的的曲线分析一下磁性材料的磁滞性。在测取铁磁材料磁化曲线时，
1）当线圈中的励磁电流由零向正方向增长时，铁心被磁化，H由零上升到Hm，B沿oa曲线上升；
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7.2 铁磁材料的磁性能
当被记录的非电信号，如声音、图象或其他信号转化为电信号时，经放大送到磁头线圈上，由于线圈中电流方向、大小不同，在磁头间隙中将产生不同的变化磁通。在相对运动中当涂敷磁性层的磁带与磁头工作缝隙接触时，低磁阻的磁性层将磁头缝隙中磁力线旁路，磁通经过磁带构成闭合回路，结果使磁带上与磁头接触的磁性体被磁化。而当磁带以一定速度离开磁头的缝隙时，将留下与磁头内磁通方向、大小相一致的剩磁，假定记录的为正弦波，那么磁带上的剩磁强度也将沿着磁带长度方向按正弦波变化，并把记录的信号以剩磁的形式储存在磁带中。
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7.2 铁磁材料的磁性能
从磁滞回线可以看出，上升磁化曲线和下降磁化曲线不重合。当 H下降到零时，B不是下降到零而是下降到Br，这种B滞后于H的性质叫磁滞性，Br称为剩余磁感应强度，简称剩磁。使Br减至零所需的磁场强度—HC称为矫顽磁力。Br、HC是表征铁磁材料的两个重要参数。