第一节磁场基本物理量何铁磁性材料

第一节磁场基本物理量和铁磁性材料一、电磁场的基本物理量为了更好地理解磁场的基本性质，介绍四个常用的基本物理量，即磁感应强度Ｂ、通Φ、磁导率μ、磁场强度Ｈ。

1、磁感应强度Ｂ磁感应强度Ｂ是反映磁场性质的参数.它的大小反映磁场强弱,它的方向就是磁场的方向.若在磁场中某一区域，磁力线疏密一致，且方向相同，则称该区域为匀强磁场或均匀磁场.在均匀磁场内，磁感应强度处处相同。

场内某点磁力线的方向即磁感应强度的方向，磁力线的多少就表示磁感应强度的大小。

一载流导体在磁场中受电磁力的作用，如图3-1所示。

电磁力的大小就与磁感应强度Ｂ、电流I、垂直于磁场的导体有效长度L成正比。

公式为F＝BILsinα（3一1）式中,α为磁场与导体的夹角；Ｂ为磁感应强度，单位是特斯拉（T），工程上也曾用高斯（Gs）。

两个单位的大小关系是:1Gs=10-4 T。

若α＝90°，则F＝BIL （3一2）电磁力的方向可用左手定则来确定。

2、磁通Φ磁感应强度B和垂直于磁场方向的某一面积S的乘积称为该截面的磁通Φ。

若磁场为匀强磁场，Φ的大小为：Φ= BS (3-3)磁通Φ的单位为韦伯(Wb), 工程上过去常用麦克斯韦(Mx), 两个单位的大小关系是:1Mx=10-8Wb。

磁力线垂直穿过某一截面, 磁力线根数越多,就表明磁通越大;磁通越大就表明在一定范围中磁场越强。

由于磁力线是首尾闭合的曲线，所以穿入闭合面的磁力线数，必等于穿出闭合面的磁力线数，这就是磁通的连续性。

3、磁导率μ磁导率μ是用来衡量磁介质磁性性能的物理量。

如图3-2所示一直导体，通电后在导体周围产生磁场,在导体附近一处X点的磁感应强度B与导体中的电流I及X点所处空间几何位置、磁介质μ有关。

公式为:（3-4）由式（3-4）可知磁导率μ越大，在同样的导体电流和几何位置下，磁场越强，磁感应强度B越大，磁介质的导磁性能越好。

不同的介质，磁导率μ也不同，例如真空中的磁导率μ0=4π×10-7H/m,一般磁介质的磁导率μ与真空中磁导率μ0的比值，称为相对磁导率，用表示μr表示，即（3-5）磁导率μ的单位为亨/米（H/m）。

根据相对磁导率不同，我们往往把材料分成三大类，第一类μr略小于1，称为逆磁材料，如铜、银等，第二类μr略大于1，如各类气体、非金属材料、铝等，这两类的的相对磁导率μr约等于1，所以常统称为非铁磁性材料；第三类为铁磁性物质，如铁、钴、镍及其合金等，它们的磁导率很高，相对磁导率μr远远大于1，可达几百到上万，所以电气设备如变压器、电机都将绕组套装在用铁磁性材料制成的铁心上。

需要注意的是，铁磁性物质的磁导率μ是个变量，它随磁场的强弱而变化。

4、磁场强度H磁场强度H也是磁场的一个基本物理量。

磁场内某点的磁场强度H等于该点磁感应强度B除以该点的磁导率μ，即（3-6）式中，H为磁场强度，单位为安/米（A/m）由图3-2可知X点的磁场强度H为（3-7）由此可见，磁场强度的大小取决于电流的大小、载流导体的形状及几何位置，而与磁介质无关。

H和B同为矢量。

H的方向就是该点B的方向。

在后面学到的磁路问题中，常常用到磁场强度这个物理量。

二、电磁感应1、电磁感应定律1831年英国物理学家法拉第发现：当穿过导电回路的磁通发生变化时，就会在该导电回路中产生感应电动势和感应电流。

感应电动势的大小，正比于回路内磁通对时间的变化率。

这称为法拉第电磁感应定律。

在这之后的1833年，科学家楞次又对法拉第电磁感应定律进行补充，总结出变化的磁通与感应电动势（或感应电流）在方向上的关系：在电磁感应过程中，感应电流所产生的磁通，总是力图阻止原磁通的变化。

通常称为楞次定律。

法拉第电磁感应定律和楞次定律分别从大小和方向两方面阐述了感应电动势与磁通的关系。

为了便于分析、表达感应电动势，通常设定感应电动势与磁通的参考方向符合右螺旋关系，则电磁感应定律可用下式表达：对于一匝线圈由电磁感应所产生的感应电动势为（3-8）式中，磁通的单位为Wb；时间的单位为S；电动势的单位为V。

若线圈匝数为N匝，每匝线圈内穿过的磁通为φ，则与此线圈相交链的总磁通称为磁链，用ψ表示,即（3-9）此时线圈的感应电动势为（3-10）式（3-10）不仅表明了感应电动势的大小，而且可以表明其方向。

现举例说明，如图3-4所示，感应电动势与磁通方向满足右手螺旋定则，当磁铁靠近线圈，磁通增加，e为负值，表明其实际方向与图中所选定的方向相反，为逆时针方向。

感应电流也为逆时针方向，产生的磁通φ‘方向与原磁通φ相反。

根据楞次定律可知，感应电流所产生的磁通φ’要阻止原磁通的变化（增加），即与原磁通φ的方向相反，结果与楞次定律完全相符。

同理可知，当磁铁远离线圈，磁通减少，e为正值，表明其实际方向与图中所选定的方向相同，为顺时针方向。

感应电流也为顺时针方向，产生的磁通φ’方向与原磁通φ相同。

根据楞次定律可知，感应电流所产生的磁通φ’要阻止原磁通的变化（减少），即与原磁通φ的方向相同，结果与楞次定律也完全相符。

2、自感L当闭合线圈通电流，就会产生磁场，那么当电流交变，就会使磁场交变，从而在线圈自身产生感应电动势，这种现象称为自感现象，这种电动势称为自感电动势eL。

电流通过线圈时产生的磁链ψ与电流i在大小上成正比，为了便于分析、计算，引入一个参数L，称为线圈的自感系数，即(3-11)式中，ψ为磁链；L为自感系数，简称为电感或自感。

通常选择磁链ψ与电流i在方向上满足右手螺旋定则。

假设线圈中的电阻等于零（由无电阻的导线绕制而成），那么这个线圈就称之为电感元件，显然它是一个理想元件。

当自感系数L为一个常数，即不随磁链ψ与电流I的改变而改变，这种电感元件称为线性电感元件，否则即为非线性电感元件。

对于铁心线圈来说，电感L不为常数，故称为非线性电感。

而空心线圈，其电感为常数，故称为线性电感。

将式（3-11）代入式（3-10）得（3-12）式（3-10）与式（3-12）是电动势的两种表达式，一般当电感L为常数时，多采用式（3-12）。

而分析非线性电感时，由于L可变，一般采用式（3-10）。

3、电感元件上电压与电流的关系交变电流i流经电感元件，在电感元件上产生感应电动势，使元件两端有了电位差，即有了电压u。

习惯上选择电感元件上的电流、电压、自感电动势三者参考方向一致，如图3-5所示，则（3-13）上式是电感元件上电压与电流的约束方程，可以称作是电感元件的欧姆定律。

在直流电路中，由于电流变化率为零，所以电感电压等于零，电感元件相当于短路。

三、铁磁性材料1、铁磁性材料特点由前面所学磁导率知识可知，不同的物质其磁导率不同，其中铁磁性材料的磁导率很高，而且有磁饱和现象和磁滞性，具体分析如下：1）高导磁性铁磁性材料具有磁化现象，所谓磁化就是指由于受外界磁场的作用，使原来不显磁性的材料具有了磁性。

铁磁性物质的磁化特性，可以通过磁化曲线和磁滞回线来说明。

铁磁性物质的磁化曲线可以用磁感应强度B随外磁场强度H的变化关系来表征。

它可用实验方法获得，并绘成如图3-6所示的B＝f（H）曲线。

曲线大致可分为三段：Oa段，ab段和bc段。

在Oa段，已知B=μH，斜率即为磁导率μ，由于铁磁性材料的磁导率μ很高，从图中也可以看出随着磁场强度H的增大，磁感应强度B增加很快，磁化曲线呈斜率很大的直线段，这说明铁磁物质具有高导磁性。

正是由于铁磁物质的高导磁性，许多电气设备的线圈都绕制在铁磁性材料上，以便用较小的励磁电流（与H有关）产生较大的磁场、磁通。

比如变压器的一、二次绕组就绕制在由铁磁性材料（硅钢片）构成的铁心上，同时也降低了设备的体积、重量。

2、磁饱和性如图3-6所示，在ab段，磁感应强度B已经很高，B的增加就变得缓慢了，也就是说铁心开始进入饱和状态，这段称为磁化曲线的膝部，电机、变压器等铁心的磁感应强度B多数选择在这个部位，以便充分利用了铁磁物质的高导磁性。

b点称饱和点。

而在bc段，B随H增加得极少，这时铁磁物质处于饱和状态。

由此可知，铁磁物质的B和H的关系为非线性的，故其磁导率是个变量。

铁磁材料未饱和时磁导率μ大，而越趋于饱和，磁导率μ越小。

3、磁滞性如果在铁心线圈中通以大小及方向均在变化的电流时，铁心受到交变磁化。

铁心中磁感应强度随磁场强度的变化关系如图3-7所示。

通过正方向增大铁心线圈中的电流，使磁场强度H増至Hm；接着减小铁心线圈中的电流数值，使磁场强度H减小到0；继续改变线圈电流的方向，反方向增大铁心线圈中的电流数值，磁场强度H减小到-Hm；之后反方向减小铁心线圈中的电流数值，直至电流为0，此时磁场强度H回到0；再次正方向增大铁心线圈中的电流，使磁场强度H增到Hm，磁感应强度B变化达到Bm。

通过这样多次反复，就可以获得一条对称于坐标原点的闭合曲线，变化轨迹为1-2-3-4-5-6-1，这条闭合曲线称为铁磁材料的磁滞回线。

图中H c称为矫顽磁力（对应点磁感应强度B=0）磁感应强度B=0；Br称为剩磁（对应点磁感应强度H=0）。

铁磁材料的磁滞回线中磁感应强度B滞后于磁场强度H的变化的性质称为铁磁材料的磁滞性。

铁磁材料在反复磁化过程中产生的损耗称为磁滞损耗，它是导致铁磁性物质发热的原因之一，对电机、变压器等电气设备的运行不利。

因此常采用磁滞损耗小的铁磁材料作它们的铁心。

通常磁滞回线所围出的面积越小，其铁心中的磁滞损耗就越小。

通过实验可知，不同的铁磁性材料，其磁化曲线和磁滞回线都不一样。

四、铁磁性材料分类按照铁磁性材料磁滞回线的形状以及在工程中的用途不同，铁磁材料可分为三大类。

分别为软磁材料、硬磁材料和矩磁材料。

三种材料的特点分别如下：·软磁材料的磁导率μ高，磁滞回线狭窄、面积小，磁滞损耗小。

如图3-8所示。

软磁材料还分为用于高频和低频两种。

用于高频的软磁材料要求具有较大的电阻率，以减小高频涡流损耗。

常用的有铁氧体，如半导体收音机中的磁棒和中周变压器的铁心就是用的软磁铁氧体材料。

用于低频的软磁材料有铸钢、硅钢、坡莫合金等。

一般电机、变压器的铁心都是用硅钢片叠成的。

·硬磁材料的磁滞回线较宽，面积大，磁滞损耗大。

其剩磁和矫顽磁力均较大。

如图3-8所示。

这类材料在磁化后能保持很强的剩磁，适宜于制作永久磁铁。

常用的有铝镍钴合金、钴钢等。

在磁电式仪表、电声器材、永磁发电机等设备器材中所用的磁铁就是硬磁材料制成的。

·矩磁材料的特点为受到较小的外磁场作用时，就能磁化达到饱和程度；当外磁场消失后，磁性仍能保持。

磁滞回线形状几乎为矩形，如图3-9所示。

计算机中的存储磁心就用矩磁材料制成的。

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