铁磁性材料（铁磁材料及其特性）

铁磁性材料（铁磁材料及其特性）

电磁电磁，有电必有磁，有磁必有电。

自然界的物质，根据导磁性能强弱可分为两大类：

A、铁磁材料：如，铁、钢、镍、钻等，这类材料的导磁性能好，磁导率μ值大；

B、非铁磁材料：如，铜、铝、纸、空气等，此类材料的导磁性能差，磁导率μ值小，接近真空的磁导率μ0。

铁磁材料是制造变压器、电动机、磁性电子元件等的主要材料，铁磁材料的磁性能对电磁器件的性能和工作状态有着很大影响。

铁磁材料的磁性能，主要表现为高导磁性、磁饱和性、磁滞性。

1．高导磁性

铁磁材料有很强的导磁能力，在外磁场作用下，其内部的磁感应强度会大大增强。

这是因为在铁磁材料的内部存在许多磁化小区，称为磁畴，每个磁畴就像一块小磁铁，在无外磁场作用时，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

这些磁畴在一定强度的外磁场作用下，将顺着外磁场的方向趋向规则的排列，产生一个附加磁场，使铁磁材料内的磁感应强度大大增强，这种现象称为磁化。

非铁磁材料没有磁畴结构，所以不具有磁化特性。

通电线圈中放入铁心后，磁场会大大增强，这时的磁场是线圈产生的磁场和铁心被磁化后产生的附加磁场的叠加。变压器、电动机等各种电器的线圈中都放有铁心，在这种具有铁心的线圈中通入不大的励磁电流，便可产生足够大的磁感应强度和磁通。

2．磁饱和性

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将增大，但当励磁电流增大到一定值时，几乎所有的磁畴都与外磁场的方向一致，附加磁场就不再随励磁电流的增大而继续增强，这种现象称为磁饱和现象。

下图是磁化曲线，我们来分析一下磁饱和过程。

材料的磁化特性可用上图的磁化曲线B=f(H)表示。

铁磁材料的磁化过程大致上可分为四段：

【Oa】段的磁感应强度B随磁场强度H增加较慢；

【ab】段的磁感应强度B随磁场强度H差不多成正比地增加；

【b点以后】B随H的增加速度又减慢下来，逐渐趋于饱和；

【c点以后】其磁化曲线近似于直线，且与真空或非铁磁材料的磁化曲线B0=f(H)平行。

工程上称a点为附点，称b点为膝点，称c点为饱和点。

由于铁磁材料的B与H的关系是非线性的，故由B=μH的关系可知，其磁导率μ的数值将随磁场强度H的变化而改变，如上图中的μ=f(H)曲线所示。

铁磁材料在磁化起始的Oa段和进入饱和以后，μ值均不大，在膝点b的附近μ达到最大值。所以电气工程上通常要求铁磁材料工作在膝点附近。

下图是用实验方法测得的铸铁、铸钢和硅钢片三条常用磁化曲线。

这三条曲线分别从a、b、c三点分为两段：

下段的H从0至1.0×10^(3)(A/m)，横坐标在曲线下方。

上段的H从1至10×10^(3)(A/m)，横坐标在曲线上方。

3．磁滞性

如果励磁电流是大小和方向都随时间变化的交变电流，则铁磁材料将受到交变磁化。

在电流交变的一个周期中，磁感应强度B随磁场强度H变化的关系如下图所示。

由图可见

当磁场强度H减小时，磁感应强度B并不沿着原来这条曲线回降，而是沿着一条比它高的曲线缓慢下降。

当H减速到零时，B并不等于零而仍保留一定的磁性。

这说明铁磁材料内部已经排齐的磁畴不会完全回复到磁化前杂乱无章的状态，这部分剩留的磁性称为剩磁。

用Br表示，如要去掉剩磁，使B=0，应施加一反向磁场强度-Hc，Hc的大小称为矫顽磁力，它表示铁磁材料反抗退磁的能力。

这就像开车时的惯性一样，松开油门车并不会立刻停下来，需要给一个反向力（踩刹车）来制动。

若再在反向增大磁场，则铁磁材料将反向磁化；当反向磁场减小时，同样会产生反向剩磁(-Br)。随着磁场强度不断正反向变化，得到的磁化曲线为一封闭曲线。

在铁磁材料反复磁化的过程中，磁感应强度的变化总是落后于磁场强度的变化，这种现象称为磁滞现象，上图所示的封闭曲线称为磁滞回线。

铁磁材料按其磁性能又可分为软磁材料、硬磁材料、矩磁材料三种类型，如下图所示它们的磁滞回线。

软磁材料，它的剩磁和矫顽力较小，磁滞回线形状较窄，但磁化曲线较陡，即磁导率较高，所包围的面积较小。它既容易磁化，又容易退磁，一般用于有交变磁场的场合，如用来制造镇流器、变压器、电动机以及各种中、高频电磁元件的铁心等。

常见的软磁材料有纯铁、硅钢、玻莫合金以及非金属软磁铁氧体等。

硬磁材料，它的剩磁和矫顽力较大，磁滞回线形状较宽，所包围的面积较大，适用于制作永久磁铁，如扬声器、耳机、电话机、录音机以及各种磁电式仪表中的永久磁铁都是硬磁材料制成的。

常见的硬磁材料有碳钢、钻钢及铁镍铝钴合金等。

矩磁材料，它的磁滞回线近似于矩形，剩磁很大，接近饱和磁感应强度，但矫顽力较小，易于翻转，常在计算机和控制系统中作记忆元件和开关元件，例如，磁带、磁盘、硬盘。

常见的矩磁材料有镁锰铁氧体及某些铁镍合金等。

磁化 材料 磁场 曲线 磁性