我是如何學(xué)習(xí)電工基礎(chǔ)之Part.22：物質(zhì)的磁性

不知大家對鐵磁物質(zhì)的了解有多少？或者這樣問，為什么電機(jī)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(jī)的繞組是嵌放在由硅鋼片疊成的鐵芯槽內(nèi)。

▲圖22-1

磁導(dǎo)率，在之前的學(xué)習(xí)分享中已經(jīng)學(xué)過，是一個(gè)用來表示磁場媒質(zhì)磁性即磁介質(zhì)的物理量，也就是用來衡量物質(zhì)導(dǎo)磁能力（即導(dǎo)磁性）的物理量，用符號μ表示，單位是H/m（亨/米），其值由媒質(zhì)的性質(zhì)所決定真空中的磁導(dǎo)率是一個(gè)常數(shù)，用μ₀表示，即μ₀=4π×10^-7H/m。其它任一媒質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空的磁導(dǎo)率的比值稱為相對磁導(dǎo)率，用μ_r表示，即μ_r=μμ₀。

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

在之前學(xué)習(xí)磁場的基本物理量的時(shí)候也提到過，磁導(dǎo)率μ與磁場強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間存在著某種關(guān)系，即H=μB或H=B/μ。根據(jù)相對磁導(dǎo)率的定義，我們可以很快地推導(dǎo)出相對磁導(dǎo)率μ、磁場強(qiáng)度H與磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間的關(guān)系如圖22-2所示。

▲圖22-2

圖22-2中的式子表明，在同樣磁場強(qiáng)度的情況下，磁場空間某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與該點(diǎn)媒質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)，若媒質(zhì)的磁導(dǎo)率為μ，則磁感應(yīng)強(qiáng)度將是真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度的μ_r倍。

不同材料的相對磁導(dǎo)率μ_r相差很大。自然界的所有物質(zhì)根據(jù)磁導(dǎo)率的大小，大體分可以為非磁性物質(zhì)和磁性物質(zhì)兩大類：

l 非磁性材料的相對磁導(dǎo)率為常數(shù)且接近于1；

l 磁性材料的相對磁導(dǎo)率則很大，其磁導(dǎo)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(zhì)，其導(dǎo)磁能力（即對磁場的增強(qiáng)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(zhì)，其導(dǎo)磁能力很強(qiáng)。

非磁性物質(zhì)其實(shí)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(dǎo)率μ約等于真空磁導(dǎo)率μ₀，即μ≈μ₀，所以其相對磁導(dǎo)率μ_r≈1。

▲圖22-3

當(dāng)物質(zhì)是非磁性材料時(shí)，如上圖22-3所示，其中H=NI/l是磁介質(zhì)的安培環(huán)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(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和所處的磁場強(qiáng)度H成正比，它們的特性曲線呈線性關(guān)系；同樣的，其磁通φ與產(chǎn)生磁場的電流I成正比，也是呈線性關(guān)系。也就是說，外加電流越大，電流產(chǎn)生的磁場的磁場強(qiáng)度越強(qiáng)，此時(shí)的磁介質(zhì)即非磁性物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通量也越大，但這個(gè)增大是呈線性趨勢。

當(dāng)物質(zhì)是磁性材料時(shí)，此時(shí)的B、H、φ與I就不是簡單的線性關(guān)系了，因?yàn)榇藭r(shí)的磁性材料存在很大的磁化現(xiàn)象。而關(guān)于磁性材料的磁化現(xiàn)象，這也是我們接下來要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。

其實(shí)，任何物質(zhì)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(jù)物質(zhì)在外磁場中表現(xiàn)出的特性，物質(zhì)可分為五類：順磁性物質(zhì)、抗磁性物質(zhì)、鐵磁性物質(zhì)、亞磁性物質(zhì)及反磁性物質(zhì)。其中順磁性物質(zhì)和抗磁性物質(zhì)稱為弱磁性物質(zhì)，鐵磁性物質(zhì)稱為強(qiáng)磁性物質(zhì)。通常所說的磁性材料其實(shí)就是指的強(qiáng)磁性物質(zhì)。

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(zhì)叫軟磁性材料，不容易去磁的物質(zhì)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(shí)取向趨于一致而呈現(xiàn)出一定的磁性的現(xiàn)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(zhì)內(nèi)部會形成許多小區(qū)域，其分子間存在的一種特殊的作用力使每一區(qū)域的磁場排列整齊，顯示磁性，這些小區(qū)域就稱為磁疇。磁疇是天然磁化區(qū)，是磁性物質(zhì)特有的結(jié)構(gòu)，每一個(gè)磁疇都有自己的磁矩（即一個(gè)微小的磁場）。如下圖22-4所示，一個(gè)個(gè)的小區(qū)域就是磁介質(zhì)的磁疇。

▲圖22-4

在沒有外磁場作用的普通磁性物質(zhì)中，各個(gè)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(fā)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(zhì)整體顯示出磁性來，這就是磁化，即磁性物質(zhì)能被磁化。

磁介質(zhì)的磁化現(xiàn)象有點(diǎn)類似于電介質(zhì)在電場中所產(chǎn)生的極化現(xiàn)象。極化的電介質(zhì)產(chǎn)生一個(gè)附加電場，從而對原電場產(chǎn)生影響；磁化的磁介質(zhì)也要產(chǎn)生附加磁場，顯然，附加磁場對原磁場也會產(chǎn)生影響。

磁導(dǎo)率很大的鐵磁材料磁化后，能顯著地增強(qiáng)磁場，所以磁性物質(zhì)被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，電動(dòng)機(jī)、電磁鐵、變壓器等設(shè)備線圈中都含有的鐵芯，就是利用其磁導(dǎo)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(yīng)強(qiáng)度和磁通，即鐵芯材料的磁化。

學(xué)到這里，關(guān)于物質(zhì)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(xù)學(xué)習(xí)磁性物質(zhì)的磁特性。那么，這次的學(xué)習(xí)就到此為止。