线圈磁场对铁心的影响

图5-19 描述魏斯基本磁偶极子的磁模型

实验5-16：把一个小磁针或曲别针保持在一个无铁心线圈上方几厘米处，把线圈接到直流电源上，并将电流调到线圈允许值；再把一个铁心从上方插入线圈。

有铁心的线圈当电流通过时，其吸力比无铁心时的线圈大。

铁心能大大提高通电线圈的磁通密度。

（1）魏斯基本磁偶极子 在铁磁物质中电子不仅绕原子核运动，另外还绕其自己的轴转动（电子自旋），并因此引起在铁磁原处的磁场，于是便形成所谓的魏斯^[3]基本磁偶极子（图5-19），如图5-20a所示，这些小的魏斯基本磁偶极子在铁磁物质内杂乱无章地排列，磁性相互抵消，对外不呈现磁性。当磁场作用在铁磁物质上时，魏斯基本磁偶极子如图5_-20b所示便定向排列，从而提高了磁通密度。在磁化时，通过磁心形成极多的附加的磁力线。铁磁物质相对于空气有非常高的磁导率。

为了计算材料对磁通密度的影响，人们首先研究了真空和空气的影响。

（2）无铁心线圈 对于无铁心线圈（空气线圈），其磁通密度B（作用）与线圈电流成正比，从而与磁场强度H（原因）成正比，其直接关系如图5-21所示。磁场强度H除以磁通密度B的商称为真空磁导率_μ0。数值μ₀对真空为真实值，而对空气是一个近似值。

图5-20 魏斯磁偶极子

a）磁中性 b）磁饱和

图5-21 空气线圈的特性曲线

B=f（H）

磁场常数：

式中 μ₀——真空磁导率；

B——磁通密度；

H——磁场强度。

计算例题：

求一个磁场强度为2500A/m的空气线圈的磁通密度。

解：

（3）有铁心线圈 人们画出了称为磁化特征曲线（图5-22）的铁心在开始磁化时的磁通密度B与磁场强度H关系的曲线。通电线圈的磁场由于铁心的存在而得到加强。自铁心饱和开始，继续增加电流强度时，其磁通密度的增加与空气中的线圈相同，这时铁心的增强作用非常小。铁磁物质把空气线圈的磁通密度扩大了许多倍。铁心的磁导率不是一个常数，它是随磁场强度的变化而变化。相对磁导率μ_r与真空磁导率μ₀的乘积为磁导率μ。

物质的磁导率：μ=μ₀μ_r。

图5-22 磁化特性曲线

ⓘ相对磁导率μ_r表示可磁化物质比在真空或空气中时的好坏程度。

如图5-23所示，不同物质的磁通密度B与其磁场强度H的关系区别很大。

其他物质的磁化特性曲线，见电工学图表手册。

不同的铁磁物质，其磁性是变化的。对于所谓顺磁性物质，其相对磁导率_μr稍大于1，而对于逆磁性物质，由于其相对磁导率小于1（见表5-2），所以其磁场弱。

B与H之间的关系：

B=μ₀μ_rH；μ=μ₀μ_r；B=μH

式中 B——磁通密度；

H——磁场强度；

μ₀——真空磁导率；(www.xing528.com)

μ_r——相对磁导率；

μ——磁导率。

图5-23 物质的磁化特性曲线（举例）

表5-2 相对磁导率μ_r（举例）

计算例题

在一块电工钢片中可达到1T的磁通密度。

求：

a）通过图5-23所示特性曲线确定其所需的磁场强度。

b）确定此磁场强度下电工钢片的相对磁导率μ_r。

解：

a）

b）

（4）反复磁化特性曲线（磁滞回线） 第一次对铁磁物质磁化时，其磁通密度与图5-24所示的起始磁化曲线相一致，是从0点到点1逐渐增加，并最后达到饱和。

实验5-17：将一块U形铁心固定在台板上，将一只300匝的线圈套在铁心上，用一磁轭使磁路闭合，采用约2A的直流电激励线圈，再切断电路。

磁轭紧紧地吸附在铁心上，并且必须要用很大的力才能将其拉开。

虽然切断电路后磁场已为零，但仍有剩余磁通密度存在，即剩余磁通密度B_r将磁轭吸住（图5-24的点2）。

实验5-18：按实验5-17的布置，但改变其电流方向，并缓慢增大电流，这时只要加少量反向励磁电流便可取下磁轭。

磁轭可在一个较小的电流下取下。

相反的磁场强度可以消除剩磁。线圈产生一个在铁心中存在很小磁通密度的磁场强度。消除剩磁的磁场强度称为矫顽磁场强度H_c（图5-24点3）。

继续增大实验5-18的电流，铁心又磁化并饱和，但方向相反（图5-24点4）。然后断开电路，铁心又存在剩磁。此剩磁磁通密度（图5-24点5）可再由反向矫顽磁场强度加以消除（图5-24点6）。

反复磁化特性曲线。磁物质反复磁化时磁场强度H与磁通密度B之间的关系是由图5-24所示的反复磁化特性曲线（磁滞回线）来描述的。因为微磁体（魏斯基本磁偶极子）反滞后取向，所以磁通密度是落在磁场强度之后。交流电流在有铁心线圈中流动时，微磁体不断地倒换极性。铁心因此而发热。这种热损失就是磁滞损耗（反复磁化损耗）。如图5-25a所示，被磁滞回线所包围的面积与反复磁化所用的单位体积的能量（Ws/m³）相符。磁滞回线的面积越大，则为了使铁心的反复磁化所输入的能量就越大。对此，例如变压器中所用的是具有少量磁滞回线的材料（图5-25b）。

ⓘ磁滞回线

当在线心中由交流电流引起磁场时，在铁心中因变换极性而出现的能量耗损而形成热损耗。

（5）消磁 在消磁时，如工具、钟和磁带，都应使其微磁体处于无序状态。对此应把所消磁的部件放到一个具有减小值的多变磁场中或把要消磁的部件缓慢地撤离多变磁场。这时磁场强度不断地变换方向并逐渐减少。铁心的磁化在两个方向上均变小。此时如图5-26所示，磁滞回线也发生相应的变化。

图5-24 反复磁化特性曲线（磁滞回线）

图5-25 不同物质的磁滞回线

可以用类似的方法消除储磁的音、像信号。记录的消音，在消音时使信息存储体从消音头的信息间隙旁通过，使高频交流电流流过消音头。在通过的信息存储体中产生一个减小值的交变磁场，并以此抹除录音。

（6）磁场屏蔽 不允许干扰磁场穿透灵敏的测量仪表，可使用铁磁壳体的高磁导率屏蔽干扰磁场。在屏蔽的内部形成一个无场空间（图5-27）。对于恒磁场，则是把软磁材料制成桶形、管形或以箔的形式进行屏蔽。除了测量仪器外，对于电子射线管、磁头、导线、计量实验室和测试场的结构部分均采取了屏蔽。通过屏蔽也可以使人与地磁场隔离。

图5-26 消磁时的磁滞回线