磁饱和
铁磁材料的物理特性
磁饱和是铁磁性亚铁磁性材料(例如铁、、钴、锰和它们的合金等)中的一种特性,指的是导磁材料由于物理结构的限制,所通过的磁通量无法无限增大,从而保持在一定数量的状态。当磁场强度H增大到一定程度后,磁通密度B只会因真空磁导率而缓慢增加,此即为磁饱和。
词语定义
磁饱和是一种磁性材料的物理特性,磁饱和产生后,在有些场合是有害的,但有些场合有时有益的。比方磁饱和稳压器,就是利用铁心的磁饱和特性达到稳定电压的目的的。电源变压器,如果加上的电压大大超过额定电压,则电流剧增,变压器很快就会发热烧毁。磁饱和的特性可以在其磁化曲线(也叫BH曲线或磁滞曲线)中看出,即该曲线向右弯曲的部分。在磁饱和之后,磁感应强度B仍在逐渐增加,但增长速率大幅减小。
磁饱和的物理机制
铁磁性材料(像铁)在微观上由一个个磁畴构成,它们的作用就像微小的永磁体,可以改变它们磁化的方向。在外部的磁场施加在材料之前,这些磁畴的磁场随机排列互相抵消,所以整体上的磁场小到足以忽略。当一个外部的磁场强度H施加在材料后,它进入材料然后重新排列磁畴,造成那些小磁场转变方向然后与外磁场平行,相加后形成从材料中发出的大磁场。这就称为磁化。施加的磁场强度H越大,磁畴转变方向而形成的磁感应强度B越大。当外部磁场强度大于某定值后,磁场强度再加大所产生的磁感应强度变化已可忽略,此时磁化强度接近定值,此时即为磁饱和。磁饱和不代表全部磁畴都对正外部磁场的方向。饱和时的磁畴结构会随温度而不同。
磁饱和的影响和用途
磁饱和限制了铁氧体磁芯的磁铁和变压器能达到的最大磁场(约为2特斯拉),也限制了它们的最小磁芯,这也是为什么高功率电动机、发电机、及电力用变压器的体积那么大的一个重要原因,因为它们必须有一个大磁芯。在变压器与电感线圈这类利用铁芯及磁场运作的元件中,当足够大的电流通过时,它们磁芯的磁场也会达到饱和,此时它们的运转为非线性的,也就是说通过改变电流,可以使这些磁芯的电感与其他性质随之改变。在线性电路中这是不希望出现的现象。当施加交流电信号的时候,这种非线性会造成一次谐波互调失真。为了避免这种现象,必须限制施加在铁芯电感上的信号强度,使铁芯不会磁饱和。为了减小这种影响,在一些变压器磁芯中会有一些气隙。在饱和电流是通过电感线圈后会使磁芯饱和的电流,这会列在电感器与变压器厂商提供的规格书中。
不过有些汽车传感器也会应用磁饱和的特性。例如在弧焊中用饱和变压器芯限制电流。在铁磁共振变压器中,磁饱和的作用相当于稳压器。当原电流超过某一特定值时,芯进入一种饱和状态,限制次级电流的进一步递增。在更复杂的应用中,饱和铁芯感应器和磁放大器使用一个直流电通过一个独立离的线圈来控制电感器的阻抗。在控制绕组中,变化的电流使操作点在饱和曲线中上下移动,控制通过电感器的交流电。在萤光灯、镇流器中和功率控制系统中会用到这类的特性。在磁通量罗盘及磁通门磁强计中也有用到磁饱和的特性。
磁饱和的材料差异
不同的材料有着不同的饱和度。例如,被用于变压器中的高导磁性铁合金,在磁感应强度为1.6-2.2特斯拉(T)饱和,然而铁氧体在0.2-0.5T饱和。某些非晶态金属合金在1.2-1.3T达到饱和,μ合金在0.8T达到饱和。这些差异对于设计和应用这些材料的电子设备至关重要,因为它们决定了设备的性能和尺寸。
参考资料
目录
概述
词语定义
磁饱和的物理机制
磁饱和的影响和用途
磁饱和的材料差异
参考资料