磁滞现象¶
Magnetic Hysteresis
磁性材料的滞后或延迟现象，通常称为磁滞，与材料在磁化和退磁过程中的特性有关。当铁磁性材料受到暂态磁场作用时，其退磁过程会表现出延迟，这种延迟现象就是磁滞。
我们知道，由电磁线圈产生的磁通量是单位面积内产生的磁场或磁力线的总量，更常称为“磁通密度”Flux Density。其符号为 \(B\)，单位为特斯拉（\(\mathrm{T}\)）。
我们也知道，电磁铁的磁场强度取决于线圈的匝数、通过线圈的电流以及所用磁芯材料的类型。若增大电流或匝数，即可增强磁场强度，符号为 \(H\)。
之前，我们将相对磁导率 \(\mu_{r}\) 定义为绝对磁导率 \(\mu\) 与真空磁导率 \(\mu_{0}\) 之比，并将其视为常数。然而，通量密度 \(B\) 与磁场强度 \(H\) 之间的关系表明，相对磁导率 \(\mu_{r}\)并非常数，而是磁场强度的函数，因此有：
这样，材料内的磁通密度相比真空中的 \(\mu_{0}H\) 会因相对磁导率被放大。对于空气芯线圈或任何非磁性介质（如木材、塑料等），该比值可视为常数，称为真空磁导率：
通过绘制通量密度 \(B\) 与磁场强度 \(H\) 的关系曲线，即可得到针对不同磁芯材料的磁化曲线、磁滞回线，或通常所说的 B–H 曲线，如图所示。
磁化曲线 / B–H 曲线¶
Magnetisation or B-H Curve
上图所示的磁化曲线集 \(M\) 展示了软铁和钢芯中磁通密度 \(B\) 与磁场强度 \(H\) 的关系示例，但每种磁芯材料都有其自身的一组磁滞回线。你可能已经注意到，磁通密度 \(B\) 随磁场强度 \(H\)增加而按比例上升，但当达到某个值后，即使磁场强度继续增大，磁通密度也不再明显增加，趋于平坦并保持几乎恒定。
这是因为磁芯所能产生的最大磁通密度存在极限——当铁磁性材料中的所有磁畴完全排列一致后，任何额外的增加都不会对响应 \(M\) 的值产生影响。曲线上磁通密度达到极限的点称为磁饱和（Magnetic Saturation），也称为磁芯饱和。在上述简单示例中，钢芯曲线的饱和点大约开始于
产生饱和的原因在于，正如我们在前面包含韦伯理论的磁学教程中所述，磁芯材料内部的分子结构初始状态是随机无序的。随着磁场强度 \(H\) 的增大，材料内部的微小“分子磁体”逐渐“排列成行”，直到达到完全排列，此时所能产生的磁通密度达到最大值。之后即使进一步增大线圈电流以提高 H，对磁通密度的提升也几乎没有影响。
剩磁¶
Retentivity
假设我们有一个电磁线圈，由于线圈中流过的电流，其磁场强度很大，并且铁磁芯材料已达到饱和点，即最大磁通密度。如果此时打开开关，切断线圈中的磁化电流，我们本以为线圈周围的磁场会随着磁通量降为零而消失。
然而，磁通量并不会完全消失，因为电磁芯材料即使在电流停止流动后，仍然保留一部分磁性。这种在线圈磁化过程结束后，磁芯中保留部分磁性的能力称为剩磁（Retentivity 或 Remanence），而留在磁芯中的磁通密度称为剩余磁感应强度Residual Magnetism，记作 \(B_{R}\).
这是因为材料内部的一些微小“分子磁体”不会完全恢复到随机状态，而仍指向原始磁化场的方向，赋予它们一种记忆特性。某些铁磁材料具有高剩磁（磁硬），非常适合制造永久磁铁；而另一些铁磁材料具有低剩磁（磁软），非常适合作为电磁铁、螺线管或继电器的磁芯。
使剩余磁通密度降为零的一种方法是反向流过线圈电流，从而使磁场强度H变为负值。这种效应称为矫顽力（Coercive Force），记作 \(H_{C}\).
如果继续增大反向电流，磁通密度也将朝反方向增大，直到铁磁芯在相反方向上再次达到饱和。再次将磁化电流 \(i\)
降为零，将在相反方向上产生大致相同的剩余磁性。
通过不断改变线圈中磁化电流的方向（正向与反向交替），就像在交流电源中那样，就可以绘制出铁磁芯的磁滞回线。
磁滞回线¶
Magnetic Hysteresis Loop
上图所示的磁滞回线以图形方式展示了铁磁芯的行为，因为磁通密度 \(B\) 与磁场强度 \(H\) 之间的关系是非线性的。
从未磁化的磁芯开始，磁通密度 \(B\) 和磁场强度 \(H\) 均为零，对应磁化曲线上的点 0。
当线圈中的磁化电流 \(i\) 朝正方向增大时，磁场强度 \(H\) 随之线性上升，磁通密度 \(B\) 也沿曲线从点 0 上升到点 a，逐渐趋近饱和。
若此时将磁化电流降至零，环绕磁芯的磁场强度 \(H\) 也降至零，但由于剩余磁性，磁通密度不会回到零，曲线从点 a 移动至点 b。
要使点 b 处的磁通密度降为零，需反向通过线圈电流。必须施加的磁化力以抵消剩磁，这一磁化力称为“矫顽力”（Coercive Force），对应曲线上的点 c。
继续增大反向电流，磁芯将在相反方向被磁化，并随着电流进一步增大，到达相反方向的饱和点，对应曲线上的点 d。该点与点 b 对称。
再次将磁化电流降至零，磁芯中仍保留与之前相等但方向相反的剩余磁性，对应点 e。
再将磁化电流反向至正方向，磁通密度将回到零，对应点 f；继续增大正向电流，磁芯在正方向再次饱和，回到点 a。
当线圈中磁化电流在正负方向之间交替变化（如交流电源周期），磁通密度与磁场强度的关系就沿着路径
循环，形成一个完整的磁滞回线。
磁滞效应表明，铁磁芯的磁化过程及其磁通密度不仅取决于当前的磁场强度，还取决于磁芯所处曲线的哪一部分——即依赖于电路的历史，使磁芯具有一种记忆特性。软磁材料（如铁或硅钢）具有非常狭窄的磁滞回线，剩磁极小，易于磁化和退磁，非常适合用于继电器、螺线管和变压器。
由于必须施加矫顽力来克服剩磁，完成整个磁滞回线所需的能量会以热量的形式在磁性材料中损失，称为磁滞损耗，其大小取决于材料的矫顽力。
通过向铁中添加硅等合金元素，可以制得矫顽力很小、磁滞回线很窄的软磁材料，这类材料易于磁化和退磁，称为软磁材料。
软磁材料和硬磁材料的磁滞回线图¶
Magnetic Hysteresis Loops for Soft and Hard Materials
磁滞损耗会以热能的形式耗散，其耗散能量与磁滞回线的面积成正比。在交流变压器中，由于电流不断改变方向，磁芯内的磁极也随之不断反转，因此磁滞损耗始终是一个需要关注的问题。
在直流电机中，转动线圈也会产生磁滞损耗，因为线圈不断交替经过磁通的南、北磁极。正如前面所述，磁滞回线的形状取决于所用铁或钢材质的性质；对于承受大幅度磁场反转的材料（例如变压器铁芯），必须尽可能减小 B–H 磁滞回线的面积。
在下一篇关于电磁学的教程中，我们将研究法拉第电磁感应定律，探讨在静止磁场中移动导线如何在导体中感应出电流，从而构成一个简单的发电机。
附录¶
降低磁滞¶
|
方法 |
原理 |
说明 |
|---|---|---|
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选用软磁材料 |
降低矫顽力，缩窄磁滞回线 |
– 向硅钢中添加 SiO₂、P，制取取向硅钢片 – 采用非晶合金、纳米晶材料（如 Fe–Si–B 系列） |
|
热处理与退火工艺 |
消除内应力，优化晶粒取向，使磁畴更易转动 |
– 张力退火（定向退火）优化晶取向 – 应力退火消除冲压、轧制应力 |
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降低磁通密度峰值 |
控制工作磁通密度 \(B_{\max}\)，减小回线面积 |
– 保持 \(B_{\max}\) 在额定值的 80%–90% – 增大磁芯截面积 A，相同电压下降低 B |
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优化工作频率 |
调低频率 \(f\)，减少磁滞损耗 |
磁滞损耗经验公式： \(\displaystyle P_h = k_h\,f\,B_{\max}^{\beta}\)（ \(k_h,\beta\) 与材料相关） |
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避免过饱和 |
防止核心进入饱和区，避免回线面积突增 |
– 设计裕度避免饱和 – 过流保护或磁通补偿绕组限制最大磁通 |
|
精细化磁芯结构 |
减少局部应力、磁畴钉扎，保证各层绝缘 |
– 更薄硅钢片叠层并绝缘 – 粉末冶金或烧结铁芯，结构均匀、缺陷少 |
单词表¶
| English Term | 中文释义 |
| Magnetic Hysteresis | 磁滞 |
| Flux Density | 磁通密度 |
| Magnetic Field Strength | 磁场强度 |
| Relative Permeability | 相对磁导率 |
| Permeability of Free Space | 真空磁导率 |
| B–H Curve | B–H 曲线 |
| Saturation | 磁饱和 |
| Ampere-turns per Metre | 安匝/米 |
| Weber’s Theory | 韦伯理论 |
| Molecular Magnets | 分子磁体 |
| Retentivity (Remanence) | 剩磁 |
| Residual Magnetism | 剩余磁感应强度 |
| Coercive Force | 矫顽力 |
| Hysteresis Loop | 磁滞回线 |
| Hysteresis Loss | 磁滞损耗 |
| Alternating Current (AC) | 交流电 |
| Direct Current (DC) | 直流电 |
| Generator | 发电机 |
| Solenoid | 螺线管 |
| Relay | 继电器 |
| Transformer | 变压器 |
| Permanent Magnet | 永久磁铁 |
| Soft Magnetic Material | 软磁材料 |
| Hard Magnetic Material | 硬磁材料 |
| Silicon Steel | 硅钢 |
| Coil | 线圈 |
| Magnetisation | 磁化 |
| Demagnetisation | 退磁 |
声明¶
本文翻译自 electronics-tutorials
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