磁滯

磁滯，通常稱為磁滯現象，是指磁性材料在磁化和去磁過程中表現出的滯后或延遲現象。

鐵磁材料在受到臨時磁場作用時，由于材料本身的特性，可能會在去磁過程中表現出滯后或延遲。這種磁性材料的滯后或延遲通常被稱為磁滯。

我們知道，電磁線圈產生的磁通量是在給定區域內產生的磁場或力線的數量，通常稱為“磁通密度”。磁通密度的符號為B，單位為特斯拉（T）。

從之前的教程中我們還知道，電磁鐵的磁強度取決于線圈的匝數、通過線圈的電流或所使用的核心材料類型，如果我們增加電流或匝數，我們可以增加磁場強度，符號為H。

之前，相對磁導率（符號μr）被定義為絕對磁導率μ與自由空間磁導率μo（真空）的比值，并且這是一個常數。然而，磁通密度B與磁場強度H之間的關系可以通過相對磁導率μr不是常數而是磁場強度的函數來定義，從而給出磁通密度為：B = μ H。

因此，材料的磁通密度將由于其相對于真空磁通密度μoH的相對磁導率而增加一個更大的因子，對于空氣核心線圈，這種關系給出為：

磁化力方程

因此，對于鐵磁材料，磁通密度與場強（B/H）的比值不是常數，而是隨磁通密度變化。然而，對于空氣核心線圈或任何非磁性介質核心（如木材或塑料），這個比值可以被視為常數，這個常數被稱為自由空間的磁導率μo（μo = 4.π.10-7 H/m）。

通過繪制磁通密度（B）與場強（H）的值，我們可以為每種類型的核心材料生成一組曲線，稱為磁化曲線、磁滯曲線或更常見的B-H曲線，如下圖所示。

磁化或B-H曲線

磁滯曲線

上面的磁化曲線組M代表了軟鐵和鋼核心的B與H關系的示例，但每種類型的核心材料都有其自己的磁滯曲線組。你可能已經注意到，磁通密度隨場強成比例增加，直到達到某個值，即使場強繼續增加，它也不再增加，幾乎變得水平且恒定。

這是因為核心可以產生的磁通量有一個限制，因為鐵中的所有磁疇都完美對齊。因此，任何額外的增加都不會對M的值產生影響。圖上磁通密度達到其極限的點稱為磁飽和，也稱為核心飽和。在我們上面的簡單示例中，鋼曲線的飽和點大約在每米3000安培-匝數時開始。

飽和發生是因為，正如我們從之前的磁學教程中記得的，其中包括韋伯理論，核心材料內的分子結構的隨機排列隨著材料內的微小分子磁鐵“對齊”而改變。

隨著磁場強度（H）的增加，這些分子磁鐵變得越來越對齊，直到它們達到完美對齊，產生最大磁通密度，并且由于通過線圈的電流增加而導致的磁場強度的任何增加將幾乎沒有影響。

剩磁

讓我們假設我們有一個電磁線圈，由于通過它的電流而具有高場強，并且鐵磁核心材料已達到其飽和點，即最大磁通密度。如果我們現在打開一個開關并移除通過線圈的磁化電流，我們預計線圈周圍的磁場將消失，因為磁通量減少到零。

然而，磁通量并不會完全消失，因為電磁核心材料在電流停止流過線圈后仍然保留一些磁性。這種線圈在磁化過程停止后在核心內保留一些磁性的能力稱為剩磁或殘余磁化，而核心中仍然保留的磁通量稱為殘余磁通密度BR。

這是因為一些微小的分子磁鐵不會返回到完全隨機的模式，并且仍然指向原始磁化場的方向，給它們一種“記憶”。一些鐵磁材料具有高剩磁（磁硬），使其非常適合生產永磁體。

而其他鐵磁材料具有低剩磁（磁軟），使其非常適合用于電磁鐵、螺線管或繼電器。將這種殘余磁通密度減少到零的一種方法是通過反轉通過線圈的電流方向，從而使磁場強度H的值變為負值。這種效應稱為矯頑力HC。

如果這種反向電流進一步增加，磁通密度也將在反方向上增加，直到鐵磁核心再次達到飽和，但在與之前相反的方向上。再次將磁化電流i減少到零將產生類似數量的殘余磁化，但在相反方向上。

然后，通過不斷改變通過線圈的磁化電流方向，從正方向到負方向，如在交流電源的情況下，可以生成鐵磁核心的磁滯回線。

磁滯回線

磁滯回線

上面的磁滯回線顯示了鐵磁核心的行為，因為B與H的關系是非線性的。從非磁化核心開始，B和H都為零，磁化曲線上的點0。

如果磁化電流i在正方向上增加到某個值，磁場強度H隨i線性增加，磁通密度B也將增加，如曲線從點0到點a所示，朝向飽和。

現在，如果線圈中的磁化電流減少到零，圍繞核心的磁場也減少到零。然而，由于核心中存在的殘余磁化，線圈的磁通量不會達到零，這如曲線從點a到點b所示。

為了將點b處的磁通密度減少到零，我們需要反轉通過線圈的電流。必須施加的磁化力以消除殘余磁通密度稱為“矯頑力”。這種矯頑力反轉磁場，重新排列分子磁鐵，直到核心在點c處變為非磁化。

這種反向電流的增加導致核心在相反方向上被磁化，進一步增加這種磁化電流將導致核心達到其飽和點，但在相反方向上，曲線上的點d。

這個點與點b對稱。如果磁化電流再次減少到零，核心中存在的殘余磁化將等于先前的值，但在相反方向上，點e。

再次反轉通過線圈的磁化電流，這次進入正方向，將導致磁通量達到零，曲線上的點f，并且如前所述，進一步增加磁化電流在正方向上將導致核心在點a處達到飽和。

然后，B-H曲線遵循a-b-c-d-e-f-a的路徑，因為通過線圈的磁化電流在正負值之間交替變化，如交流電壓的周期。這條路徑稱為磁滯回線。

磁滯效應表明，鐵磁核心的磁化過程以及因此的磁通密度取決于鐵磁核心在曲線的哪一部分被磁化，因為這取決于電路的過去歷史，給核心一種“記憶”。因此，鐵磁材料具有記憶，因為它們在外部磁場被移除后仍然保持磁化。

然而，軟鐵磁材料（如鐵或硅鋼）具有非常窄的磁滯回線，導致非常少量的殘余磁化，使其非常適合用于繼電器、螺線管和變壓器，因為它們可以很容易地被磁化和去磁。

由于必須施加矯頑力來克服這種殘余磁化，必須做工作來閉合磁滯回線，使用的能量以熱的形式在磁性材料中耗散。這種熱量稱為磁滯損耗，損耗量取決于材料的矯頑力值。

通過向鐵金屬添加添加劑（如硅），可以制造出具有非常小矯頑力的材料，這些材料具有非常窄的磁滯回線。具有窄磁滯回線的材料易于磁化和去磁，稱為軟磁性材料。

軟硬材料的磁滯回線

軟硬材料的磁滯回線

磁滯導致以熱的形式耗散浪費的能量，浪費的能量與磁滯回線的面積成正比。磁滯損耗在交流變壓器中將始終是一個問題，因為電流不斷改變方向，因此核心中的磁極將導致損耗，因為它們不斷反轉方向。

直流電機中的旋轉線圈也將產生磁滯損耗，因為它們交替通過南北磁極。如前所述，磁滯回線的形狀取決于所使用的鐵或鋼的性質，在鐵受到巨大磁反轉的情況下，例如變壓器核心，重要的是B-H磁滯回線盡可能小。

在下一個關于電磁學的教程中，我們將研究法拉第電磁感應定律，并看到通過在靜止磁場中移動導線，可以在導線中感應出電流，產生一個簡單的發電機。