磁滞

磁滞，通常称为磁滞现象，是指磁性材料在磁化和去磁过程中表现出的滞后或延迟现象。

铁磁材料在受到临时磁场作用时，由于材料本身的特性，可能会在去磁过程中表现出滞后或延迟。这种磁性材料的滞后或延迟通常被称为磁滞。

我们知道，电磁线圈产生的磁通量是在给定区域内产生的磁场或力线的数量，通常称为“磁通密度”。磁通密度的符号为B，单位为特斯拉（T）。

从之前的教程中我们还知道，电磁铁的磁强度取决于线圈的匝数、通过线圈的电流或所使用的核心材料类型，如果我们增加电流或匝数，我们可以增加磁场强度，符号为H。

之前，相对磁导率（符号μr）被定义为绝对磁导率μ与自由空间磁导率μo（真空）的比值，并且这是一个常数。然而，磁通密度B与磁场强度H之间的关系可以通过相对磁导率μr不是常数而是磁场强度的函数来定义，从而给出磁通密度为：B = μ H。

因此，材料的磁通密度将由于其相对于真空磁通密度μoH的相对磁导率而增加一个更大的因子，对于空气核心线圈，这种关系给出为：

磁化力方程

因此，对于铁磁材料，磁通密度与场强（B/H）的比值不是常数，而是随磁通密度变化。然而，对于空气核心线圈或任何非磁性介质核心（如木材或塑料），这个比值可以被视为常数，这个常数被称为自由空间的磁导率μo（μo = 4.π.10-7 H/m）。

通过绘制磁通密度（B）与场强（H）的值，我们可以为每种类型的核心材料生成一组曲线，称为磁化曲线、磁滞曲线或更常见的B-H曲线，如下图所示。

磁化或B-H曲线

磁滞曲线

上面的磁化曲线组M代表了软铁和钢核心的B与H关系的示例，但每种类型的核心材料都有其自己的磁滞曲线组。你可能已经注意到，磁通密度随场强成比例增加，直到达到某个值，即使场强继续增加，它也不再增加，几乎变得水平且恒定。

这是因为核心可以产生的磁通量有一个限制，因为铁中的所有磁畴都完美对齐。因此，任何额外的增加都不会对M的值产生影响。图上磁通密度达到其极限的点称为磁饱和，也称为核心饱和。在我们上面的简单示例中，钢曲线的饱和点大约在每米3000安培-匝数时开始。

饱和发生是因为，正如我们从之前的磁学教程中记得的，其中包括韦伯理论，核心材料内的分子结构的随机排列随着材料内的微小分子磁铁“对齐”而改变。

随着磁场强度（H）的增加，这些分子磁铁变得越来越对齐，直到它们达到完美对齐，产生最大磁通密度，并且由于通过线圈的电流增加而导致的磁场强度的任何增加将几乎没有影响。

剩磁

让我们假设我们有一个电磁线圈，由于通过它的电流而具有高场强，并且铁磁核心材料已达到其饱和点，即最大磁通密度。如果我们现在打开一个开关并移除通过线圈的磁化电流，我们预计线圈周围的磁场将消失，因为磁通量减少到零。

然而，磁通量并不会完全消失，因为电磁核心材料在电流停止流过线圈后仍然保留一些磁性。这种线圈在磁化过程停止后在核心内保留一些磁性的能力称为剩磁或残余磁化，而核心中仍然保留的磁通量称为残余磁通密度BR。

这是因为一些微小的分子磁铁不会返回到完全随机的模式，并且仍然指向原始磁化场的方向，给它们一种“记忆”。一些铁磁材料具有高剩磁（磁硬），使其非常适合生产永磁体。

而其他铁磁材料具有低剩磁（磁软），使其非常适合用于电磁铁、螺线管或继电器。将这种残余磁通密度减少到零的一种方法是通过反转通过线圈的电流方向，从而使磁场强度H的值变为负值。这种效应称为矫顽力HC。

如果这种反向电流进一步增加，磁通密度也将在反方向上增加，直到铁磁核心再次达到饱和，但在与之前相反的方向上。再次将磁化电流i减少到零将产生类似数量的残余磁化，但在相反方向上。

然后，通过不断改变通过线圈的磁化电流方向，从正方向到负方向，如在交流电源的情况下，可以生成铁磁核心的磁滞回线。

磁滞回线

磁滞回线

上面的磁滞回线显示了铁磁核心的行为，因为B与H的关系是非线性的。从非磁化核心开始，B和H都为零，磁化曲线上的点0。

如果磁化电流i在正方向上增加到某个值，磁场强度H随i线性增加，磁通密度B也将增加，如曲线从点0到点a所示，朝向饱和。

现在，如果线圈中的磁化电流减少到零，围绕核心的磁场也减少到零。然而，由于核心中存在的残余磁化，线圈的磁通量不会达到零，这如曲线从点a到点b所示。

为了将点b处的磁通密度减少到零，我们需要反转通过线圈的电流。必须施加的磁化力以消除残余磁通密度称为“矫顽力”。这种矫顽力反转磁场，重新排列分子磁铁，直到核心在点c处变为非磁化。

这种反向电流的增加导致核心在相反方向上被磁化，进一步增加这种磁化电流将导致核心达到其饱和点，但在相反方向上，曲线上的点d。

这个点与点b对称。如果磁化电流再次减少到零，核心中存在的残余磁化将等于先前的值，但在相反方向上，点e。

再次反转通过线圈的磁化电流，这次进入正方向，将导致磁通量达到零，曲线上的点f，并且如前所述，进一步增加磁化电流在正方向上将导致核心在点a处达到饱和。

然后，B-H曲线遵循a-b-c-d-e-f-a的路径，因为通过线圈的磁化电流在正负值之间交替变化，如交流电压的周期。这条路径称为磁滞回线。

磁滞效应表明，铁磁核心的磁化过程以及因此的磁通密度取决于铁磁核心在曲线的哪一部分被磁化，因为这取决于电路的过去历史，给核心一种“记忆”。因此，铁磁材料具有记忆，因为它们在外部磁场被移除后仍然保持磁化。

然而，软铁磁材料（如铁或硅钢）具有非常窄的磁滞回线，导致非常少量的残余磁化，使其非常适合用于继电器、螺线管和变压器，因为它们可以很容易地被磁化和去磁。

由于必须施加矫顽力来克服这种残余磁化，必须做工作来闭合磁滞回线，使用的能量以热的形式在磁性材料中耗散。这种热量称为磁滞损耗，损耗量取决于材料的矫顽力值。

通过向铁金属添加添加剂（如硅），可以制造出具有非常小矫顽力的材料，这些材料具有非常窄的磁滞回线。具有窄磁滞回线的材料易于磁化和去磁，称为软磁性材料。

软硬材料的磁滞回线

软硬材料的磁滞回线

磁滞导致以热的形式耗散浪费的能量，浪费的能量与磁滞回线的面积成正比。磁滞损耗在交流变压器中将始终是一个问题，因为电流不断改变方向，因此核心中的磁极将导致损耗，因为它们不断反转方向。

直流电机中的旋转线圈也将产生磁滞损耗，因为它们交替通过南北磁极。如前所述，磁滞回线的形状取决于所使用的铁或钢的性质，在铁受到巨大磁反转的情况下，例如变压器核心，重要的是B-H磁滞回线尽可能小。

在下一个关于电磁学的教程中，我们将研究法拉第电磁感应定律，并看到通过在静止磁场中移动导线，可以在导线中感应出电流，产生一个简单的发电机。