磁的基本知识

磁的基本知识。

一、磁铁及其基本性质。

1、磁铁的概念。

具有吸引铁、钴、镍等金属能力的物质叫做磁体，俗称磁铁、吸铁石。被吸引的铁、钴、镍等物质叫做铁磁性材料。磁铁吸引铁磁性材料的性质叫做磁性。

2、磁铁的分类。

磁铁可分为天然磁铁和人造磁铁两种。天然磁铁磁性很弱，一般不用；人造磁铁又分为永久磁铁和电磁铁。永久磁铁(硬磁)是磁性可以长久保留的磁体；电磁铁(软磁)是在铁芯上套上电流线圈而形成的磁体，通电时产生磁性，断电时磁性消失，磁性随外加条件的变化而变化。

3、磁铁的基本性质。
磁铁能吸引铁、钴、镍等铁磁性材料；具有南(S)极、北(N)极两个磁极，且端部磁性强，中部磁性弱。磁铁具有不可分割性，N、S极同时存在，同时消失；磁极间有相互作用力，其规律是同性磁极相斥，异性磁极相吸；磁铁能够磁化铁磁性材料。

二、磁场和磁力线。

1、磁场。

磁铁的周围有磁力作用的空间叫做磁场。

1）磁场的物质性。

磁场是一种看不见而又客观存在的特殊物质，它存在于磁体、通电导线、运动电荷、变化电场、地球的周围。

2）磁场的基本特性。

磁场对放入其中的磁极、电流、运动的电荷有力的作用，它们的相互作用通过磁场发生。

3）磁场的方向。

（1）磁力线在该点的切线方向；

（2）磁场中任一点小磁针北极(N极)的受力方向，即小磁针静止时N极的指向；

（3）在磁体外部(NS)，在磁体内部(SN)，组成闭合的曲线；

（4）用安培定则即右手螺旋定则判断。

4）磁场强度。

单位正磁荷在磁场中所受的力被称为磁场强度，用H表示，单位为A/m。磁场强度等于磁场中某点磁感应强度B与介质磁导率μ的比值，其大小取决于励磁电流、导体的形状和布置情况，而与磁介质的性质无关。H=B/μ，方向与B相同。

2、磁通量。

1）设在磁感应强度为B的匀强磁场中，有一个面积为S且与磁场方向垂直的平面，磁感应强度B与面积S的乘积，叫做穿过这个平面的磁通量，简称磁通，用符号“φ”表示，单位是Wb(韦[伯])。实际应用中还用Mx(麦克斯韦,简称麦)作为磁通量的单位。它们之间的换算关系是1Mx=10-8Wb。

2）线圈中磁通的变化速度与线圈感生电动势的大小成正比。

3、磁力线。

1）磁力线又叫做磁感线，是用以形象地描绘磁场分布的一些曲线。磁场中人为引入磁力线来描述磁场，磁力线上任意一点的切线方向就是该点的磁场方向，其疏密表示磁场强弱。

2）规定在磁体外部某点小磁针的N极指向为该点的磁场方向，磁力线的方向与小磁针N极指向一致，把小磁针放在磁体周围不同位置，静止时N极有规律地排列起来，这时就可画出反映磁场强弱和方向的一系列闭合曲线，这些闭合曲线就是磁力线。

3）磁力线的特征是：磁力线总是从NSN，是连续的闭合曲线，互不相交，即磁场中每点只能有一个磁场方向；磁体端部磁力线密，中部稀疏，密的地方磁场强，疏的地方磁场弱。

4、磁感应强度。

1）磁场的强弱和方向还可以用磁感应强度(也称磁通密度)来表示，单位为T(特[斯拉])，1T=1Wb/m2。

工程中常用到一个较小的单位Gs(高斯)来表示磁感应强度，1Gs=10-4T。

若穿过某一截面S的磁力线条数为磁通φ，则该磁场的磁感应强度B为单位面积上穿过的磁力线条数，

即

B=φ/S。

式中

B--磁感应强度，T；

φ--磁通量，Wb；

S--垂直于磁力线方向的面积，m2。

2）磁感应强度在数值上等于垂直于磁场方向，长1m、电流为1A的直导线所受的磁场力，即

B=F/IL=F/qv。

式中

F--安培力，N；

I--导体中的电流，A；

L--磁场中导体的长度，m；

q--电荷量，C；

v--电荷垂直于磁场方向的速度，m/s。

3）磁场中某点的磁感应强度B是客观存在的，与放入的导体电流大小、导线长短无关。通常把磁感应强度大小和方向相同，即磁力线疏密一致且互相平行的磁场叫匀强磁场。匀强磁场内部的磁场强弱和方向处处相同。均强磁场是一个理想化概念，完全均匀的磁场是不存在的。

5、电流的磁场。

1）载流直导线的磁场。

如果给一长直导线通电并在导线周围放入小磁针，会发现小磁针发生偏转，这说明载流导线周围存在磁场。该磁场的方向可用右手螺旋定则(也叫安培定则)判定,即用右手握住导线，大拇指指向电流方向，其余四指指示的方向就是磁力线的方向，如下图所示。

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2）螺线管的磁场。

给螺线管通电，并在其周围及内部放上小磁针，会发现小磁针受力偏转，这说明通电螺线管周围存在磁场。该磁场的方向可用右手螺旋定则判定，即用右手握住螺线管，四指指示螺线管中电流的方向，大拇指指向磁场的N极，如下图所示。

6、磁导率。

1）磁导率的概念。

在通电线圈中放入铁、钴、镍等物质后，通电线圈周围的磁场将大为增强，磁感应强度增大；若放入铜、铝、木材等物质，通电线圈周围的磁场几乎没有什么变化。

这一现象表明，磁感应强度B与磁场中介质的导磁性质有关。用磁导率μ来表示物质的导磁性能，单位是H/m(亨/米)。磁导率大的材料导磁性能好。所谓的导磁性能好，指的是这类材料被磁化后能产生很强的附加磁场，这类物质有铁、钴、镍及其合金。通常把这类物质叫做铁磁性物质或磁性物质。

2）相对磁导率的概念。

实验测得真空中的磁导率μ0=4π×10-7H/m。空气、木材、纸、铝等非磁性材料的磁导率与真空磁导率近似相等。某物质的磁导率μ与真空磁导率μ0的比率称作该物质的相对磁导率，用ur表示，即μr=μ/u。由此可知，非磁性材料的μr≈1，铁磁材料的μr>1。

三、磁性材料的磁化。

1、磁性材料。

能对磁场做出某种反应方式的材料称为磁性材料。按照物质在外磁场中表现出来的磁性强弱，可将其分为抗磁性物质、顺磁性物质、铁磁性物质、反铁磁性物质和亚铁磁性物质。大多数材料是抗磁性或顺磁性的，它们对外磁场反应较弱。抗磁性材料和顺磁性材料统称弱磁性材料。铁磁性物质和亚铁磁性物质是强磁性物质，通常所说的磁性材料即指强磁性材料。铁磁性材料一般是铁、钴、镍及其合金、稀土元素及其合金、以及一些锰的化合物。

2、磁化。

如果把铁磁性物质的铁芯放在载流线圈中，就会发现铁芯能够吸引铁片，这说明铁芯有了磁性。这种使铁芯呈现磁性的过程叫磁化。

3、磁损耗。

铁芯在反复磁化中，分子电流要往复变换方向，这就要消耗一定的能量，分子电流方向变换越快，所消耗的能量越大，这个能量在铁芯中转化成热量，形成功率损耗，该损失叫磁滞损失，也称为磁损耗。磁损耗包括涡流损耗、磁滞损耗、剩余损耗。

4、软磁材料和硬磁材料。

磁性材料按磁化后去磁的难易程度可分为软磁材料和硬磁材料。软磁材料和硬磁材料最明显的区别就是矫顽力，一般来讲软磁材料的矫顽力(H)较小，硬磁材料的矫顽力较大。

1）软磁材料。

磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁材料。其特点是磁滞回线细而长，高磁导率，低矫顽力(一般H≤100A/m)，容易磁化也容易去磁。软磁材料在较低的外磁场下就能产生高的磁感应强度。

（1）硅钢片是铁硅合金的俗称，含硅量0.5%~4.8%，一般制成薄板使用。

（2）铁镍合金又称坡莫合金，镍含量30%~90%。
 

（3）铁铝合金的含铝量为6%~16%，具有较好的软磁性能，磁导率和电阻率高、硬度高、耐磨性好，但性脆。

（4）非晶态合金是一种内部原子排列短程有序、长程无序的金属和合金，通常也称为玻璃态合金或金属玻璃。其磁导率和电阻率高，矫顽力小，对应力不敏感，具有耐蚀和高强度等特点。

（5）软磁铁氧体是非金属亚铁磁性软磁材料，电阻率高，饱和磁化强度比金属低，价格低廉，广泛用作电感元件和变压器元件。

2）永磁材料。

一经磁化即能保持恒定磁性的物质叫硬磁材料，又称为永磁材料。

其特点是具有宽磁滞回线、高矫顽力(一般矫顽力H>1000A/m)和高剩磁。永磁材料主要有钨钢、铬钢、铝镍钴合金、铁氧体永磁材料及稀土永磁材料等。

（1）铁氧体永磁材料主要有钡铁氧体和锶铁氧体，其电阻率大、矫顽力大，能有效地应用在大气隙磁路中，特别适于制作小型发电机和电动机的永磁体。

（2）稀土永磁材料是将钐、钕与过渡金属(如钴、铁等)组成的合金，用粉末冶金方法压型烧结，经磁场充磁后制得的一种磁性材料。稀土永磁材料已成为电子通信技术中的重要材料。

5、磁滞回线。

磁滞回线是表示磁场强度周期性变化时，强磁性物质磁滞现象的闭合磁化曲线。它表明强磁性物质反复磁化过程中磁化强度M或磁感应强度B与磁场强度H之间的关系，磁滞回线反映了铁磁性物质的磁化性能。磁滞回线所包围的面积表示铁磁性物质磁化循环周所消耗的能量，这部分能量往往转化为热能而被消耗掉。

四、磁路。

1、磁路的概念。

由强磁材料构成的、在其中产生一定强度磁场的闭合回路叫磁路。

2、磁路的基本定律。

1）安培环路定律。

安培环路定律的内容是：磁场强度矢量沿任何闭合路径的线积分等于穿过此路径所围成面的电流的代数和。安培环路定律反映了磁场强度与产生磁场的电流之间的关系。判断电流产生磁场的方向用安培定则。

2）磁路欧姆定律。

磁路中的磁通等于作用在该磁路上的磁动势除以磁阻，即

φ=F/Rm，

F=IN，

Rm=l/μs。

式中

F--磁动势，A；

I--电流A；

N--线圈匝数,匝；
Rm--磁阻，H-1；
l--磁路的长度，m；
μ--磁导率，H/m；
S--铁芯的截面积，m2；
φ--磁通量，wb。
3）磁路基尔霍夫第一定律。
对有分支的磁路，在磁路的任何一个节点(立体封闭面)上，磁通的代数和等于零。即∑Ф=0。也可以认为，流过节点的磁通代数和等于流出节点的磁通代数和。
4）磁路基尔霍夫第二定律。
对有分支的磁路，磁路任一闭合回路中的磁压降(也称磁位差)Hl的代数和等于该回路磁动势的代数和，即∑IN = ∑Hl= ∑φRm

式中，IN即磁路的磁动势F；Hl即磁位差Um。

3、磁路的分类。

根据结构、形式不同可将磁路的形式分为以下几种：

1）并联磁路和串联磁路。

在并联磁路中，磁势不变，磁通相加；串联磁路中则是磁通不变，磁势相加。磁体并联相当于截面积增加，磁体串联相当于磁体厚度增加。由于高矫顽力永磁材料的内阻很大，所以为了减少在永磁体内部的损失，磁体面积大而厚度小。

2）内磁式磁路与外磁式磁路。

在外磁式磁路中，永磁体位于工作气隙外缘，结构比较简单。外磁式磁路的缺点就是泄漏的磁通量比较大。内磁式磁路中，永磁体位于工作气隙的内缘。内磁式磁路能够充分利用永磁体的磁力线，其优点就是泄漏磁通量比较小。

3）面极式磁路和隐极式磁路。

面极式磁路中，永磁体在磁路中直接面对工作气隙，此时，气隙磁通密度与永磁体内的磁通密度方向一致。一般加工用电永磁吸盘，磁力设计采用的是永磁体直接面对工作气隙的面极式磁路。隐极式磁路的永磁体在磁路中不直接面对空气隙，而是由导磁体将它的磁极引到工作气隙。此时，气隙磁通密度的方向与磁体内磁通密度的方向是垂直的。