铁磁性物质的磁化

观察与思考

拿一根软铁棒去吸引铁屑，铁屑并不会被吸起。当把软铁棒与磁铁接触一段时间后再分开，发现软铁棒能吸引铁屑。这说明原来没有磁性的物体，变得有磁性了。如果用铜棒代替软铁棒还能有上述现象吗？使铁磁物质具有磁性的过程称为磁化。不是所有的物质都能被磁化，只有铁磁性质才能被磁化。大部分磁体都是人造磁体，那么制造这些人造磁体的材料有什么特点？怎样制成呢？通过本模块任务的学习，我们可以了解物质被磁化的原因铁磁性材料被磁化后的特点等知识。

一、铁磁性物质的磁化

本来不具磁性的物质，由于受到磁场的作用而具有了磁性的现象叫该物质被磁化。铁磁性物质之所以具有这种性质是由其内部结构决定的。

图5－3－1　铁磁物质的磁化

铁磁性物质是由许多被称为磁畴的磁性小区域组成的。自然状态时铁磁物质内的磁畴排列杂乱无章，本身磁性相互抵消，对外不呈现磁性，如图5－3－1（a）所示。

如果把铁磁性物质放入外磁场中，这时大多数磁畴都趋向于沿外磁场方向排列，从而大大地加强了磁感应强度，如图5－3－1（b）所示。

当外加磁场进一步加强，所有磁畴的磁轴都几乎转向外加磁场方向，这时附加磁场不再加强，这种现象叫做磁饱和，如图5－3－1（c）所示。

只有铁磁性物质才能被磁化，而非铁磁性物质是不能被磁化的。

二、磁化曲线

铁磁物质都可以被磁化，但不同的铁磁物质的磁化特性是不同的。铁磁性物质的磁感应强度B随磁场强度H变化的曲线，称为磁化曲线，也叫B－H曲线，它用来描述铁磁性物质的磁化特性。

1．磁化曲线的测定与分析

图5－3－2中，图（a）是测量磁化曲线装置的示意图，图（b）是根据测量值作出的磁化曲线。由图（b）可以看出，B与H的关系是非线性的，即μ＝B／H不是常数。

图5－3－2　磁化曲线的测定

磁化曲线具体分析如下：

1）0～1段：由于磁畴有惯性，当H从零开始增加时，B增加缓慢，称为起始磁化段。

2）1～2段：随着H的增大，B几乎直线上升，这是因为磁畴在外磁场作用下，大部分都趋向H方向，B增加很快，曲线很陡，称为线性段。

3）2～3段：随着H的增加，B的上升又缓慢了，这是因为大部分磁畴方向已与H同方向，随着H的增加，只有少数磁畴继续转向，B增加变慢，曲线变缓而成为膝部段。

4）3点以后：到达3点以后，磁畴方向几乎全部与外磁场方向相同，再增大H值，B也几乎不再增加，曲线变得平坦，称为饱和段，此时的磁感应强度叫饱和磁感应强度。

2．磁化曲线的意义

图5－3－3给出了几种不同铁磁性物质的磁化曲线，从曲线上可看出，在相同的磁场强度下，硅钢片的B值最大，铸铁的B值最小，说明硅钢片的导磁性能比铸铁要好得多。

图5－3－3　几种物质的磁化曲线

三、磁滞回线

上面讨论的磁化曲线，只是反映了铁磁物质在外磁场由零逐渐增强时的磁化过程。但在很多实际应用中，铁磁性物质是工作在交变磁场中，所以有必要研究铁磁性物质反复交变磁化的问题。

磁滞回线是指铁磁物质在交变磁场中，经过多次磁化、去磁、反向磁化、反向去磁的过程，得到的B－H关系的闭合曲线，如图5－3－4所示。

图5－3－4　磁滞回线

1）当B随H沿起始磁化曲线达到饱和值以后，逐渐减小H的数值，这时B并不沿起始磁化曲线减小，而是沿另一条在它上面的曲线ab下降。

2）当H减小到零时，B≠0，而是保留一定的值，这称为剩磁，用Br表示。永久性磁铁就是利用剩磁很大的铁磁性物质制成的。

3）消除剩磁，必须加反向磁场。随着反向磁场的增强，铁磁性物质逐渐退磁，当反向磁场增大到一定值时，B值变为0，剩磁完全消失，如bc段。bc段曲线叫退磁曲线，这时H值是为克服剩磁所加的磁场强度，称为矫顽磁力，用Hc表示。矫顽磁力的大小反映了铁磁性物质保存剩磁的能力。

4）当反向磁场继续增大时，B值从0起改变方向，沿曲线cd变化，并能达到反向饱和点d。

5）反向磁场减弱到0，B－H曲线沿de变化，在e点H＝0，再逐渐增大正向磁场B－H曲线沿efa变化，完成一个循环。

6）从整个过程看，B的变化总是落后于H的变化，这种现象称为磁滞现象。经过多次循环，可得到一个封闭的对称于原点的闭合曲线（abcdefa），称为磁滞回线。

7）改变交变磁场强度H的幅值，可相应得到一系列大小不一的磁滞回线，如图5－3－5中虚线所示。连接各条对称的磁滞回线的顶点，得到一条磁化曲线，叫基本磁化曲线。

图5－3－5　基本磁化曲线

四、磁滞损耗

铁磁性物质的反复交变磁化，会损耗一定的能量，这是由于在交变磁化时，磁畴要来回翻转，在这个过程中，产生了能量损耗，这种损耗叫做磁滞损耗。磁滞回线包围的面积越大，磁滞损耗就越大。所以剩磁和矫顽磁力越大的铁磁性物质，磁滞损耗就越大。

五、磁材料的用途及分类

不同的铁磁材料具有不同的磁滞回线，剩磁和矫顽磁力也不相同。因此，它们的用途不同，一般将磁性材料分为三类——硬磁材料、软磁材料和矩磁材料，这三种铁磁材料的磁滞回线如图5－3－6所示。

（1）软磁性物质

磁导率很高，剩磁和矫顽力都很小，易被磁化也易去磁，磁滞损耗小，磁滞回线小狭窄，如图。如电机、变压器和硅钢片、铸铁、坡莫合金等。主要用于制造交流电磁铁、电机、变压器铁芯等。

（2）硬磁性物质

磁导率大，剩磁和矫顽力都很大，不易被磁化也不易去磁，磁滞回线宽，一旦磁化后会保持很大的剩磁。如碳钢、钴钢、铁镍合金、钨钢等。常用来制造各种形状的永久磁铁。

（3）矩磁性物质

磁滞回线形状接近矩形，只要有很小的外磁场作用，就会迅速磁化达到饱和，除去外磁场后，其磁感应强度基本保持最大值。如锰镁铁氧体等，它们多用于制造计算机的“记忆”元件和高频开关元件的铁芯等。

图5－3－6　三种铁磁材料的磁滞回线