磁饱和

磁饱和是铁磁性或亚铁磁性材料（例如铁、镍、钴、锰和它们的合金等）中的一種特性。在磁饱和之前，若增大外加磁場强度H，材料會磁化，磁通密度B會對應增加，但當磁場强度H大到一定程度，磁通密度B只會因真空磁导率而緩慢增加，此即為磁饱和。

9种铁磁性材料表示磁饱和的磁化曲线。1.钢板，2.硅板，3.钢铸件，4.钨钢，5.磁钢，6.铸铁，7.镍，8.钴，9.磁铁矿

说明

磁饱和的特性可以在其磁化曲线（也叫BH曲线或磁滞曲线）中看出，即该曲线向右弯曲的部分（见右图）。当磁场强度 H 增加时，磁感应强度 B 逐渐趋于一个最大值。在磁饱和之后，磁感应强度 B 仍在逐渐增加，但比达到饱和度前的增长速率小了3个数量级（英语：Orders_of_magnitude_(magnetic_field)）^[1]。

磁场强度 H 和磁感应强度 B 的关系可以用磁导率：${\displaystyle \mu =B/H}$ 或相对磁导率${\displaystyle \mu _{r}=\mu /\mu _{0}}$ 表达，当中的 ${\displaystyle \mu _{0}}$ 是真空磁导率。磁性金属的磁导率不是一个恒定不变的量，而是取决于磁场强度 H 。在會磁饱和的金属中，相对磁导率随磁场强度 H 的增加达到一个最大值，然后随着它的饱和发生转变再减小，最後會變為1^[1][2]。

不同的材料有着不同的饱和度。例如，被用于变压器中的高导磁性铁合金，在磁感应强度為1.6-2.2特斯拉（T）饱和^[3]，然而铁氧体在0.2-0.5T饱和^[4]。某些非晶态金属合金在1.2-1.3T达到饱和^[5]，μ合金在0.8T达到饱和^[6][7] 。

 

因為磁飽和，鐵磁性材料的磁导率μ_f會随磁场强度增加，上昇到一最大值，之後漸漸下降。

解释

主条目：鐵磁性

鐵磁性材料（像铁）在微观上由一个个磁畴构成，它们的作用就像微小的永磁体，可以改变它们磁化的方向。在外部的磁场施加在材料之前，这些磁畴的磁场随机排列互相抵消，所以整体上的磁场小到足以忽略。当一个外部的磁场强度H施加在材料後，它進入材料然后重新排列磁畴，造成那些小磁场转变方向然后与外磁场平行，相加后形成从材料中发出的大磁场。这就稱為磁化。施加的磁场强度H越大，磁畴转变方向而形成的磁感应强度B越大。当外部磁场强度大於某定值後，磁场强度再加大所產生的磁感应强度變化已可忽略，此時磁化強度接近定值，此時即為磁饱和。磁饱和不代表全部磁畴都對正外部磁場的方向^[8]。飽和時的磁畴結構會隨溫度而不不同^[8]。

影响和用途

磁饱和限制了铁氧體磁芯的磁铁和变压器能达到的最大磁场（约为2特斯拉），也限制了它们的最小磁芯，这也是为什么高功率电动机、发电机、及電力用变压器的体积那么大的一个重要原因，因为它们必须有一个大磁芯。

在变压器与电感器这類利用铁芯及磁場運作的元件中，当足够大的电流通过时，它们磁芯的磁場也会达到饱和，此时它们的运转為非线性的，也就是说通过改变电流，可以使这些磁芯的电感与其他性质随之改变。在线性电路（英语：Linear circuit）中这是不希望出现的现象。当施加交流电信号的时候，这种非线性会造成一次谐波和互调失真（英语：Intermodulation）。为了避免这种现象，必须限制施加在铁芯电感上的信号强度，使铁芯不会磁饱和。为了减小这种影响，在一些变压器磁芯中会有一些气隙^[9]。在饱和电流是通過線圈後會使磁芯饱和的電流，这會列在电感器与变压器厂商提供的规格書中。

不過有些電子設備也會應用磁饱和的特性。例如在弧焊中用饱和变压器芯限制电流。在鐵磁共振變壓器（英语：ferroresonant transformers）中，磁饱和的作用相当于稳压器。当原电流超过某一特定值时，芯进入一种饱和状态，限制次级电流的进一步递增。在更复杂的应用中，饱和铁芯感应器（英语：Saturable reactor）和磁放大器（英语：Magnetic amplifier）使用一个直流电通过一个独立离的线圈来控制电感器的阻抗。在控制绕组中，变化的电流使操作点在饱和曲线中上下移动，控制通过电感器的交流电。在萤光灯、镇流器中和功率控制系统中會用到這類的特性^[10]。

在磁通門羅盤（英语：fluxgate compass）及磁通門磁强计中也有用到磁饱和的特性。

參見條目

• 磁
• 磁场
• 磁场强度
• 磁阻
• 波門杜爾鐵鈷合金

参考

1. Bozorth, Richard M. Ferromagnetism. AN IEEE Press Classic Reissue. John Wiley & Sons. 1993 [Reissue of 1951 publication]. ISBN 0-7803-1032-2. 
2. Bakshi, V.U.; U.A.Bakshi. Basic Electrical Engineering. Technical Publications. 2009: 3–31. ISBN 81-8431-334-9. 
3. Laughton, M. A.; Warne, D. F. (编). 8. Electrical Engineer's Reference Book Sixteenth. Newnes. 2003. ISBN 0-7506-4637-3. 
4. Chikazumi, Sōshin. table 9.2. Physics of Ferromagnetism. Clarendon Press. 1997. ISBN 0-19-851776-9. 
5. USA 5126907,Yoshihiro Hamakawa, Hisashi Takano, Naoki Koyama, Eijin Moriwaki, Shinobu Sasaki, Kazuo Shiiki,「Thin film magnetic head having at least one magnetic core member made at least partly of a material having a high saturation magnetic flux density」,发行于1992 
6. Shielding Materials. K+J Magnetics. [2013-05-07]. （原始内容于2018-06-22）. 
7. . mumetal.co.uk. [2013-05-07]. （原始内容存档于2013-05-07）. 
8. [unlcms.unl.edu/cas/physics/.../Section%2016_Magnetic_Properties_2.pdf/ Magnetic properties of materials] 请检查|url=值 (帮助) (PDF). unlcms.unl.edu. [2016-03-16]. 
9. Rod, Elliott. . Beginner's Guide to Transformers. Elliott Sound Products. May 2010 [2011-03-17]. （原始内容存档于2016-08-26）. 
10. Choudhury, D. Roy. 2.9.1. Modern Control Engineering. Prentice-Hall of India. 2005. ISBN 81-203-2196-0.