0.3 电磁基本原理

0.3.1 磁性材料与磁滞回线

1.磁性材料

物质按其导磁性能大体不同分为磁性材料和非磁性材料两大类。磁性材料主要是指铁、镍、钴及其合金，其具有高导磁性、磁饱和性和磁滞性的特点。按磁化特性的不同，铁磁性材料可以分成三种类型。

1）软磁材料。具有较小的矫顽力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金及铁氧体等。铁氧体在电子技术中应用也很广泛，可做计算机的磁心、磁鼓以及录音机的磁带、磁头。

2）硬磁性材料——永磁材料。具有较大的矫顽力，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢、钴钢及铁镍铝钴合金等。

3）矩磁材料。具有较小的矫顽力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性也良好。在计算机和控制系统中可用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体及1J51型铁镍合金。

2.磁滞回线

当铁心线圈中通有大小和方向变化的电流时，铁心就产生交变磁化，磁感应强度B随磁场强度H变化的关系如图0-3所示。

Oc段B随H增加而增加，当磁化曲线达到c时，减小电流使H由H_m逐渐减小，B将沿另一条位置较高的曲线b下降。当H=0时，仍有B=B_r，B_r为剩余磁感应强度，简称剩磁。

欲使B=0，需对铁心线圈通反向电流并添加反向磁场-H_c，H_c称为矫顽力。当达到-H_m时，磁性材料达到反向磁饱和。然后令H反向减小，曲线回升；到H=0时相应有-B_r，为反向剩磁。再使H从零正向增加到H_m，即又达到正向磁饱和，便得到一条闭合的对称于坐标原点的回线，这就是磁滞回线。

0.3.2 磁路及基本物理量

1.磁路

磁通通过的闭合路径是磁路。由于铁磁材料是良导磁物质，所以它的磁导率比其他物质的磁导率大得多，能把分散的磁场集中起来，使磁力线绝大部分经过铁心而形成闭合的磁路。

2.磁场的基本物理量

1）磁感应强度B。国际单位为特斯拉，简称特（T）。

磁感应强度B是表示空间某点磁场强弱和方向的物理量，其大小可用通过垂直于磁场方向的单位面积内磁力线的数目来表示。由电流产生的磁场方向可用右手螺旋法则确定。

2）磁通Φ。国际单位为韦伯（Wb）。

磁感应强度B与垂直于磁力线方向的面积S的乘积称为穿过该面的磁通Φ，即Φ=BS。磁通Φ又表示穿过某一截面S的磁力线根数，磁感应强度B在数值上可以看成与磁场方向相垂直的单位面积所通过的磁通，故又称磁通密度。

3）磁场强度H。国际单位是安培/米（A/m）。

磁场强度沿任一闭合路径的线积分等于此闭合路径所包围的电流的代数和。磁场强度H的方向与磁感应强度B的方向相同。

4）磁导率μ。国际单位为亨/米（H/m）。

磁导率μ是用来表示物质导磁性能的物理量，某介质的磁导率是指该介质中磁感应强度和磁场强度的比值，即μ=B/H。

自然界的物质，就导磁性能而言，可分为铁磁物质和非铁磁物质两大类。非铁磁物质和空气的磁导率与真空磁导率μ₀很接近，μ₀=4π×10^-7H/m。

0.3.3 磁路定律

1.磁路欧姆定律

如图0-4所示为一个线圈匝数为N、通有电流为I、闭合磁路的平均长度为L、截面积为S的均匀磁路铁心，材料的磁导率为μ，在铁心中的磁场强度为H，磁感应强度为B。铁心中的磁通为Φ=BS=μHS。

线圈匝数与电流乘积称为磁通势，用字母F表示，即F=NI，磁通势的单位是安培（A）。

安培环路定律为H=NI/L。

联立上面几个式子，则有

如果将线圈中的铁心换上导磁性能差的非磁性材料，而磁通势NI仍保持不变，那么，由于非磁性材料的磁导率很小，磁路中的磁通将变得很小。

在磁路中也有磁阻R_m对磁通Φ（可看做磁流）起阻碍作用。根据推导，磁阻可用下式表示

2.磁路基尔霍夫定律

磁力线是闭合的，因此磁通是连续的，对于磁路中任一闭合面，任一时刻穿入的磁通必定等于穿出的磁通，在一个有分支的磁路中的节点处取一闭合面，磁通的代数和为零，这就是磁路基尔霍夫第一定律。

磁路基尔霍夫第一定律示意图如图0-5所示，在节点A处作一闭合面，若设穿入闭合面的磁通为正，穿出闭合面的磁通为负，则有-Φ₁-Φ₂+Φ₃=0，即ΣΦ=0。

考虑到在磁路的任一闭合路径中，磁场强度与磁通势的关系应符合安培环路定律，故有ΣNI=ΣHL。