就目前的開關(guān)電源來說,磁性元器件是電源中不可或缺的器件,磁性材料的應(yīng)用是為了實(shí)現(xiàn)用較小的元器件尺寸產(chǎn)生足夠的磁場(chǎng)(電源中的通常是軟磁材料——?jiǎng)?lì)磁和退磁較容易,如常用的硅鋼片、非晶、鐵氧體或者磁粉芯系列材料),那么PQ磁芯磁性材料是如何表現(xiàn)出磁性的呢?下面描述磁性材料的磁化過程。
開關(guān)電源中"規(guī)則磁"的便利性:再次強(qiáng)調(diào)一下,我們之前提到的"規(guī)則磁"概念,開關(guān)電源無論變壓器或者電感,磁路都是被磁性材料限制的一個(gè)閉合回路,以鐵磁性材料做成的電感說明,磁通或磁力線被限制在低磁阻的磁芯中,這為我們用法拉第定律或安培環(huán)路定理的計(jì)算提供了諸多便利(前幾節(jié)我們推導(dǎo)電感公式和氣隙均用到安培環(huán)路定理),如下圖是環(huán)形電感中磁力線(虛線)在磁芯中分布的示意圖,其中圓圈"X"表示電流流進(jìn)線圈,圓圈"·"表示電流流出線圈,磁力線方向用右手螺旋定則可以判斷。
用較小的磁化電流"I"就可以產(chǎn)生相比空心電感大的多的磁通量,那么磁性材料為何有如此功效即產(chǎn)生磁場(chǎng)的能力能夠大大增強(qiáng),從而為減小磁性元器件的體積做出巨大貢獻(xiàn)(試想一個(gè)空心電感如要做到微亨或毫亨,體積是可想而知),所以我們很有必要知道鐵磁材料的磁化原理。
鐵磁性:某些材料的磁矩的凈效應(yīng)遠(yuǎn)大于順磁性或抗磁性的情況,這種現(xiàn)象稱為鐵磁性,在順磁性或抗磁性材料中,感生或感應(yīng)(磁化后)磁矩往往很微弱,無需考慮這類材料產(chǎn)生的附加場(chǎng),對(duì)鐵磁性材料來說,由外加磁場(chǎng)所感生或感應(yīng)的磁矩會(huì)非常大,對(duì)場(chǎng)起著支配作用。
磁性材料的磁化:一般而言物質(zhì)的磁化需要外磁場(chǎng),被磁化的物質(zhì)稱為磁介質(zhì),前面我們提到的鐵磁物質(zhì),將這類物質(zhì)放置在外磁場(chǎng)中,感生或感應(yīng)磁場(chǎng)會(huì)顯著增強(qiáng),磁場(chǎng)使得鐵磁物質(zhì)呈現(xiàn)磁性的現(xiàn)象稱為鐵磁物質(zhì)的磁化,鐵磁物質(zhì)之所以能夠被磁化,是因?yàn)檫@類物質(zhì)相比于非磁性物質(zhì),在其內(nèi)部存在許多自發(fā)磁化的區(qū)域(具有單一磁化方向的區(qū)域)——"磁疇"。磁化前,如下圖各個(gè)磁疇內(nèi)部磁場(chǎng)方向,磁疇的磁場(chǎng)方向雜亂無章,磁疇之間的磁場(chǎng)是相互抵消的,對(duì)外表現(xiàn)不表現(xiàn)磁性。磁化后,若將磁性材料放置在磁場(chǎng)中,我們還是用一個(gè)環(huán)形磁芯電感來舉例,經(jīng)過外加磁場(chǎng)的作用,內(nèi)部各磁疇順著磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng),加強(qiáng)了內(nèi)部磁場(chǎng)或感生或感應(yīng)磁場(chǎng),隨著磁場(chǎng)外磁場(chǎng)的增強(qiáng),同外磁場(chǎng)方向一致的磁疇會(huì)越來越多,磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)越來越強(qiáng),磁性材料對(duì)外表現(xiàn)了磁性,這就是磁化的過程。
極限磁化即磁化飽和:當(dāng)外部磁場(chǎng)加大到一定程度,鐵磁材料中各個(gè)磁疇方向和外部磁場(chǎng)完全保持一致,所有的磁疇隨著外磁場(chǎng)的增加已經(jīng)無法在轉(zhuǎn)動(dòng)表現(xiàn)出多余的感生磁場(chǎng)了,這就是極限磁化,我們?cè)谧儔浩骰螂姼兄型ǔ7Q為磁芯飽和,這里的飽和很好理解吧,其含義就是磁化達(dá)到極限的意思。如鐵氧體,磁通極限或飽和密度Bs通常在0.3T~0.4T之間,這是鐵氧體材料特性決定的,飽和后電感量會(huì)迅速減小,也意味著沒有再產(chǎn)生多余感生磁場(chǎng)的能力了。
上面就是鐵磁物質(zhì)(磁性物質(zhì)或良導(dǎo)磁材料)的磁化原理,鐵磁材料或磁性材料的內(nèi)部磁疇是理解磁化的關(guān)鍵,再者要清楚磁性材料的飽和或極限磁化,這是我們工程應(yīng)用中經(jīng)常碰到的問題,理解它,你才能更好地理解磁性元器件的工作狀態(tài)。