磁滞现象

Magnetic Hysteresis

磁性材料的滞后或延迟现象，通常称为磁滞，与材料在磁化和退磁过程中的特性有关。当铁磁性材料受到暂态磁场作用时，其退磁过程会表现出延迟，这种延迟现象就是磁滞。

我们知道，由电磁线圈产生的磁通量是单位面积内产生的磁场或磁力线的总量，更常称为“磁通密度”Flux Density。其符号为 B，单位为特斯拉（\mathrm{T}）。

我们也知道，电磁铁的磁场强度取决于线圈的匝数、通过线圈的电流以及所用磁芯材料的类型。若增大电流或匝数，即可增强磁场强度，符号为 H。

之前，我们将相对磁导率 \mu_{r} 定义为绝对磁导率 \mu 与真空磁导率 \mu_{0} 之比，并将其视为常数。然而，通量密度 B 与磁场强度 H 之间的关系表明，相对磁导率 \mu_{r} 并非常数，而是磁场强度的函数，因此有：

这样，材料内的磁通密度相比真空中的 \mu_{0}H 会因相对磁导率被放大。对于空气芯线圈或任何非磁性介质（如木材、塑料等），该比值可视为常数，称为真空磁导率：

通过绘制通量密度 B 与磁场强度 H 的关系曲线，即可得到针对不同磁芯材料的磁化曲线、磁滞回线，或通常所说的 B–H 曲线，如图所示。

磁化曲线 / B–H 曲线

Magnetisation or B-H Curve

上图所示的磁化曲线集 M 展示了软铁和钢芯中磁通密度 B 与磁场强度 H 的关系示例，但每种磁芯材料都有其自身的一组磁滞回线。你可能已经注意到，磁通密度 B 随磁场强度 H增加而按比例上升，但当达到某个值后，即使磁场强度继续增大，磁通密度也不再明显增加，趋于平坦并保持几乎恒定。

这是因为磁芯所能产生的最大磁通密度存在极限——当铁磁性材料中的所有磁畴完全排列一致后，任何额外的增加都不会对响应 M 的值产生影响。曲线上磁通密度达到极限的点称为磁饱和（Magnetic Saturation），也称为磁芯饱和。在上述简单示例中，钢芯曲线的饱和点大约开始于

产生饱和的原因在于，正如我们在前面包含韦伯理论的磁学教程中所述，磁芯材料内部的分子结构初始状态是随机无序的。随着磁场强度 H 的增大，材料内部的微小“分子磁体”逐渐“排列成行”，直到达到完全排列，此时所能产生的磁通密度达到最大值。之后即使进一步增大线圈电流以提高 H，对磁通密度的提升也几乎没有影响。

剩磁

Retentivity

假设我们有一个电磁线圈，由于线圈中流过的电流，其磁场强度很大，并且铁磁芯材料已达到饱和点，即最大磁通密度。如果此时打开开关，切断线圈中的磁化电流，我们本以为线圈周围的磁场会随着磁通量降为零而消失。

然而，磁通量并不会完全消失，因为电磁芯材料即使在电流停止流动后，仍然保留一部分磁性。这种在线圈磁化过程结束后，磁芯中保留部分磁性的能力称为剩磁（Retentivity 或 Remanence），而留在磁芯中的磁通密度称为剩余磁感应强度Residual Magnetism，记作 B_{R}.

这是因为材料内部的一些微小“分子磁体”不会完全恢复到随机状态，而仍指向原始磁化场的方向，赋予它们一种记忆特性。某些铁磁材料具有高剩磁（磁硬），非常适合制造永久磁铁；而另一些铁磁材料具有低剩磁（磁软），非常适合作为电磁铁、螺线管或继电器的磁芯。

使剩余磁通密度降为零的一种方法是反向流过线圈电流，从而使磁场强度H变为负值。这种效应称为矫顽力（Coercive Force），记作 H_{C}.

如果继续增大反向电流，磁通密度也将朝反方向增大，直到铁磁芯在相反方向上再次达到饱和。再次将磁化电流 i

降为零，将在相反方向上产生大致相同的剩余磁性。

通过不断改变线圈中磁化电流的方向（正向与反向交替），就像在交流电源中那样，就可以绘制出铁磁芯的磁滞回线。

磁滞回线

Magnetic Hysteresis Loop

上图所示的磁滞回线以图形方式展示了铁磁芯的行为，因为磁通密度 B 与磁场强度 H 之间的关系是非线性的。

从未磁化的磁芯开始，磁通密度 B 和磁场强度 H 均为零，对应磁化曲线上的点 0。

当线圈中的磁化电流 i 朝正方向增大时，磁场强度 H 随之线性上升，磁通密度 B 也沿曲线从点 0 上升到点 a，逐渐趋近饱和。

若此时将磁化电流降至零，环绕磁芯的磁场强度 H 也降至零，但由于剩余磁性，磁通密度不会回到零，曲线从点 a 移动至点 b。

要使点 b 处的磁通密度降为零，需反向通过线圈电流。必须施加的磁化力以抵消剩磁，这一磁化力称为“矫顽力”（Coercive Force），对应曲线上的点 c。

继续增大反向电流，磁芯将在相反方向被磁化，并随着电流进一步增大，到达相反方向的饱和点，对应曲线上的点 d。该点与点 b 对称。

再次将磁化电流降至零，磁芯中仍保留与之前相等但方向相反的剩余磁性，对应点 e。

再将磁化电流反向至正方向，磁通密度将回到零，对应点 f；继续增大正向电流，磁芯在正方向再次饱和，回到点 a。

当线圈中磁化电流在正负方向之间交替变化（如交流电源周期），磁通密度与磁场强度的关系就沿着路径

循环，形成一个完整的磁滞回线。

磁滞效应表明，铁磁芯的磁化过程及其磁通密度不仅取决于当前的磁场强度，还取决于磁芯所处曲线的哪一部分——即依赖于电路的历史，使磁芯具有一种记忆特性。软磁材料（如铁或硅钢）具有非常狭窄的磁滞回线，剩磁极小，易于磁化和退磁，非常适合用于继电器、螺线管和变压器。

由于必须施加矫顽力来克服剩磁，完成整个磁滞回线所需的能量会以热量的形式在磁性材料中损失，称为磁滞损耗，其大小取决于材料的矫顽力。

通过向铁中添加硅等合金元素，可以制得矫顽力很小、磁滞回线很窄的软磁材料，这类材料易于磁化和退磁，称为软磁材料。

软磁材料和硬磁材料的磁滞回线图

Magnetic Hysteresis Loops for Soft and Hard Materials

磁滞损耗会以热能的形式耗散，其耗散能量与磁滞回线的面积成正比。在交流变压器中，由于电流不断改变方向，磁芯内的磁极也随之不断反转，因此磁滞损耗始终是一个需要关注的问题。

在直流电机中，转动线圈也会产生磁滞损耗，因为线圈不断交替经过磁通的南、北磁极。正如前面所述，磁滞回线的形状取决于所用铁或钢材质的性质；对于承受大幅度磁场反转的材料（例如变压器铁芯），必须尽可能减小 B–H 磁滞回线的面积。

在下一篇关于电磁学的教程中，我们将研究法拉第电磁感应定律，探讨在静止磁场中移动导线如何在导体中感应出电流，从而构成一个简单的发电机。

附录

降低磁滞

单词表

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本文翻译自 electronics-tutorials

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