電子變壓器的磁性基本現(xiàn)象

　　電子在導(dǎo)體內(nèi)總是沿著阻力最小的路線流動(dòng)。在導(dǎo)體表面及近表層的結(jié)構(gòu)元與導(dǎo)體表面基本平行，電子在其間換位流動(dòng)阻力較小。而在導(dǎo)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)元呈上下、左右、前后空間排列，電子在其間定向流動(dòng)要受到五個(gè)方向的阻力，（而在表面只有三個(gè)方向的阻力）可見電子在導(dǎo)體表層附近運(yùn)行的阻力要比在內(nèi)部小得多，這樣就導(dǎo)致了電流的集膚效應(yīng)。

　　其二，當(dāng)電子在導(dǎo)線內(nèi)移動(dòng)時(shí)，在其運(yùn)動(dòng)的垂直方向伴生著磁場，（右手定則）其它電子在磁場的作用下向逐步向周邊發(fā)散移動(dòng)，于是移向了導(dǎo)線的表層附近，形成了電流的集膚效應(yīng)。

　　其三，當(dāng)然還有溫度的影響：在導(dǎo)體內(nèi)部，電阻產(chǎn)生的熱不易散發(fā)，溫度較高，價(jià)和電子運(yùn)轉(zhuǎn)的速率高，線路不是很扁平，這樣就導(dǎo)致了電子通路相對(duì)窄小，電阻就高。在導(dǎo)體的表面，散熱快、溫度低，價(jià)和電子運(yùn)轉(zhuǎn)的速率低，線路扁平，這樣就導(dǎo)致了電子通路相對(duì)寬大，而故導(dǎo)體表面電阻小，外來電子運(yùn)行較快，這也是電流集膚的原因之一。尖端放電當(dāng)導(dǎo)體的某部分做得很細(xì)很尖時(shí)，尖端部分的表面積相對(duì)較大，換位移動(dòng)到此的電子密度相對(duì)較大，在尖端部分甚至有些擁擠，有部分電子在擁擠中從尖端溢出，于是就導(dǎo)致了尖端放電現(xiàn)象。

　　磁性基本現(xiàn)象

　　從「磁性來源」中我們了解到，某些原子的核外電子的自旋磁矩不能抵消，從而產(chǎn)生剩余的磁矩。但是，如果每個(gè)原子的磁矩仍然混亂排列，那么整個(gè)物體仍不能具有磁性。只有所以原子的磁矩沿一個(gè)方向整齊地排列，就像很多小磁鐵首尾相接，才能使物體對(duì)外顯示磁性，成為磁性材料。這種原子磁矩的整齊排列現(xiàn)象，就稱為自發(fā)磁化。既然磁性材料內(nèi)部存在自發(fā)磁化，那么是不是物體中所有的原子都沿一個(gè)方向排列整齊了呢？當(dāng)然不是，否則，凡是鋼鐵等就會(huì)永遠(yuǎn)帶有磁性，成為一塊大磁鐵，永遠(yuǎn)能夠相互吸引了（實(shí)際上，兩塊軟鐵不會(huì)自己相互吸引）。事實(shí)上，磁性材料絕大多數(shù)都具有磁疇結(jié)構(gòu)，使得它們沒有磁化時(shí)不顯示磁性。

　　磁疇：

　　所謂磁疇，是指磁性材料內(nèi)部的一個(gè)個(gè)小區(qū)域，每個(gè)區(qū)域內(nèi)部包含大量原子，這些原子的磁矩都像一個(gè)個(gè)小磁鐵那樣整齊排列，但相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩排列的方向不同，如右圖所示。各個(gè)磁疇之間的交界面稱為磁疇壁。宏觀物體一般總是具有很多磁疇，這樣，磁疇的磁矩方向各不相同，結(jié)果相互抵消，矢量和為零，整個(gè)物體的磁矩為零，它也就不能吸引其它磁性材料。也就是說磁性材料在正常情況下并不對(duì)外顯示磁性。只有當(dāng)磁性材料被磁化以后，它才能對(duì)外顯示出磁性。下圖為在顯微鏡中觀察到的磁性材料中常見的磁疇形狀，其中左面是軟磁材料常見的條形疇，黑白部分因?yàn)椴煌拇女犉浯啪胤较虿煌哂胁煌牧炼龋鼈兊慕唤缑婢褪钱牨?；中間是樹枝狀疇和疇壁；右面是薄膜材料中可以見到的磁疇形狀。實(shí)際的磁性材料中，磁疇結(jié)果五花八門，如條形疇、迷宮疇、楔形疇、環(huán)形疇、樹枝狀疇、泡狀疇等。

　　既然磁疇內(nèi)部的磁矩排列是整齊的，那么在磁疇壁處原子磁矩又是怎樣排列的呢？在疇壁的一側(cè)，原子磁矩指向某個(gè)方向，假設(shè)在疇壁的另一側(cè)原子磁矩方向相反。那么，在疇壁內(nèi)部，原子磁矩必須成某種形式的過渡狀態(tài)。實(shí)際上，疇壁由很多層原子組成。為了實(shí)現(xiàn)磁矩的轉(zhuǎn)向，從一側(cè)開始，每一層原子的磁矩都相對(duì)于磁疇中的磁矩方向偏轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，并且每一層的原子磁矩偏轉(zhuǎn)角度逐漸增大，到另一側(cè)時(shí)，磁矩已經(jīng)完全轉(zhuǎn)到和這一側(cè)磁疇的磁矩相同的方向。上圖給出了典型的磁疇壁結(jié)構(gòu)示意圖。

　　居里溫度：

　　對(duì)于所有的磁性材料來說，并不是在任何溫度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一個(gè)臨界溫度Tc，在這個(gè)溫度以上，由于高溫下原子的劇烈熱運(yùn)動(dòng)，原子磁矩的排列是混亂無序的。在此溫度以下，原子磁矩排列整齊，產(chǎn)生自發(fā)磁化，物體變成鐵磁性的。

　　利用這個(gè)特點(diǎn)，人們開發(fā)出了很多控制組件。例如，我們使用的電飯鍋就利用了磁性材料的居里點(diǎn)的特性。在電飯鍋的底部中央裝了一塊磁鐵和一塊居里點(diǎn)為105度的磁性材料。當(dāng)鍋里的水分干了以后，食品的溫度將從100度上升。當(dāng)溫度到達(dá)大約105度時(shí)，由于被磁鐵吸住的磁性材料的磁性消失，磁鐵就對(duì)它失去了吸力，這時(shí)磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會(huì)把它們分開，同時(shí)帶動(dòng)電源開關(guān)被斷開，停止加熱。

　　與磁性材料有關(guān)的常用物理量：

　　磁場強(qiáng)度：指空間某處磁場的大小，用H表示，它的單位是安/米（A/m）。

　　磁化強(qiáng)度：指材料內(nèi)部單位體積的磁矩矢量和，用M表示，單位是安/米（A/m）。

　　磁感應(yīng)強(qiáng)度：磁感應(yīng)強(qiáng)度B的定義是：B=m0(H+M)，其中H和M分別是磁化強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度，而m0是一個(gè)系數(shù)，叫做真空導(dǎo)磁率。磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱為磁通密度，單位是特斯拉（T）。

　　導(dǎo)磁率：導(dǎo)磁率的定義是m=B/m0H，是磁化曲線（見材料的靜態(tài)磁化）上任意一點(diǎn)上B和H的比值。導(dǎo)磁率實(shí)際上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者說是材料對(duì)外部磁場的靈敏程度。

　　磁性材料的靜態(tài)磁化及常用性能指針：

　　我們已經(jīng)知道，磁性材料內(nèi)部具有磁疇，它們就好像眾多的小磁鐵混亂地堆積，整體對(duì)外沒有磁性。這時(shí)我們稱材料處于磁中性狀態(tài)。但是，如果材料處在外加磁場的環(huán)境中，那么這些小磁鐵（實(shí)際上是磁疇的磁矩）就會(huì)和磁場發(fā)生相互作用，其結(jié)果就是材料中的磁矩發(fā)生向外加磁場方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致這些磁矩不再能相互抵消，也就是說所有磁矩的矢量和不等于零。在外加磁場的作用下，磁性材料由磁中性狀態(tài)變成對(duì)外顯示磁矩狀態(tài)的過程稱為磁化。

　　那么磁性材料在磁化過程中到底發(fā)生了哪些變化呢？

　　在磁中性狀態(tài)（即沒有外加磁場），材料內(nèi)部的磁矩成混亂排列，總的磁矩為零，因此材料顯示的磁化強(qiáng)度也是零。

　　當(dāng)磁性材料處于外加磁場中時(shí)，材料內(nèi)部的磁矩就會(huì)受到磁場的作用力，磁矩會(huì)向外磁場的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，就像磁鐵在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)一樣。這時(shí)，磁矩就不再是完全混亂排列的了，而是沿外磁場方向產(chǎn)生了一個(gè)總的磁化強(qiáng)度，這時(shí)我們說材料被磁化了。并且，外磁場越大，材料內(nèi)部的磁矩向外磁場方向轉(zhuǎn)動(dòng)的數(shù)量和程度就越多。當(dāng)外磁場足夠大時(shí)，材料內(nèi)部所有的磁矩都會(huì)沿外磁場方向整齊排列，這時(shí)材料對(duì)外顯示的磁化強(qiáng)度達(dá)到最大值，我們說材料被磁化到了飽和。達(dá)到飽和之后，無論怎樣增大磁場，材料的磁化強(qiáng)度也不再增大。因此材料被磁化到飽和時(shí)的磁化強(qiáng)度稱為飽和磁化強(qiáng)度，用Ms來表示。

　　從上面的分析，我們知道材料的磁化強(qiáng)度隨外磁場而變化。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)際中，常把磁場和磁化強(qiáng)度的關(guān)系畫成曲線，稱為磁化曲線，如圖所示。其中，橫坐標(biāo)表示外磁場的大小，縱坐標(biāo)表示磁化強(qiáng)度的高低。磁化曲線一般可以分成三個(gè)階段：可逆磁化階段、不可逆磁化階段、飽和階段。

　　在工程上，一般不用磁化強(qiáng)度－磁場的關(guān)系畫磁化曲線，而用磁感應(yīng)強(qiáng)度－磁場的關(guān)系畫磁化曲線。這時(shí)，磁化飽和時(shí)就有一個(gè)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（或者飽和磁通密度），用Bs表示。以后，如果沒有特殊說明，我們都用的是B－H磁化曲線。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度是磁性材料的一個(gè)重要指標(biāo)。

　　在磁化曲線上，每一點(diǎn)都有一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場的比值，稱為導(dǎo)磁率。在磁化的不同階段，材料的導(dǎo)磁率也不同，導(dǎo)磁率在最高點(diǎn)稱為最大導(dǎo)磁率。在磁化起始點(diǎn)的導(dǎo)磁率稱為初始導(dǎo)磁率。導(dǎo)磁率是軟磁材料的另一個(gè)非常重要的指標(biāo)。

　　那么，在磁化過程中，材料內(nèi)部的磁矩究竟是怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)的？有兩種方式使材料的磁矩產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)：一是疇壁位移：材料磁化時(shí)，疇壁內(nèi)部的原子磁矩逐漸轉(zhuǎn)向外磁場的方向，疇壁逐漸推移，這樣，與外磁場方向接近的磁疇面積逐漸擴(kuò)大，而與外磁場方向相反的磁疇逐漸縮小。這種方式一般發(fā)生在非飽和階段。二是磁矩一致轉(zhuǎn)動(dòng)：在外磁場的作用下，與外磁場方向相反的磁疇中的磁矩向外磁場方向整體轉(zhuǎn)動(dòng)，就像磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)一樣。這種方式主要發(fā)生在接近飽和階段。

　　磁性材料的反磁化過程：

　　現(xiàn)在，讓我們假設(shè)把磁性材料逐步磁化，隨著磁場的增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度也增加，一直到飽和。整個(gè)磁化過程可以用圖中的曲線O-a-b-c表示。

　　然后逐步減小外磁場，材料會(huì)發(fā)生什么情況？不難想象，外磁場減小，肯定會(huì)使材料的磁感降低，但有趣的是，磁感并不沿c-b-a原路返回，而是沿曲線c-d-e降低。也就是說，在從飽和點(diǎn)減小外磁場時(shí)，相應(yīng)的磁感要高于初始磁化時(shí)的磁感，似乎是磁感的減小比磁場的降低「落后」或者「滯后」了。磁性材料的這種特性稱為磁滯現(xiàn)象。磁滯現(xiàn)象是磁性材料的一個(gè)極其重要的特征。

　　由于磁滯現(xiàn)象，如果磁性材料從飽和點(diǎn)撤掉外磁場，也就是說使外磁場返回到零，那么材料的磁感不能同時(shí)降低到零，而是仍然存在一部分磁感Br，稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，簡稱剩磁。之所以存在剩磁現(xiàn)象，是因?yàn)橥獯艌鰷p小后，材料內(nèi)部的磁矩不能完全轉(zhuǎn)回原來的方向，而是由于種種阻力會(huì)停留在先前的某個(gè)方向。這就是所謂的不可逆磁化。只有在極低的磁場中材料才可能發(fā)生完全的可逆磁化，一般情況下的磁化都不是完全可逆的。

　　那么，如果現(xiàn)在有意地想讓磁感返回到零，應(yīng)該任何做呢？可以推斷，應(yīng)該對(duì)材料施加反向磁場。不錯(cuò)，施加反向磁場，磁感就會(huì)進(jìn)一步降低，并且在某個(gè)特征磁場Hc處磁感恰好為零，這個(gè)磁場稱為矯頑力。如果繼續(xù)增大反向磁場，磁感則也會(huì)反向，并且隨著反向磁場的增大而逐漸趨向反向飽和g點(diǎn)。同樣，從g點(diǎn)逐漸降低反向磁場，磁感會(huì)沿曲線g-h-i飽和，最后又到達(dá)正向飽和c點(diǎn)。

　　這樣，外磁場正負(fù)變化一周，磁感會(huì)沿c-d-e-f-g-h-i-j-c變化一周，這條閉合曲線稱為磁滯回線。磁滯回線所包含的面積代表外磁場對(duì)材料做的功，也就是所消耗的能量，稱為磁滯損耗。

　　磁性材料的動(dòng)態(tài)磁化及常用性能指針：

　　如果磁性材料處于變化的磁場中，那么它們的磁化過程和靜態(tài)磁化相比會(huì)發(fā)生某些有趣的變化。

　　首先，在動(dòng)態(tài)磁化時(shí)，材料的導(dǎo)磁率發(fā)生變化。我們已經(jīng)知道，在反復(fù)磁化時(shí)，材料內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度總是落后于磁場的變化，稱為磁滯。假設(shè)動(dòng)態(tài)磁化時(shí)的磁場是按照正弦變化的，磁滯現(xiàn)象在動(dòng)態(tài)磁化時(shí)表現(xiàn)為磁感應(yīng)強(qiáng)度總是比磁場的變化落后一個(gè)相位，其直接后果就是材料的導(dǎo)磁率變成了一個(gè)復(fù)數(shù)。這個(gè)導(dǎo)磁率分成兩部分：一是和磁場方向（或者說相位）相同的部分，稱為復(fù)數(shù)導(dǎo)磁率的實(shí)部，又稱為彈性導(dǎo)磁率，它代表材料磁化時(shí)所能夠儲(chǔ)存的能量；二是和磁場相位成90度的部分，稱為復(fù)數(shù)導(dǎo)磁率的虛部（損耗導(dǎo)磁率），它代表材料在動(dòng)態(tài)磁化時(shí)所消耗的能量。

　　其次，材料在動(dòng)態(tài)磁化時(shí)將產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致渦流損耗。渦流損耗在軟磁材料中是有害的。為了減小渦流損耗，在制造變壓器鐵芯時(shí)，一般都把材料做成多層相迭的、相互絕緣的薄片。由于鐵芯由薄片組成，而薄片之間又絕緣，鐵芯薄片在動(dòng)態(tài)磁化時(shí)產(chǎn)生的為了就會(huì)被限制在薄片內(nèi)部。如果鐵芯由一整塊材料做成，那么由于鐵芯材料所組成的導(dǎo)體回路很大，渦流將很嚴(yán)重。另外，動(dòng)態(tài)磁化時(shí)渦流的大小還與鐵芯材料的電阻率有關(guān)。例如，鐵氧體做成的鐵芯雖然是一個(gè)整體，但是它的電阻率極大，因此渦流損耗仍然可以很低。

　　根據(jù)動(dòng)態(tài)磁化時(shí)磁場的種類，動(dòng)態(tài)磁化也有很多方式。

　　最普通磁化場是正弦波。如果磁場比較低，材料還沒有磁化到飽和，那么這時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度的波形也是正弦波，這樣，動(dòng)態(tài)磁滯回線就是一個(gè)橢圓，如圖所示。如果磁場較大，導(dǎo)致材料飽和，那么這時(shí)的磁滯回線將不再是橢圓，而是會(huì)發(fā)生變形：磁場變成有尖峰的形狀，而磁感應(yīng)強(qiáng)度的波形則成為平頂，整個(gè)磁滯回線和靜態(tài)飽和的磁滯回線相似。

　　在某些場合（例如單端脈沖變壓器），材料所受的磁化場是單方向的方波脈沖，此時(shí)的磁滯回線如右圖所示。此外，有些材料受到交直流磁場的共同影響，稱為交直流迭加磁化，此時(shí)的磁滯回線會(huì)變得不對(duì)稱。