原创基础理论第001篇磁学基础

 2024-1-21 15:42  420 4 4 分类: 模拟文集: 1 基础理论

[初次发表 24-01-21 最后编辑：24-04-23]

这一篇记录磁的基础概念。

永磁体和载流导体周围的空间中存在磁场，磁场源自电荷的运动。永磁体的磁场来自原子中所有电子的自旋。载流导体的磁场来自运动的电子。

电磁感应现象。电流路径周围会激发磁场，产生闭合路径的磁通（flux）。如果电流路径是直线，那么磁场可以想象为一个与直线正交的平面。如果把导线绕在一个圆柱体骨架上，则由于每一匝导体彼此靠近产生的磁场倍增关系，磁场会叠加增强，使线圈表现得像一个磁棒。磁场有两个方向，取决于电流的方向。不论是长直导线还是线圈（Coil），磁场方向和电流方向之间都遵循“右手定则”。长直导线或者线圈，都可以看作是空心线圈。空心线圈的磁场强度和磁感应强度呈线性关系（磁导率），所以能用大的电流产生强的磁场，磁场的大小只取决于导线允许的最大电流及其热量。这方面的应用之一是冶炼，例如制造半导体晶棒用的高频感应炉。

（图片来自Ref2，侵删）

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磁化现象。磁通会穿透放置在磁场中的物质。多数材料是磁通的不良导体，包括空气、纸、铜等。只有一些材料如铁、钴、镍及其合金例外。如果把导磁性好的材料放进空心线圈，这种材料就被称为磁心（Core）。和电流总是更多地流过低电阻路径相似，磁通也总是更多地从导磁性较好的路径通过。相比空心线圈分散分布的磁通，有磁心线圈的磁通基本集中在磁心内部，或者说被“约束”在磁心中，成为主磁通，少量自由磁通形成漏磁。

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磁饱和现象。和空心线圈不同，磁心能容纳/产生多少磁通是有限的。当磁心的磁通达到极限，这时磁心的导磁性就和没有磁心的情况一样了。饱和的磁心线圈和空心线圈相比，磁导率也就是磁场随电流增加的比例是一致的，区别只是磁心线圈的磁场较大。

“滞回”特性。在磁场强度较小时，磁感应强度随磁场强度的增加而线性增加。磁场强度增大到某个值，磁感应强度增加的速度变慢（饱和）直至不再增加。磁滞现象用B-H曲线表示，也叫磁滞回线。滞回曲线包围的面积表示了磁心的能量损失。

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磁动势（mmf, magnetomotive force）——磁场内两点之间的能量差，磁动势在磁阻上产生磁通，类比于电动势在电阻上产生电流。磁动势大小等于 0.4 x Pi x N x I。其中N是导体根数/匝数，I是电流。磁动势的单位是 Gilberts（读吉伯）。

磁导率（magnetic permeability）——材料传递磁通的能力，定义为磁感应强度对磁场强度的比 B/H，磁导率记作u，可通过实验测定。在给定磁感应强度B时，磁导率的大小是材料被磁化到这个程度的难易程度的量度。真空的磁导率被记作1，其它物质的磁导率按照与真空磁导率的比例，定义为相对磁导率。

磁阻率——磁导率的倒数。

磁阻——大小等于磁阻率 x Lc / Ac，记作Rm。其中，Lc表示磁路长度，Ac表示磁路截面积。对于均匀的物质，磁路截面越大，磁阻越小。磁路长度 Lc 越短，磁阻越小。这个性质类似于电阻大小与电流路径长度、电流路径截面积的关系。

磁通——磁极之间的闭合通路，常用虚线绘制。磁通大小等于磁动势除以磁阻，mmf / Rm。磁通单位是Wb（读韦伯）。

磁场强度——记作H，单位Oe（读奥斯特）。对于直线电流感应的磁场，大小等于 I / (2 x Pi x r)。其中，I是电流的大小，r是磁场平面上一点到直线与平面交点的距离，即平面上一点所在磁通圆周的半径。

磁通密度——单位面积上的磁通。磁通密度记作Bm，磁通密度等于磁通除以磁路的截面积S。这是磁场传播角度的定义。

磁感应强度——磁通密度的另一个名字。大小等于磁导率 x H，H表示磁场强度。这是从电磁感应现象出发的定义。单位是T（读特斯拉）

电和磁之间有什么联系？目前我了解有3个，一是EMC/电磁兼容，二是麦克斯韦方程组，三是基本元件Memrister/忆阻器。用磁和电的对应关系来帮助理解和记忆磁，对我来说有一点收获感。

Ref：

1 [美]Mclyman.周京华译.变压器与电感器设计手册(第四版).中国电力出版社.2014

2 [美]Hambley.熊兰等译.电工学原理与应用（第7版）.电子工业出版社.2021

作者：电子知识打边炉，来源：面包板社区

链接： https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-4061550.html