通常使用的是磁介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率
,其定義為磁導(dǎo)率μ與
真空磁導(dǎo)率μ
0之比,即
=μ/
。
相對磁導(dǎo)率
與
磁化率χ的關(guān)系是:
=1+
。
磁導(dǎo)率μ,相對磁導(dǎo)率
和磁化率
都是描述磁介質(zhì)磁性的
物理量。
對于
順磁質(zhì)
>1;對于
抗磁質(zhì)
<1,但兩者的
都與1相差無幾 。在大多數(shù)情況下,導(dǎo)體的相對磁導(dǎo)率等于1。在
鐵磁質(zhì)中,B與 H 的關(guān)系是非線性的磁滯回線,不是常量,與H有關(guān),其數(shù)值遠(yuǎn)大于1。
例如,如果空氣(非
磁性材料)的相對磁導(dǎo)率是1,則
鐵氧體的相對磁導(dǎo)率為10,000,即當(dāng)比較時,以通過磁性材料的
磁通密度是10,000倍。鑄鐵為200~400;硅鋼片為7000~10000;鎳鋅鐵氧體為10~1000。
涉及磁導(dǎo)率的公式:
磁場的能量密度=B2/2μ
在
國際單位制(SI)中,相對磁導(dǎo)率μr是無量綱的
純數(shù),磁導(dǎo)率μ的單位是亨利/米(H/m)。
常用的真空磁導(dǎo)率μ
04π×10
-7H/m。
公式
(1)初始磁導(dǎo)率μ
i:是指基本磁化曲線當(dāng)H→0時的磁導(dǎo)率
(2)最大磁導(dǎo)率μ
m:在
基本磁化曲線初始段以后,隨著H的增大,斜率μ=B/H逐漸增大,到某一
磁場強(qiáng)度下(H
m),磁密度達(dá)到最大值(B
m)
公式
(3)飽和磁導(dǎo)率μS:基本磁化曲線飽和段的磁導(dǎo)率,μS值一般很小,深度飽和時,μS=μ0。
(4)
差分(增量)磁導(dǎo)率μΔ∶μΔ=△B/△H。ΔB及△H是在(B
1,H
1)點(diǎn)所取的增量如圖1和圖2所示。
(5)微分磁導(dǎo)率,μd∶μd=dB /dH,在(B1,H1)點(diǎn)取微分,可得μd。
可知:μ1=B1/H1,μ△=△B /△H,μd=dB1/dH1,三者雖是在同一點(diǎn)上的磁導(dǎo)率,但在數(shù)值上是不相等的。
非磁性材料(如鋁、木材、玻璃、自由空間)B與H之比為一個常數(shù),用μ來表示非磁性材料的的磁導(dǎo)率,即μ=1(在CGS單位制中)或 μ=4π×10-7(在RMKS單位制中)。
在眾多的材料中,如果自由空間(真空)的μ
0=1,那△么比1略大的材料稱為順磁性材料(如白金、空氣等);比1略小的材料,稱為反磁性 材料(如銀、銅、水等)。本章介紹的磁性元件μ
1是大有用處的。只有在需要
磁屏蔽時,才會用銅等反磁性材料做成
屏蔽罩使磁元件的磁 不會輻射到空間中去。
下面給出幾個常用的參數(shù)式:
公式
(1)有效磁導(dǎo)率μ
r0。在用電感L形成閉合
磁路中(漏磁可以忽略),
磁心的有效磁導(dǎo)率為:
式中 L——繞組的自感量(mH);
W——繞組匝數(shù);
磁心常數(shù),是磁路長度Lm與磁心截面積Ae的比值(mm).
(3)剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br。磁心從磁飽和狀態(tài)去除磁場后,剩余的磁感應(yīng)強(qiáng)度(或稱殘留
磁通密度)。
(4)矯頑力Hc
0。磁心從飽和狀態(tài)去除磁場后,繼續(xù)
反向磁化,直至磁感應(yīng)強(qiáng)度減小到零,此時的磁場強(qiáng)度稱為矯頑力(或保磁力)。
公式
(5)溫度系數(shù)a
μ°溫度系數(shù)為溫度在T
1~T
2范圍內(nèi)變化時,每變化1℃相應(yīng)磁導(dǎo)率的相對變化量,即
式中 μr1——溫度為T1時的磁導(dǎo)率;
μr2——溫度為T2時的磁導(dǎo)率。
值得注意的是:除了磁導(dǎo)率μ與溫度有關(guān)系之外,飽和
磁感應(yīng)強(qiáng)度B
S、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br、矯頑力Hc,以及磁心比損耗Pcv(單位重量損耗W/kg)等磁參數(shù),也都與磁心的工作溫度有關(guān)。
[2]
磁導(dǎo)率的測量是
間接測量,測出磁心上繞組線圈的電感量,再用公式計算出
磁芯材料的磁導(dǎo)率。所以,磁導(dǎo)率的測試儀器就是電感測試儀。在此強(qiáng)調(diào)指出,有些簡易的電感測試儀器,測試頻率不能調(diào),而且測試電壓也不能調(diào)。例如某些電橋,測試頻率為100Hz或1kHz,測試電壓為0.3V,給出的這個0.3V并不是
電感線圈兩端的電壓,而是信號發(fā)生器產(chǎn)生的電壓。至于被測線圈兩端的電壓是個未知數(shù)。如果用高檔的儀器測量電感,例如 Agilent 4284A 精密LCR測試儀,不但測試頻率可調(diào),而且被測電感線圈兩端的電壓及磁化電流都是可調(diào)的。了解測試儀器的這些功能,對磁導(dǎo)率的正確測量是大有幫助的。
[2]
說起磁導(dǎo)率μ的測量,似乎非常簡單,在材料樣環(huán)上隨便繞幾匝線圈,測其電感,找個公式一算就完了。其實(shí)不然,對同一只樣環(huán),用不同儀器,繞不同匝數(shù),加不同電壓或者用不同頻率都可能測出差別甚遠(yuǎn)的磁導(dǎo)率來。造成測試結(jié)果差別極大的原因,并非每個測試人員都有精力搞得清楚。本文主要討論測試匝數(shù)及計算公式不同對磁導(dǎo)率測量的影響。
計算公式的影響
大家知道,測量磁導(dǎo)率μ的方法一般是在樣環(huán)上繞N匝線圈測其電感L,對于內(nèi)徑較小的環(huán)型磁心,內(nèi)徑不如壁厚容易測量,它們的由來是把環(huán)的平均磁路長度當(dāng)成了磁心的磁路長度。用它們計算出來的磁導(dǎo)率稱為材料的環(huán)磁導(dǎo)率。有人說用環(huán)型樣品測量出來的磁導(dǎo)率就叫環(huán)磁導(dǎo)率,這種說法是不正確的。實(shí)際上,環(huán)磁導(dǎo)率比材料的真實(shí)磁導(dǎo)率要偏高一些,且樣環(huán)的壁越厚,誤差越大。
對于樣環(huán)來說,在相同
安匝數(shù)磁動勢激勵下,磁化場在徑向方向上是不均勻的。越靠近環(huán)壁的外側(cè)面,磁場就越弱。在樣環(huán)各處磁導(dǎo)率μ不變的條件下,越靠近環(huán)壁的外側(cè),環(huán)的
磁通密度B就越低。為了消除這種不
均勻磁化對測量的影響,我們把樣環(huán)看成是由無窮多個半徑為r,壁厚無限薄為dr的薄壁環(huán)組成。
如果樣環(huán)是由同一種材料組成,則計算出來的磁導(dǎo)率就是其材料的真正磁導(dǎo)率μ。它比其環(huán)磁導(dǎo)率略低一些。
測試線圈匝數(shù)N的影響
由于電感L與匝數(shù)N2成正比,按理說計算出來的磁導(dǎo)率μ不應(yīng)該再與匝數(shù)N有關(guān)系,但實(shí)際上卻經(jīng)常有關(guān)系。
關(guān)于材料磁導(dǎo)率的測量,一般使用的測試頻率都不高,經(jīng)常在1kHz或10kHz的頻率測試。測試信號一般都是使用
正弦信號,因為頻率不高,樣環(huán)繞組線圈阻抗的電阻部分可忽略不計,把繞組線圈看作一個純電感L接在測量儀器上。測試等效電路如圖所示,儀器信號源產(chǎn)生的
電壓有效值為U,R
i為信號源的輸出阻抗。
測量磁導(dǎo)率時,樣環(huán)中的磁化場強(qiáng)度與測試線圈的匝數(shù)有關(guān),當(dāng)匝數(shù)為某一定值時磁場強(qiáng)度就會達(dá)到最強(qiáng)值。而材料的磁導(dǎo)率又與
磁化場強(qiáng)密切相關(guān),所以導(dǎo)致磁導(dǎo)率的測量與測試線圈匝數(shù)有關(guān)。結(jié)合圖具體討論匝數(shù)對磁導(dǎo)率測試的影響。
測試電壓U較低的情況
如前所述,對于高檔儀器,如Agilent 4284A精密LCR 測試儀,它的測試電壓可以調(diào)得極低,以至于測試
磁場強(qiáng)度隨匝數(shù)的變化達(dá)到最強(qiáng)時,仍然沒有超出磁導(dǎo)率的起始區(qū)。這時測得的總是材料的起始磁導(dǎo)率μ
i,它與測試
線圈匝數(shù)N無關(guān)。用同一臺儀器,如果把測試電壓調(diào)得比較高,不能再保證不同匝數(shù)測得的磁導(dǎo)率都是起始磁導(dǎo)率,這時所測得的磁導(dǎo)率又會與測試線圈匝數(shù)有關(guān)了。
測試電壓U不能調(diào)的情況
絕大多數(shù)測量電感的簡便儀器,其測試電壓和頻率都不能靈活調(diào)節(jié)。如 2810 LCR電橋,其測試頻率為100Hz或1kHz,測試電壓小于0.3V。