磁芯的特性理解

大家好，今天我们来简单聊一聊磁芯。

之所以说磁芯，是因为磁芯对于电感来说，就相当于是电容的中间绝缘介质。磁芯决定了电感的很多特性。比如大家都知道，

①电感线圈里面加个磁芯，电感值会增大很多，这是为什么呢？

②还有电感有饱和电流，那电感为什么会饱和呢？

③磁滞回线又是什么呢？

④磁导率又是个啥？

物质的磁性

首先来说下物质的磁性是怎么来的。所有物质的磁性都是电流产生的，永久磁铁的磁性就是分子电流产生的。所谓分子电流就是磁性材料原子内的电子围绕原子核旋转形成的。

电子运动形成一个个小的磁铁，这些小的磁体在晶格中排列在一个方向，形成一个个小的磁区域，也就是磁畴。正是磁铁里面的磁畴整体排列有方向，因此宏观上我们看到磁铁有磁性。我们使用的磁芯一般是软磁铁，如果没有磁化过，里面的磁畴是乱序的，所以对外不显示磁性。

磁芯如何使电感值增大

为什么电感线圈里面加个磁芯，电感值会增大很多？

在线圈没有磁芯的时候，给线圈通过一定的电流，根据电生磁原理，这时会有磁场穿过线圈，假定这时产生的磁场强度为H。

如果这时候线圈中有磁芯，磁芯中的部分磁畴会在磁场强度H的作用下有序排列，这些磁畴会产生与原磁场方向相同的磁场，并且比H大的多，所以总的磁场会增大很多，二者叠加后的磁场强度称为B。

这种增大磁场的能力，有一个参数，叫磁导率µ，B=µH。前面的解释是为了便于理解。

事实上µ的严谨的定义是这样的。在相同条件下，铁磁介质中所产生的磁感应强度比空气介质中大得多。为了表征这种特性，将不同的磁介质用一个系数µ来考虑， µ称为介质磁导率，表征物质的导磁能力。在介质中， µ越大，介质中磁感应强度B就越大。

为什么电感有饱和电流

前面说到，因为磁芯里面磁畴的有序排列，使得电流产生的磁场被大大加强。电流越大，有序排列的磁畴也越多，产生的磁场也越大，穿过线圈的磁通量也越大，基本是和电流成正比的。电感定义就是线圈的自感系数，等于磁通量与电流的比值，所以正常情况下，电感L为常量。当电流达到一定程度，这个时候磁芯里面所有的磁畴已经都有序排列了，即使再增大电流，已经没有多余的磁畴能有序排列来增加磁场了，所以，磁场强度基本不增加。这个时候，我们就说电感已经饱和了，电流增大，而磁通量不再增加，电感值等于磁通除以电流，所以电感值下降。通常，我们实际用的电感，饱和电流一般定义为电感值相对初始值下降30%时对应的电流值。

B-H磁滞回线理解

横坐标是磁场强度H，纵坐标为磁感应强度B，仅从字面上难以理解它们之间的区别。磁场强度H通常是通电电流产生的，所以可以理解为通电线圈本身，没加任何介质材料时产生的磁场强度。而B呢，就是填充上磁性材料是总的磁感应强度。H主要与电流大小相关，而B与磁性材料相关。B-H磁滞回线描述的是磁性材料反复磁化的特性。

我们先看OS这一段，磁性材料如果先前没有磁化过，那么初始磁性为0，就在O点，这时如果进行磁化，增大H，那么会沿曲线到达S点，S点处，完全磁饱和。这个时候如果减小H到0，并不会回到O点，只会回到Br点，Br为剩磁，这是因为部分磁畴发生了刚性偏转。因为剩磁的存在，理论上磁性材料再也回不到O点了，除非加热到居里温度。这种磁化曲线与退磁曲线不重合，B的改变滞后H的现象称为磁滞现象。

到达Br后，继续施加反向的磁场，到达-Hc处，此时B才能为0。Hc也叫矫顽磁力。意义就是，由于磁滞现象，要使磁介质中的B为0，需要一定的反向磁场强度。

继续增大反向的磁场，到达-Hs处，此时发生反向磁饱和。如果此时减小反向的磁场到0，就会到-Br点，再增大正向磁场会到达Hc点，继续增大会会到S点。这就是一个完整的磁滞回线。

我们理解这个磁滞回线有什么用呢？

很容易想到，永磁体就是那种剩磁Br比较大的，属于硬磁材料。

而我们使用的电感，磁芯应是软磁性材料，剩磁比较小。为什么呢？可以这样理解，我们理想的电感是储能元件，有电流时储存能量，没电流时能量被释放，本身并不消耗能量，并且这个能量是磁场能。而实际的磁芯，电流流过时，产生磁场，有了磁场能，然后电流变为0，因为磁滞现象，磁芯会有剩磁，也就是说磁芯没有把磁场能全部还回来，自己留了一部分，这一部分其实就是磁芯的磁滞损耗了。所以说，磁滞越大，那么损耗也就越大，为了减小损耗，电感磁芯自然就选择软磁铁材料了。

另外，我们可以推断出，电流达到一定值之后，电感感量会随电流的增大也减小。因为B=uH，所以磁导率u是这个曲线的斜率。可以看到，整个曲线类似于S型，在电流比较小时， H与B基本是线性的，磁导率u基本不变，那么电感感量也不变。而电流比较大时，H与B是非线性的，斜率逐渐变低，也就是说u逐渐变小，那么电感的感量也是慢慢变小的。相信到这里，你就能明白，为什么电感规格书手册中，电感与电流的曲线是那样的了。

总结

总结一下，电感的磁芯决定了电感的饱和电流，也决定了电感值与电流的变化曲线，磁滞损耗等等。所以对于常用的磁芯，我们对其特性应该有一些了解。

注：磁芯特性的视频版本，同步发到B站和微信公众号。

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