磁化的定義是什麼

引言：

就目前的開關電源來說，磁性元器件是電源中不可或缺的器件，磁性材料的應用是為了實現用較小的元器件尺寸產生足夠的磁場（電源中的通常是軟磁材料——勵磁和退磁較容易，如常用的矽鋼片、非晶、奈米晶和鐵氧體或者磁粉芯系列材料），那麼磁性材料是如何表現出磁性的呢？下面描述磁性材料的磁化過程。

開關電源中"規則磁"的便利性：

再次強調一下，我們之前提到的“規則磁”概念，開關電源無論變壓器或者電感，磁路都是被磁性材料限制的一個閉合迴路，以鐵磁性材料做成的電感說明，磁通或磁力線被限制在低磁阻的磁芯中，這為我們用法拉第定律或安培環路定理的計算提供了諸多便利（前幾節我們推導電感公式和氣隙均用到安培環路定理），如下圖是環形電感中磁力線（虛線）在磁芯中分佈的示意圖，其中圓圈“X”表示電流流進線圈，圓圈“·”表示電流流出線圈，磁力線方向用右手螺旋定則可以判斷。

用較小的磁化電流“I”就可以產生相比空心電感大的多的磁通量，那麼磁性材料為何有如此功效即產生磁場的能力能夠大大增強，從而為減小磁性元器件的體積做出巨大貢獻（試想一個空心電感如要做到微亨或毫亨，體積是可想而知），所以我們很有必要知道鐵磁材料的磁化原理。

鐵磁性

：某些材料的磁矩的淨效應遠大於順磁性或抗磁性的情況，這種現象稱為鐵磁性，在順磁性或抗磁性材料中，感生或感應（磁化後）磁矩往往很微弱，無需考慮這類材料產生的附加場，對鐵磁性材料來說，由外加磁場所感生或感應的磁矩會非常大，對場起著支配作用。

磁性材料的磁化

：一般而言物質的磁化需要外磁場，被磁化的物質稱為磁介質，前面我們提到的鐵磁物質，將這類物質放置在外磁場中，感生或感應磁場會顯著增強，磁場使得鐵磁物質呈現磁性的現象稱為鐵磁物質的磁化，鐵磁物質之所以能夠被磁化，是因為這類物質相比於非磁性物質，在其內部存在許多自發磁化的區域（具有單一磁化方向的區域）——“

磁疇

”。

磁化前

，如下圖各個磁疇內部磁場方向，磁疇的磁場方向雜亂無章，磁疇之間的磁場是相互抵消的，對外表現不表現磁性。

磁化後

，若將磁性材料放置在磁場中，我們還是用一個環形磁芯電感來舉例，經過外加磁場的作用，內部各磁疇順著磁場方向轉動，加強了內部磁場或感生或感應磁場，隨著磁場外磁場的增強，同外磁場方向一致的磁疇會越來越多，磁感應強度會越來越強，磁性材料對外表現了磁性，這就是磁化的過程。

極限磁化即磁化飽和

：什麼是極限磁化，如下圖，當外部磁場增大到一定程度，鐵磁材料中各個磁疇方向和外部磁場完全保持一致，所有的磁疇隨著外磁場的增加已經無法在轉動表現出多餘的感生磁場了，這就是極限磁化，我們在變壓器或電感中通常稱為磁芯飽和，這裡的飽和很好理解吧，其含義就是磁化達到極限的意思。如鐵氧體，磁通極限或飽和密度Bs通常在0。3T~0。4T之間，這是鐵氧體材料特性決定的，飽和後電感量會迅速減小，也意味著沒有再產生

多餘

感生磁場的能力了。

上面就是鐵磁物質（磁性物質或良導磁材料）的磁化原理，鐵磁材料或磁性材料的內部磁疇是理解磁化的關鍵，再者要清楚磁性材料的飽和或極限磁化，這是我們工程應用中經常碰到的問題，理解它，你才能更好地理解磁性元器件的工作狀態。

接著我們再透過磁化曲線的方式來說明磁化過程中磁疇的“轉動”情況以及外磁場H和感生或感應磁場B的曲線關係。

上面我們已經提到了鐵磁物質磁疇的概念，下圖依然是磁疇的示意圖，磁場方向雜亂無章，對外並不表現磁性。

磁性材料的磁化過程曲線描述：

若將一塊完全未被磁化的鐵磁物質放置在磁場中，磁場強度（H）從零逐漸連續增大，測量鐵磁物質的磁感應強度（B），得到磁感應強度（B）和磁場強度（H）之間的關係，並用B-H兩個量繪製曲線，該曲線就稱為

磁化曲線，

從零磁化狀態到飽和的磁化曲線

也稱為初始磁化曲線

。

如下圖示

是未被磁化的鐵磁材料，即當外加激勵磁場H=0時，鐵磁材料的磁疇內部雜亂無章，對外並不表現磁性。

如下圖示，當外加激勵磁場H逐漸增大時，首先和外加磁場方向相近的磁疇發生“轉動”，鐵磁材料表現出磁性；

如果外加磁場H繼續加強，鐵磁材料中與外磁場方向不同的磁疇繼續“轉動”，鐵磁材料表現出更強的磁性，磁疇基本都同外磁場“趨於”相同。

隨著外加磁場H的進一步加強，鐵磁材料的磁疇方向和外加磁場外加完全一致，鐵磁材料達到最大磁通，出現“

極限磁化

”即磁芯飽和，這時候外加磁場進一步加強，但鐵磁材料的磁通不會再增加，磁通密度達到最大值Bs。

以上就是鐵磁材料的磁化機理表示法，弄清楚磁化機理對我們理解電感和變壓器都有巨大的幫助，尤其是我們常常碰到的電感和變壓器飽和問題，為什麼對它們倆禁止出現飽和，這是因為飽和後，沒有可轉動的磁疇，磁通密度達到某種鐵磁材料的最大值，如果再增大外加磁場激勵，電感已經沒有產生更大磁通密度的能力，也就沒有阻礙電流的能力了，因此就是一條導線，這對於變壓器是相當危險的一件事。

飽和舉例：

如下圖是全橋拓撲，如“紅線”路徑，假如變壓器飽和，那麼母線“U”就會被短路，這時候如果沒有保護措施或者保護響應時間不夠，包括電路中的功率開關管、變壓器線圈等會一併燒燬。

脈寬調製PWM情況下，變壓器飽和導致的變壓器勵磁電流“i”出現非線性增長，如圖紅色“冒尖”即電流出現短路式增長。

更為嚴重的是，隨著飽和問題的加重，紅色冒尖部分會更大，隨著時間的累積，功率開關如場效電晶體MOSFET以及變壓器原邊線圈（最後會因熱傳導傷及副邊線圈）會損壞和燒燬。

所以對磁性元器件來說，不允許出現極限磁化，以防止變壓器等磁性元器件出現飽和問題。