什么是磁滞？磁滞回线？矫顽力？剩磁？软磁？硬磁？

在前面的文章中，我提出了如下的问题。

什么叫磁化？怎么衡量磁化的大小？

什么是磁化强度？什么是磁感应强度？

什么是磁导率？什么是磁化率？

什么是磁滞？什么是矫顽力？什么是剩磁？

什么是软磁，什么是硬磁？

对于前3个问题，我花了3篇文章来阐述。

分别为《什么是磁化（上）》、《什么是涡流》、《什么是磁化（下）》。

要完全理解磁性材料的磁化过程，我们还需要弄懂后面的2个问题。

今天我们就来聊聊。

01

什么是磁滞现象？

为什么会有磁滞现象？

磁滞现象是指在磁性材料中，当外部磁场的方向和大小发生变化时，材料的磁化强度并不立即跟随变化，而是呈现一定的滞后性的现象。

材料磁化强度及内部磁畴随外磁场的变化示意图。

材料磁化过程产生的磁滞闭合曲线。

磁滞现象的主要原因是材料内部的磁畴结构的变化。在没有外部磁场作用时，磁性材料中的磁畴呈现无规则的排列。当外部磁场施加到材料上时，磁畴会重新排列，使得材料具有磁化强度。

然而，当外部磁场发生变化时，磁畴结构的变化并不是即刻完成的，需要一定的时间。因此，材料的磁化强度不能立即随之变化，而呈现出滞后的特性。

磁畴随外磁场变化情况。

为什么磁畴结构的变化需要时间呢？

这涉及到材料内部磁矩的旋转过程。当外部磁场发生变化时，材料内部的磁矩需要重新调整其方向，以适应新的磁场方向。这个调整过程需要克服材料内部的磁畴壁垒和磁畴间的相互作用力，因此需要一定的能量和时间，这就导致了磁滞现象的出现。

磁滞是磁性材料固有的性质，不同的磁性材料会表现出不同的磁滞特性。磁滞现象在许多应用中需要被考虑和控制，特别是在电感器、电动机、传感器和磁存储设备等领域。

02

什么是磁滞回线？

什么是矫顽力和剩磁？

磁滞回线其实分为本征磁滞回线和常用磁滞回线，常说的磁滞回线其实是后者。

本征磁滞回线描述的是外部磁场强度（H）和材料的磁化强度（M）之间的关系。

本征磁滞回线通常呈现为一个封闭的环形曲线，具有两个分支，分别表示磁场强度增加和减小的过程。

本征磁滞回线：材料的磁化强度M随外磁场H的变化情况，也称为MH曲线。当外磁场从零增加到Hc时（d点），磁性材料的磁化强度变为零。继续增加外磁场到a点，材料的磁化强度饱和了，为Ms，此时再继续增加H，磁化强度M也无法升高。而如果此时减小外磁场到零，发现材料的磁化强度不为零，而是Mr，直到外磁场反向达到-Hc时，磁化强度才变为零。如果继续反方向增大磁场，磁化强度又会反向达到饱和点c。此后再减小磁场到零时，磁化强度为负值，而不是零。发觉没有，磁化强度总是慢外磁场的变化一拍，从这个角度也理解了磁滞的滞后特性。

磁滞回线适用于铁磁或亚铁磁材料，顺磁、抗磁和反铁磁材料不会表现出这种行为。

M与H的图表可以了解材料的磁化行为方式，然而，工程上通常需要了解整个系统的磁场情况，也就是说，需要知道总磁场（感应强度B），这包括材料的磁化强度和施加的磁场总和。

这时就要研究B和H的关系了，通过之前的文章，我们知道磁感应强度B=μ0(H+M)=μ0*H+μ0*M。

其中μ0是真空的磁导率。

磁感应强度B与外磁场H的关系。

由于M通常比H大得多，B=μ0*H+μ0*M≈μ0*M，因此MH和BH的图形在许多情况下看起来非常相似。但是当H无限大时，B也趋于无穷大，但M保持恒定值，这是BH曲线和MH曲线最明显的区别。

BH曲线绘制如下。

BH曲线：B与y轴相交的点（b和e）称为剩磁。B与x轴相交的点（c和f）称为矫顽力。矫顽力是去除剩磁并将磁通归零所需的力。而a和d点称为饱和点。

上图可见，BH曲线和MH曲线十分相像，B的变化相对于H的变化也表现出滞后现象，所以广义的滞后实际上包括B和M的变化相对H的变化处于滞后状态。

但B的滞后本质上是M的滞后导致的，所以把MH曲线称为本征磁滞回线。而把BH曲线称为磁滞回线，平常所说的磁滞回线就是BH回线。

所以剩磁和矫顽力是在BH曲线上定义的，而不是在MH曲线上定义的。但是多数情况下，铁磁材料的MH回线和BH回线并无多大差别，所以有时能看到不同的厂家使用的不同的回线来定义剩磁和矫顽力。包括本文后面有的图，有时用MH曲线有时用BH曲线，不用大惊小怪。

如上图BH磁滞回线所示，B与y轴相交的点（b和e）称为剩磁。B与x轴相交的点（c和f）称为矫顽力。矫顽力是去除剩磁并将磁通归零所需的力。而a和d点称为饱和点。

当磁化外场变为零时，材料内剩余的磁化强度就叫剩磁，剩磁也称为保持力。当材料磁化饱和后，让材料磁化强度变为零所需要提供的反向磁场就叫矫顽力。

饱和磁化强度是材料在外部磁场存在下的最大磁化强度。

几种铁磁材料的矫顽力。

因为对于铁磁材料，MH和BH曲线差别不大，所以磁畴指向不单单体现在本征磁滞回线（MH曲线）上，也体现在磁滞回线（BH曲线）上。

事实上，即使存在相反的外加磁场，铁磁畴也会在一定程度上保留它们的记忆。

用不同的磁场强度去磁化铁磁材料，当磁场移除后，材料中有不同的剩磁。

和BH曲线上的Hc点相似，MH曲线上的同一点是Hci，称为内禀矫顽力。对于软磁体，M远大于H，B=μ0(H+M)=μ0*H+μ0*M≈μ0*M。然而，对于硬磁体，Hc和Hci之间的差异可能非常显著。

BH回线与MH回线：由于磁化强度M=H*χm，所以磁化率是MH曲线的斜率。又由于B=μ0(H+M)=μ0（H+H*χm）=μ0*（1+χm）H=μ0*μr*H=u*H，所以磁导率u是BH曲线的斜率。

03

什么是软磁材料？

什么是硬磁材料？

根据磁滞回线的宽度，或者矫顽力的大小，我们可以将材料分为为“硬磁”和“软磁”材料。

软磁材料磁滞回线区域很小，而硬磁材料磁滞回线区域很大。

软磁材料是指具有低矫顽力和高导磁率的磁性材料。它们在外部磁场作用下能够很容易地发生磁化和去磁化。软磁材料表现出良好的磁导性能，对磁场的响应较快，并且能有效地吸收和传导磁能。

在磁滞回线中，软磁材料表现为矫顽力宽度十分狭窄的曲线。

软磁材料的例子为：

硅钢（Silicon Steel）：硅钢是一种常用的软磁材料，由铁和硅组成。它具有低磁滞损耗和高导磁率，常用于制造变压器和电动机的铁心。

磁滞回线区域的面积表示磁滞能量损耗。

镍铁合金（Nickel-Iron Alloy）：镍铁合金，如科赫合金（Kovar）和埃琳瓷合金（Permalloy），具有较高的导磁率和低磁滞损耗。它们常用于制造磁性传感器、磁芯和磁屏蔽材料。

铁氧体（Ferrite）：铁氧体是一类非金属磁性材料，具有良好的磁性能和绝缘性能。它们广泛用于制造电感器、磁芯、天线和磁性传输材料等。

硬磁材料是指具有高矫顽力和高剩余磁化的磁性材料。它们具有较高的饱和磁化强度和较强的矫顽力，能够保持较高的磁化状态。硬磁材料在外部磁场作用下不容易磁化和去磁化，需要较大的磁场才能改变其磁化状态。

硬磁材料的例子为：

钕铁硼磁体（Neodymium Iron）：钕铁硼磁体是一种强磁性材料，具有高饱和磁化强度和高矫顽力。它们被广泛应用于永磁电机、声音设备、磁盘驱动器和磁性传感器等领域。

钴磁体（Cobalt Magnet）：钴磁体是一类稀有金属磁体，具有高矫顽力和高磁感应强度。它们常用于制造高温应用、磁性储存介质和特殊磁性材料等。

钡铁氧体（Barium Ferrite）：钡铁氧体是一种硬磁材料，具有高矫顽力和较高的磁感应强度。它们广泛用于制造磁记录材料、磁性传感器和磁盘驱动器等。

硬磁材料在零线处的退磁斜率较小，软磁材料在零线处具有陡峭的退磁斜率。这是因为与硬磁材料相比，软磁材料在外部磁场释放时会失去更多的磁性。

总之，硬磁材料需要比软磁材料大得多的矫顽力来消磁，因此设计人员自然会在有利于快速且频繁地切换极性的情况下使用软磁材料，这就是为什么我们在磁场不断变化的电机绕组和变压器中看到硅钢、铁镍和铁等软磁材料。

同样，硬磁材料，例如钕、钐钴和铁氧体，具有高剩磁和高矫顽力，常作为永磁源。

初学磁场理论，不对的还请专业人士指出，不胜感激！