磁饱和

磁饱和是铁磁性或亚铁磁性材料（例如铁、镍、钴、锰和它们的合金等）中的一种特性。在磁饱和之前，若增大外加磁场强度H，材料会磁化，磁通密度B会对应增加，但当磁场强度H大到一定程度，磁通密度B只会因真空磁导率而缓慢增加，此即为磁饱和。磁饱和的特性可以在其磁化曲线（也叫BH曲线或磁滞曲线）中看出，即该曲线向右弯曲的部分（见右图）。当磁场强度 H 增加时，磁感应强度 B 逐渐趋于一个最大值。在磁饱和之后，磁感应强度 B 仍在逐渐增加，但比达到饱和度前的增长速率小了3个数量级（英语：Orders_of_magnitude_(magnetic_field)）。磁场强度 H 和磁感应强度 B 的关系可以用磁导率： μ = B / H {displaystyle mu =B/H} 或相对磁导率 μ r = μ / μ 0 {displaystyle mu _{r}=mu /mu _{0}} 表达，当中的 μ 0 {displaystyle mu _{0}} 是真空磁导率。磁性金属的磁导率不是一个恒定不变的量，而是取决于磁场强度 H 。在会磁饱和的金属中，相对磁导率随磁场强度 H 的增加达到一个最大值，然后随着它的饱和发生转变再减小，最后会变为1。不同的材料有着不同的饱和度。例如，被用于变压器中的高导磁性铁合金，在磁感应强度为1.6-2.2特斯拉（T）饱和，然而铁氧体在0.2-0.5T饱和。某些非晶态金属合金在1.2-1.3T达到饱和，μ合金在0.8T达到饱和 。铁磁性材料（像铁）在微观上由一个个磁畴构成，它们的作用就像微小的永磁体，可以改变它们磁化的方向。在外部的磁场施加在材料之前，这些磁畴的磁场随机排列互相抵消，所以整体上的磁场小到足以忽略。当一个外部的磁场强度H施加在材料后，它进入材料然后重新排列磁畴，造成那些小磁场转变方向然后与外磁场平行，相加后形成从材料中发出的大磁场。这就称为磁化。施加的磁场强度H越大，磁畴转变方向而形成的磁感应强度B越大。当外部磁场强度大于某定值后，磁场强度再加大所产生的磁感应强度变化已可忽略，此时磁化强度接近定值，此时即为磁饱和。磁饱和不代表全部磁畴都对正外部磁场的方向。饱和时的磁畴结构会随温度而不不同。磁饱和限制了铁氧体磁芯的磁铁和变压器能达到的最大磁场（约为2特斯拉），也限制了它们的最小磁芯，这也是为什么高功率电动机、发电机、及电力用变压器的体积那么大的一个重要原因，因为它们必须有一个大磁芯。在变压器与电感器这类利用铁芯及磁场运作的元件中，当足够大的电流通过时，它们磁芯的磁场也会达到饱和，此时它们的运转为非线性的，也就是说通过改变电流，可以使这些磁芯的电感与其他性质随之改变。在线性电路（英语：Linear circuit）中这是不希望出现的现象。当施加交流电信号的时候，这种非线性会造成一次谐波和互调失真（英语：Intermodulation）。为了避免这种现象，必须限制施加在铁芯电感上的信号强度，使铁芯不会磁饱和。为了减小这种影响，在一些变压器磁芯中会有一些气隙。在饱和电流是通过线圈后会使磁芯饱和的电流，这会列在电感器与变压器厂商提供的规格书中。不过有些电子设备也会应用磁饱和的特性。例如在弧焊中用饱和变压器芯限制电流。在铁磁共振变压器（英语：ferroresonant transformers）中，磁饱和的作用相当于稳压器。当原电流超过某一特定值时，芯进入一种饱和状态，限制次级电流的进一步递增。在更复杂的应用中，饱和铁芯感应器（英语：Saturable reactor）和磁放大器（英语：Magnetic amplifier）使用一个直流电通过一个独立离的线圈来控制电感器的阻抗。在控制绕组中，变化的电流使操作点在饱和曲线中上下移动，控制通过电感器的交流电。在萤光灯、镇流器中和功率控制系统中会用到这类的特性。在磁通门罗盘（英语：fluxgate compass）及磁通门磁强计中也有用到磁饱和的特性。