揭开电磁学的神秘面纱，第5部分-铁磁磁芯

当电流通过线圈时，线圈就会产生磁场。线圈中间的磁场最强。在线圈中间插入铁磁材料，大大增加了储存在磁场中的能量。为什么，这些能量来自哪里，热(di)极能帮助解释吗?

什么是杆子?

电磁场虽然是由电流绕一圈(或多圈)电线产生的，但它的行为就好像有一个正极和负极的“源”来感应磁场。将这些来源视为极点。磁场贯穿两极，穿过两极并环绕两极。永磁体的磁场也是一样的，我们只是将这些极点命名为“北极”和“南极”:

你可以有一个由单点电荷(单极子)产生的电场，而磁场总是表现得好像有两个极点。根本就没有磁单极子这种东西!

严格地说，这两个磁极的作用就好像它们靠得很近，它们之间没有间隙，即偶极子。磁场下沉到一极，从另一极出来。

热偶极子

磁场与热传导的关系非常相似，如下表所示:

介质允许属性渗透的能力由其导热性(热传导中的热流)和磁导率(磁通的“流动”)来表征。当热导率以每米热导率(C/m)来定义时，其与磁导率(H/m)的类比是显而易见的。

有了这个直接的类比，有没有可能模拟一个磁场，从热的角度?考虑一个热传导模型，其中两个非常薄的固定温度源彼此相邻，并放置在固定的导热材料中。一个源的温度比它的邻居高。热量将从高温源流出，流入低温源。这是热流路径的动画效果Simcenter Flotherm：

热在两个细长的热源周围循环，从一个温度为正的热源，进入一个固定温度为0开尔文的热源。

足够近吗?

让我们将该热流场与单个载流回路产生的等效磁场进行比较，使用Simcenter磁铁：

考虑到2D热模型是3D磁模型的一个过于程式化的抽象，我想说，得到的矢量场足够接近，可以保证类比。两个场以相同的方式渗透，热流密度(W/m)²)类似于磁通密度，B (Wb/m)²)和导热系数(C/m)类似于磁导率(H/m)。

热盘管吗?

正如我们在第4部分在美国，一圈电线类似于许多线圈彼此相邻放置。对于线圈电感器的热等效模型定性也是如此:

就像线圈的磁性行为像许多相邻的环路一样，从热传导的角度来看，类比是多个热偶极子。

那么铁磁磁芯呢?

铁磁性材料是一种在另一个磁场中自身被磁化的材料。当一个这样的圆柱形磁芯被放置在线圈中，磁芯内的磁通密度大量增加。铁磁材料的磁导率比它所取代的空气高得多。

热偶极子等效模型也是如此。偶极子占据的体积中材料的导热系数可以用导热系数高得多的材料代替，因此热通量随之增加。

同样，热模型偶极子的类比有点过于简单，无法捕捉到最终效应，但两种模型中核心“通量”的增加是明显的。

是的，但是为什么呢?

我希望我已经展示了热导率和磁导率之间的类比，无论是从它们的单位定义还是通过模拟。但是为什么具有高磁导率的铁磁磁芯会导致磁通量密度增加，从而导致磁场中储存的能量增加呢?

这归结为叠加。线圈产生的磁场被铁芯产生的磁场增强(铁芯本身是由线圈产生的磁场引起的)。当铁磁原子和它们未配对的外层电子被线圈的磁场对齐时，它们自己现在对齐的磁场被添加到引起它们的磁场中。事实上，由磁芯贡献的磁场比“触发”它的线圈的磁场强得多。

好吧，但是这些额外的能量从何而来呢?

你永远不会不劳而获。在固定电压降边界条件下，带铁芯或不带铁芯线圈内的电流是相同的。然而，电感已经增加，所以更多的能量可以存储，这将需要更长的时间为线圈达到稳定的状态。这增加了“磁场充电时间”，这是要付出的代价。

下面的Simcenter MAGNET仿真比较了带铁磁芯和不带铁磁芯的线圈的瞬态响应。彩色图表示磁通密度B。

在对施加的固定压降的响应结束时，无论是否有铁芯，电流都假定为恒定值。如图所示第4部分，器件的电感是这样的，它将延迟电流的建立。通过添加铁磁磁芯，电感增加，因此需要更长的时间来建立电流(在电压变化和相应的电流变化之间有更多的滞后)。

此外，当有地核时，磁场最终储存的能量也要比没有地核时大得多，并且需要更长的时间来建立。

Anecjoke

去年我换了一条车道，虽然很累，但很有回报。在铺上一层砾石之前，我挖了一个法式排水管，以确保车道在英国出了名的潮湿天气下不会被水淹。

从地质流体流动的角度来看，“渗透率”是一个公认的参数，它决定了流体通过多孔介质(如底土)的难易程度。通过用砾石包围的穿孔管代替底土，大大增加了透气性，排水管内的流体质量流量将大大高于其周围环境。

考虑到“磁导率”这个词既可以用来描述材料穿透磁场的能力，也可以用来描述流体通过磁场的能力，所以可以用磁-水类比来代替上面的磁-热类比。然而，从磁的角度来看，空气的渗透率非常低，从流体流动的角度来看，空气的渗透率非常高!