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磁性材料に見られる飽和とは、外部磁場Hを増加させても材料の磁化がそれ以上増加しなくなり、全磁束密度Bがほぼ一定になる状態のことです。（ただし、常磁性のため、磁化は磁場とともに非常にゆっくりと増加し続けます。）飽和は、鉄、ニッケル、コバルト、およびそれらの合金などの強磁性体やフェリ磁性体の特徴です。異なる強磁性体では、飽和レベルが異なります。
飽和は、物質の磁化曲線（BH曲線またはヒステリシス曲線とも呼ばれる）において、曲線が右に曲がる形で最も明確に観察される（右のグラフを参照）。H磁場が増加すると、 B磁場は漸近的に最大値、すなわち物質の飽和レベルに近づく。厳密には、飽和を超えるとB磁場は増加し続けるが、その増加率は常磁性増加率であり、飽和以下の強磁性増加率よりも数桁小さい。[ 2 ]
磁化場Hと磁場Bの関係は、透磁率としても表すことができる。または相対透過率、 どこは真空透磁率です。強磁性体の透磁率は一定ではなく、Hに依存します。飽和可能な材料では、相対透磁率はHとともに増加して最大値に達し、飽和に近づくにつれて1に向かって減少します。[ 2 ] [ 3 ]
異なる材料は異なる飽和レベルを持つ。たとえば、変圧器に使用される高透磁率鉄合金は 1.6～2.2テスラ(T)で磁気飽和に達するが[ 4 ] 、フェライトは0.2～0.5 Tで飽和する[ 5 ]。一部の非晶質合金は 1.2～1.3 Tで飽和する[ 6 ]。ミューメタルは約 0.8 Tで飽和する[ 7 ] [ 8 ]。
鉄などの強磁性体は、磁区と呼ばれる微細な領域で構成されており、磁区は小さな永久磁石のように働き、磁化の方向を変えることができます。外部磁場が材料に印加される前は、磁区の磁場はランダムな方向に向いており、互いに打ち消し合っているため、正味の外部磁場は無視できるほど小さいです。外部磁化磁場H が材料に印加されると、磁場は材料内部に浸透し、磁区を整列させます。これにより、磁区の微小な磁場が回転して外部磁場と平行に整列し、それらが合わさって大きな磁場Bが生成され、材料から外側に広がります。これを磁化と呼びます。外部磁場Hが強いほど、磁区の整列が進み、磁束密度Bが高くなります。最終的に、ある一定の外部磁場では、磁区壁は移動できる限界まで移動し、磁区は結晶構造が許容する限り整列します。そのため、この値を超えて外部磁場を増加させても、磁区構造にはほとんど変化がありません。磁化はほぼ一定のままで、飽和したと言われます。[ 9 ]飽和時のドメイン構造は温度に依存する。[ 9 ]
飽和現象により、強磁性体コアを持つ電磁石や変圧器で達成可能な最大磁場は2テスラ程度に制限され、コアの最小サイズにも制約が生じます。高出力モーター、発電機、電力会社用変圧器が大型になる理由の一つは、高出力生成に必要な大量の磁束を伝導するためには、大きな磁気コアが必要となるからです。航空機の変圧器や電動モーターなど、磁気コアの重量を最小限に抑える必要がある用途では、パーメンデュールなどの高飽和合金がよく用いられます。
電子回路では、強磁性コアを持つ変圧器やインダクタは、コア材料を飽和させるのに十分な電流が流れると非線形に動作します。これは、インダクタンスやその他の特性が駆動電流の変化に応じて変化することを意味します。線形回路では、これは通常、理想的な動作からの望ましくない逸脱とみなされます。交流信号が印加されると、この非線形性により高調波や相互変調歪みが発生する可能性があります 。これを防ぐには、鉄心インダクタに印加される信号のレベルを制限して飽和しないようにする必要があります。その影響を軽減するために、一部の種類の変圧器コアにはエアギャップが設けられています。[ 10 ] 飽和電流、つまり磁気コアを飽和させるのに必要な巻線を流れる電流は、多くのインダクタや変圧器の仕様でメーカーによって示されています。
一方、飽和は一部の電子機器で利用されています。飽和は、アーク溶接で使用される飽和コア変圧器や、電圧レギュレータとして機能する強磁性共振変圧器で電流を制限するために利用されます。一次電流が一定値を超えると、コアは飽和領域に入り、二次電流のさらなる増加が制限されます。より高度なアプリケーションでは、飽和コアインダクタと磁気増幅器は、別の巻線に直流電流を流してインダクタのインピーダンスを制御します。制御巻線の電流を変化させると、飽和曲線上の動作点が上下に移動し、インダクタを流れる交流電流が制御されます。これらは、可変蛍光灯安定器や電力制御システムに使用されています。[ 11 ]
飽和現象は、フラックスゲート磁力計やフラックスゲートコンパスでも利用されている。
オーディオアプリケーションの中には、飽和トランスやインダクタを意図的に使用してオーディオ信号に歪みを導入するものがあります。磁気飽和は奇数次高調波を生成し、通常は低域と中域の周波数帯域に第3および第5高調波歪みを導入します。[ 12 ]
