第五章-材料的磁學性能--100908

1、,第5章 材料的磁學性能,5.1 基本磁學性能,,目 錄,5.2 抗磁性和順磁性,5.3 鐵磁性與反鐵磁性,5.4 磁性材料的動態(tài)特性,5.5 磁性材料及其應用,教學目標及基本要求,掌握磁性基本表征參數(shù)，各類磁性物質的內部相互作用，磁性材料在交變磁場中的磁化過程及宏觀磁性。熟悉磁性材料的動態(tài)特性，磁性材料的種類及軟磁材料、硬磁材料、磁信息材料的特征。了解軟磁材料、硬磁材料及磁信息材料的應用及發(fā)展。,教學

2、重點和難點,（1）磁學基本物理量（2）磁性材料的種類（3）磁化曲線和磁滯回線（4）軟磁、硬磁、磁信息材料的特征,思考題,1、名詞解釋： 磁化強度、磁導率、矯頑力、剩余磁感應強度、飽和磁化強度、磁化率、磁滯損耗、磁疇、趨膚效應。2、軟磁材料、硬磁材料及磁信息材料各有何特性？,磁學現(xiàn)象的兩個基本命題：磁及磁現(xiàn)象的根源是電流，或者說是電荷 的運動。磁場對載流導體或運動電荷表現(xiàn)作用力；載流導體在磁場中運動要做功。所有的

3、物質都是磁性體。,磁學初步認識：,5.1 基本磁學性能,存在著磁力作用的特殊物質,,磁場強度H：指空間某處磁場的大小，用H表示，它的單位是安/米（A/m）。磁化強度M：指材料內部單位體積在某一方向的磁矩矢量和，用M表示，單位是安/米（A/m）。 M = ∑?原子/V磁感應強度B： 磁感應強度B的定義是： B=μ0(

4、H+M)μ0是一個系數(shù)，叫做真空磁導率。磁感應強度又稱為磁通密度，單位是特（T），在物質內部外磁場和附加磁場的總和稱為磁感應強度B。,5.1.1 磁學基本量,磁矩是表示磁體本質的一個物理量。任何一個封閉的電流都具有磁矩。其方向與環(huán)形電流法線的方向一致，其大小為電流與封閉環(huán)形的面積的乘積（I?ΔS）。磁矩是表征磁性物體磁性大小的物理量。磁矩愈大，磁性愈強，即物體在磁場中所受的力也大。磁矩只與物體本身有關，與外磁場無關。磁矩的概

5、念可用于說明原子、分子等微觀世界產生磁性的原因。電子繞原子核運動，產生電子軌道磁矩；電子本身自旋，產生電子自旋磁矩。這兩種微觀磁矩是物質具有磁性的根源。,磁矩:,I,任何物質在外磁場作用下，除了外磁場H外，由于物質內部原子磁矩的有序排列，還要產生一個附加的磁場M。磁化率χ ： χ = M/H物體在磁場中被磁化的程度，與磁化場的強度有關。（體積）磁化率為無因次量，表示單位體積內磁場強度的變化，反映了物質被磁化的難易

6、程度。 磁導率μ ： μ=B/H是磁化曲線上任意一點上B和H的比值。磁導率實際上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者說是材料對外部磁場的靈敏程度。,,在電磁學中, 與 的關系通常由實驗來決定，即可通過實驗來測定物質的摩爾磁化率。 實驗表明，對非鐵磁（強磁）物質，在 T 與 不太高也不太低時磁化強度M，磁化率X與磁場強度H滿足線性關系。

7、 = Xm 抗磁體: Xm＜0 , Xm在 [10-5，10-4] 順磁體: Xm＞0 , Xm在 [10-7，10-5],,,,,對于一般磁介質，無外加磁場時，其內部各磁矩取向不一，宏觀無磁性。磁化：在外磁場作用下，各磁矩有規(guī)則地取向，使磁介質宏觀顯示磁性。有自發(fā)磁化和技術磁化。居里

8、溫度Tc ：對于所有的磁性材料來說，并不是在任何溫度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一個臨界溫度Tc，在這個溫度以上，由于高溫下原子的劇烈熱運動，原子磁矩的排列是混亂無序的。在此溫度以下，原子磁矩排列整齊，產生自發(fā)磁化，物體變成鐵磁性的。,物質磁性:,物質放入磁場中會表現(xiàn)出不同的磁學特性，稱為物質的磁性。,反磁性:輕微排斥,順磁性:輕微吸引,完全抗磁性:強烈排斥,鐵磁性:強烈吸引,5.1.2 磁性材料的分類,宏觀磁體由許多具有固有磁

9、矩的原子組成。當原子磁矩同向平行排列時，宏觀磁體對外顯示的磁性最強。當原子磁矩紊亂排列時，宏觀磁體對外不顯示磁性。,① 按化學組成分類金屬磁性材料、非金屬(鐵氧體)磁性材料② 按磁化率大小分類順磁性、抗磁性、鐵磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性③ 按功能分類　　軟磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、壓磁材料、 泡磁材料、磁光材料、磁記錄材料,（1）抗磁體，χ為甚小的負數(shù)（-10-6），在磁場中受微弱的斥力，如金、銀 。

10、（2）順磁體，χ為正數(shù)（10-3~10-6）在磁場中受微弱的引力，如鉑、鈀、奧氏體不銹鋼。（3）鐵磁體，χ為很大的正數(shù)，在較弱磁場作用下可以產生很大的磁化強度，如鐵、鈷、鎳。（4）亞鐵磁體，χ處于鐵磁體與順磁體之間，即通常所說的磁鐵礦、鐵氧體等。（5）反鐵磁體， χ為小正數(shù)，高于某一溫度時其行為與順磁體相似，低于某一溫度磁化率與磁場的取向有關.,按磁化率大小分類,,,,,,,,鐵磁性材料,亞鐵磁性材料,順磁性材料,反鐵磁性材料,

11、抗磁性材料,H,M,五種磁體的磁化曲線示意圖,反鐵磁性,反磁性,順磁性,鐵磁性,亞鐵磁性,強磁性,弱磁性,設為氣體介質，在標準狀況下（0℃，1atm） 據(jù)克拉伯龍方程： 由以上兩點估計，即可確定 與 的關系： M——H圖像 (1) M——H圖像 (2),,,,,M——H圖像 (5)

12、 M不隨H變化, 飽和,,,,材料的磁性來源于原子磁矩。原子軌道磁矩包括電子軌道磁矩、電子自旋磁矩和原子核磁矩。材料的宏觀磁性是組成材料的原子中電子的磁矩引起的。,5.2.1 原子本征磁矩,5.2 抗磁性和順磁性,環(huán)形電流產生磁矩,I,m,,,,（1）電子軌道磁矩,電子繞

13、原子核的軌道運動，產生一個非常小的磁場，形成一個沿旋轉軸方向的軌道磁矩。,電子軌道磁矩在外磁場上的分量，滿足量子化條件,波爾磁子：電子磁矩的最小單位,電子軌道磁矩的方向垂直行電子運動軌跡平面。,,,（2）自旋磁矩,電子運動產生磁矩,原子中電子的軌道磁矩和電子的自旋磁矩構成了原子固有磁矩（本征磁矩）。電子殼層填滿的原子的本征磁矩P=0。原子的磁矩取決于電子殼層結構。電子殼層未被充滿的原子具有永久磁矩。,每個電子因自旋運動產生一個沿自旋軸

14、方向的自旋磁矩。原子中每個電子都可看作一個小磁體，具有永久的軌道磁矩和自旋磁矩。電子自旋磁矩在外磁場方向上的分量恰為一個玻爾磁子。,,5.2.2 抗磁性,抗磁性是電子的軌道運動產生的，任何物質在外磁場作用下都要產生抗磁性。但不是任何物質都是抗磁體，因為原子除了產生抗磁磁矩外，還有軌道磁矩和自旋磁矩產生的順磁磁矩。抗磁性大于順磁性的物質才能稱為抗磁體?？勾朋w的磁化率很小，約為10-6，且與溫度、磁場強度等無關或變化極小。凡是電子殼

15、層被填滿了的物質都屬抗磁體，如惰性氣體、離子型固體、共價鍵的C、Si、Ge、S、P等（通過共有電子而填滿了電子殼層）。,,產生抗磁矩的示意圖,當有外磁場作用時，由于電子的循軌運動在外磁場的作用下產生了抗磁磁矩，總磁矩為零的原子也會顯示出磁矩來。,原子的磁矩取決于未填滿殼層電子的軌道磁矩和自旋磁矩。在無外磁場時，電子殼層已填滿的原子其軌道磁矩和自旋磁矩的總和為零。,,,I,左手定則,I,右手定則,附加磁矩,,物質的抗磁性不是由電子的軌道

16、磁矩和自旋磁矩本身所產生的，而是由外磁場作用下電子循軌運動產生的附加磁矩所造成的。Δp與外磁場H成正比，這說明抗磁磁化是可逆的，即當外磁場去除后，抗磁磁矩即行消失。,一個電子產生的抗磁磁矩：,一個原子產生的抗磁磁矩：,每摩爾物質產生的抗磁磁化率：,,,抗磁體: 物質的原子、離子或分子中沒有自旋未成對的電子，即它的分子磁矩μm=0。它受到外磁場作用時，內部會產生感應的“分子電流”，相應產生一種與外

17、磁場方向相反的感應磁矩。這種物質稱為反磁性物質。,,不存在未成對電子（沒有永久磁矩）。惰性氣體，不含過渡元素的離子晶體，共價化合物和所有的有機化合物，某些金屬和非金屬。,磁矩的排列與磁性的關系,反磁性物質：,,順磁物質磁化過程示意圖,5.2.3 物質的順磁性,順磁體的原子或離子是有磁矩的（固有磁矩），其源于原子內未填滿的電子殼層或源于具有奇數(shù)個電子的原子。無外磁場時，由于熱振動的影響，其原子磁矩的取向是無序的，故總磁矩為零。當有外磁場作

18、用，則原子磁矩便排向外磁場的方向，總磁矩便大于零而表現(xiàn)為正向磁化。,根據(jù)順磁磁化率與溫度的關系，可以把順磁體大致分為三類，即正常順磁體、磁化率與溫度無關的順磁體和存在反鐵磁體轉變的順磁體。,順磁體的磁化率-溫度關系曲線示意圖,居里定律,居里-外斯定律,反鐵磁體,順磁體,居里溫度,尼爾溫度,順磁體,O2、NO、稀土金屬、鐵鈷鎳的鹽類等,堿金屬,過渡族金屬及合金或化合物,物質的原子、離子或分子中存在自旋未成對的電子，它的電子

19、角動量總和不等于零，分子磁矩μm≠0。這些雜亂取向的分子磁矩在受到外磁場作用時，其方向總是趨向于與外磁場同方向，這種物質稱為順磁性物質。,,順磁體:,存在未成對電子 → 永久磁矩。La，Pr，MnAl，F(xiàn)eSO4·7H2O， Gd2O3 … 居里溫度 由鐵磁性或亞鐵磁性轉變?yōu)轫槾判缘呐R界溫度稱為居里溫度(Tc)。,磁矩的排列與磁性的關系,順磁性物質：,5.2.4 金屬的抗磁性與順磁性,金屬是由點陣離子和自由電子構成的，

20、故金屬的磁性要考慮到點陣結點上正離子及自由電子的抗磁性和順磁性。正離子的順磁性源于原子的固有磁矩； 正離子的抗磁性源于其電子的軌道運動。自由電子的順磁性源于電子自旋磁矩，在外磁場作用下，自由電子的自旋磁矩轉到外磁場方向； 自由電子的抗磁性源于其在外磁場中受洛倫茲力而做的圓周運動，這種圓周運動產生的磁矩同外磁場反向。,,,5.2.5 影響金屬抗、順磁性的因素,(1) 熔化凝固：金屬熔化，χ一般減?。唤疸y等例外。(2) 范

21、性形變：抗磁性減弱，硬化加工使銅變?yōu)轫槾判?，退火恢復抗磁性?3) 晶粒細化：抗磁性減弱。(4) 同素異構轉變：磁性突變。白錫→灰錫，順→抗；Mn，α→ β→ γ，順磁性增加。,溫度和磁場強度對抗磁性影響不大，但當金屬電子軌道變化和原子密度變化時，有影響。,Cu,Ag,Au為抗磁性金屬;Pd為強順磁性金屬,,,,,,外斯假說：鐵磁性物質內部存在很強的分子場，在分子場的作用下，原子磁矩趨于同向平行排列，即自發(fā)磁化至飽和（自發(fā)磁化）。鐵

22、磁體自發(fā)磁化成若干個磁疇，磁疇的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，因而大塊鐵磁體對外不顯示磁性。磁化是把物質本身的磁性顯示出來，而不是由外界向物質提供磁性的過程。鐵磁質自發(fā)磁化的根源是原子中的電子自旋磁矩。,5.3.1 鐵磁質的自發(fā)磁化,5.3 鐵磁性與反鐵磁性,,5.3.2 反鐵磁性和亞鐵磁性,原子相互接近形成分子時，電子云要相互重疊和交換。當鄰近原子的交換積分大于0時，原子磁矩取同向平行排列能量最低，自發(fā)磁化強度不為0，

23、即具有鐵磁性。鄰近原子的交換積分小于0時，原子磁矩取反向平行排列能量最低。若相鄰原子磁矩相等，原子磁矩相互抵消，自發(fā)磁化強度為0，即具有反鐵磁性。尼爾點TN：反鐵磁性轉變?yōu)轫槾判缘臏囟?。在尼爾點時，具有熱膨脹、電阻、比熱、彈性等反?，F(xiàn)象。亞鐵磁性物質由磁矩大小不同的兩種離子或原子組成，相同磁性的離子磁矩同向平行排列，而不同磁性的離子磁矩是反向平行排列，二者不能抵消，具有宏觀磁性。如鐵氧體。,,三種物質磁化率—溫度的關系曲線：,,,

24、鐵磁體:,物質被磁化的強度隨著外磁場強度的增加而劇烈增強，而且在外磁場消失后其磁性并不消失。,鐵磁體在低于一定溫度Tc時，內部存在許多自發(fā)磁化的小區(qū)域，稱為磁疇，磁疇具有磁有序結構，同一磁疇內分子磁矩同向。無外磁場時不同磁疇的取向作無規(guī)則分布，宏觀上不顯示磁性；在外磁場作用下磁疇轉向，宏觀體積內的總磁矩不為零，內部可產生與外磁場方向一致的、比外磁場要強得多的附加磁場。外磁場撤去后仍保留部分磁化強度。鐵磁體還具有磁滯現(xiàn)象。鐵磁體屬強磁

25、物質，是應用最廣的磁介質。,具有極高的磁化率，磁化易達到飽和的物質。如Fe，Co， Ni， Gd等金屬及其合金稱為鐵磁性物質。,磁矩的排列與磁性的關系,鐵磁性物質：,反鐵磁體內由于原子之間的相互作用使之與鐵磁體一樣具有磁有序結構，相鄰自旋磁矩作反平行排列，大小恰好相抵消，因而不具有固有的自發(fā)磁化磁矩，此種性質稱為反鐵磁性。反鐵磁體具有較大的順磁磁化率，在一定溫度TN處存在磁化率的峰值，溫度大于TN時反鐵磁性消失而成為順磁體，臨界溫度T

26、N稱為奈耳溫度。在奈耳溫度TN處，反鐵磁體的熱脹系數(shù)和比熱容等均發(fā)生突變。許多金屬如鐵、鈷、鎳、錳等的氧化物是反鐵磁體。,,反鐵磁體:,FeO，F(xiàn)eF3，NiF3，NiO，MnO，各種錳鹽以及部分鐵氧體ZnFe2O4等，它們相鄰原子的磁矩反向平行，而且彼此的強度相等，沒有磁性。,磁矩的排列與磁性的關系,反鐵磁性物質：,亞鐵磁性與反鐵磁性具有相同的物理本質，只是亞鐵磁體中反平行的自旋磁矩大小不等，因而存在部分抵消不盡的自發(fā)磁矩，類似于鐵磁

27、體。溫度高于某一數(shù)值Tc時，亞鐵磁體變?yōu)轫槾朋w，Tc稱居里溫度。鐵氧體大都是亞鐵磁體。,,亞鐵磁體:,亞鐵磁性物質,磁矩的排列與磁性的關系,如鐵氧體(M2+Fe23+O4)等，是一些復雜的金屬化合物，比鐵磁體更常見。它們相鄰原子的磁矩反向平行，但彼此的強度不相等，具有高磁化率和居里溫度。,5.3.3 磁疇,磁疇已被實驗觀察所證實。從對磁疇組織的觀察中，可以看到有的磁疇大而長，稱為主疇，其自發(fā)磁化方向必定沿晶體的易磁化方向；小而短的磁

28、疇叫副疇，其磁化方向就不一定是晶體的易磁化方向。,磁疇壁的種類,相鄰磁疇的界限稱為磁疇壁，可分為兩種，一種為180°磁疇壁，另一種稱為90°磁疇。 技術磁化過程，就是外加磁場對磁疇的作用過程，也就是外加磁場把各個磁疇的磁矩方向轉到外磁場方向的過程。它與自發(fā)磁化有本質的不同。,,技術磁化是通過兩種形式進行的，一是磁疇壁的遷移，一是磁疇的旋轉。磁化曲線和磁滯回線是技術磁化的結果。,磁性物質因磁化產生的磁場是不會無限制

29、增加的，當外磁場(或激勵磁場的電流)增大到一定程度時，全部磁疇都會轉向與外場方向一致。這時的磁感應強度將達到飽和值。,（1）磁化曲線——磁飽和性,H,,,B,,B0,,,B,BJ,O,,磁化曲線,B0 是真空情況下的磁感應強度,BJ 是磁化產生的磁感應強度,B 是介質中的總磁感應強度。,5.3.4 磁化曲線和磁滯回線,退磁狀態(tài),,對于鐵磁性材料，B與H不成正比，因為材料的磁化過程與磁疇磁矩改變方向有關。,技術磁化,,,磁鐵磁性材料的μ不

30、是常數(shù)，而是隨H變化。對在弱磁場下工作的軟磁材料，如信號變壓器、電感器的鐵芯等，希望具有較大的μi （起始磁導率） ，這樣可在較小的H下產生較大的B，在弱磁場區(qū)μ－H曲線存在的極大值μm （最大磁導率）。對在強磁場下工作的軟磁材料，如電力變壓器、功率變壓器等則要求有較大的μm。,1）當無外施磁場（退磁狀態(tài)），具有不同磁化方向的磁疇的磁矩大體可以互相抵消，樣品對外不顯磁性。2）在外磁場強度不太大時，疇壁發(fā)生移動，使與外磁場方向一致的

31、磁疇范圍擴大，其他方向的相應縮小，直到磁矩都向外磁場H方向排列，處于飽和狀態(tài)，此時飽和磁感應強度用BS。3）H再增加，B增加極其緩慢，磁化強度的微小提高主要是由于外磁場克服了部分熱騷動能量，使磁疇內部各電子自旋方向逐漸都和外磁場方向一致造成的。,（2）磁滯回線-——磁滯性,磁感應強度滯后于磁場強度變化的性質稱為磁滯性。如圖為磁性物質的滯回曲線。,要使剩磁消失，通常需進行反向磁化。將 B=0時的 H 值稱為 矯頑磁力 Hc，（見圖中3和

32、6所對應的點。）,在鐵心線圈通有交變電流時，鐵心將產生交變磁場。在電流變化一次時，B隨H而變化的關系如圖所示。,從圖中可以看出，當H減少為零時，B 并未回到零值，出現(xiàn)剩磁Br。,BS,Br,HC,鐵磁體磁化到技術飽和以后，使它的磁化強度降低到零所需要的反向磁場稱為矯頑力。,特征參數(shù)：（1）BS;（2）Br;（3）Hc 決定于材料的組成（化學組成和相組成），而且還受顯微組織的粗細、形態(tài)和分布等因素的強烈影響，即與材料的制造工藝密切相關

33、。,(1)軟磁材料,其矯頑磁力較小，磁滯回線較窄。(鐵心),(2)永磁材料,其矯頑磁力較大，磁滯回線較寬。(磁鐵),(3)矩磁材料,其剩磁大而矯頑磁力小，磁滯回線為矩形。(記憶元件),根據(jù)滯回曲線和磁化曲線的不同，物質可分成三類：,磁性材料的動態(tài)特性：磁性材料在交變磁場，甚至脈沖磁場作用下的性能。與靜態(tài)磁化不同，除考慮B與H有關系外，還要考慮磁化狀態(tài)轉變時所需的時間。,5.4.1 交流磁化過程與交流回線,5.4 磁性材料的動態(tài)特性,交

34、流磁化：H周期性對稱變化，B也周期性對稱變化，變化一周期構成交流磁滯回線。交流磁化處于非平衡狀態(tài)，磁滯回線表現(xiàn)為動態(tài)特性，其形狀介于直流磁滯回線和橢圓間。,磁化場振幅不變時，提高頻率，則回線將逐漸變?yōu)闄E圓形。在交流磁化過程中，不同的交流幅值磁場強度Hm可有不同的交流回線，各交流回線頂點的軌跡，稱為交流磁化曲線。極限交流回線：確定材料的飽和磁感應強度Bs，交流剩余磁感應強度Bra，交流飽和矯頑力Hcs。,幅值磁感應強度,,幅值磁場強度

35、,,瑞利磁滯回線：當外磁場的振幅不大時，得到的在原點附近具有正負對稱變化的磁滯回線。磁滯損耗：磁滯回線所包圍的面積。瑞利常數(shù)η：磁化過程中能量不可逆部分的大小。,5.4.2 磁滯損耗和趨膚效應,渦流：當鐵磁材料進行交變磁化時，鐵磁導體內的磁通量也將發(fā)生相應變化，將在鐵磁導體內產生垂直于磁通量的環(huán)形感應電流。渦流損耗：渦流產生的損耗。渦流大小與材料的電阻率成反比。均勻磁化時，單位體積內的損耗為：非均勻磁化時，單位體

36、積內的損耗為：,趨膚效應：磁場只存在于鐵磁體表層（渦流屏蔽效應）。磁性材料的磁疇壁處還會出現(xiàn)微觀的渦電流。渦電流的流動產生與外磁場產生的磁通方向相反的磁通，越到材料內部，這種反向作用越強，致使磁感應強度和磁場強度沿樣品界面嚴重不均勻。因此，鐵磁體內的實際磁場總是要滯后于外磁場（渦流對磁化的滯后效應）。若交變磁場的頻率很高，而鐵磁導體的電阻率又較小，則可能出現(xiàn)材料內部無磁場。金屬軟磁材料要軋成薄帶使用即減少渦流作用。,5.4.3

37、磁后效應和復數(shù)磁導率,磁后效應：磁性材料受到外磁場階躍變化時，其磁感應強度緩慢趨近穩(wěn)定值的現(xiàn)象。,里希特后效：雜質原子擴散引起的可逆后效，與溫度和頻率關系密切。非晶態(tài)合金的弛豫時間（磁后效進行所需時間）與材料的穩(wěn)定性密切相關。約旦后效：由熱起伏引起的不可逆后效，幾乎與溫度和磁化場的頻率無關。,減落：永磁材料剩磁隨時間推移逐漸變小的磁后效現(xiàn)象。約旦磁后效。,磁后效系數(shù)：隨溫度升高就變大，加熱使磁化強度達到穩(wěn)定。,微分磁導率：磁化

38、曲線陡峭部分磁后效最嚴重,磁化強度變化與時間的對數(shù)成正比,,,,鐵磁材料在交變磁場作用下的磁性與它在靜磁場作用下的磁性有很大不同，區(qū)別在： （1）磁導率：材料在靜磁場中的磁導率是一常數(shù)，但在交變磁場中存在磁滯效應、渦流效應、磁后效應和疇壁共振等，使材料在交變磁場中的磁感應強度落后于外加磁場一個相位角。因而交變（動態(tài)）磁化時的磁導率為一復數(shù)。 （2）各向同性的鐵磁材料在交變磁場（尤其是高頻場）中，往往處于交變磁場和交變電場的

39、同時作用下，而鐵磁材料往往又是電介質（如鐵氧體），因而處在交變電磁場中的鐵磁材料常常同時顯示其鐵磁性和介電性。,實部μ’是與H同相位的，儲存能量的彈性磁導率；虛部μ”是比H落后90°，損耗磁導率。,總磁導率或幅磁導率：,,復數(shù)磁導率：,,由于μ”的存在，B落后于H，引起鐵磁體在動態(tài)磁化過程中不斷地耗能，處于均勻交變磁場中的單位體積鐵磁體單位時間的平均能耗為：,交變磁場在鐵磁體內的儲能密度為：,鐵磁材料的品質因子：,磁損耗系數(shù)（

40、損耗角正切）：,5.4.4 磁導率減落及磁共振損耗,磁導率減落：起始磁導率隨時間發(fā)生降落。由電子或離子擴散后效造成。P199,溫度越高，擴散速度越快，μi隨時間的減落越快。,減落系數(shù)：,磁共振損耗：磁損耗隨頻率變化，在某一頻率下出現(xiàn)明顯增大的損耗。,自然共振：由磁各向異性場形成的共振。材料中的微觀磁化強度繞著磁各向異性場進動，進動的頻率為：當進動的頻率與高頻磁場的頻率一致時，出現(xiàn)自然共振。,尺寸共振：當磁性材料的尺寸為波長的

41、整數(shù)倍或半整數(shù)倍時，將形成駐波發(fā)生共振損耗。共振損耗的頻率與材料的尺寸有關。,,ν：旋磁系數(shù),具有小Hc值、高μi的瘦長形磁滯回線的材料，適宜作軟磁材料。具有大的Mr和Hc、低μi的短粗形磁滯回線的材料適宜作硬磁（永磁）材料。,5.5 磁性材料及其應用,而Mr/Ms接近于1的矩形磁滯回線的材料，即矩磁材料則可作為磁記錄材料。,特點:矯頑力低、磁導率高, 磁滯回線細長，鐵芯損耗低，在較弱的磁場下容易磁化，也容易去磁。,軟磁材料磁滯回

42、線,5.5.1 軟磁材料,一、軟磁材料特征值1、磁導率μ一般希望μ值越高越好。但μ值高的磁性材料在很低頻率時出現(xiàn)自然共振、疇壁共振現(xiàn)象，在高頻使用時，將有很大的鐵磁共振損耗。要根據(jù)磁性材料的應用目的選用材料起始磁導率μi和最大磁導率μm。μi值高的材料μm亦較高，μi值是軟磁材料的主要參數(shù)之一。2、品質因數(shù)Q值Q值是損耗角正切的倒數(shù)，即Q=1/tanδ=μ’/μ” 一般用μQ或tanδ/μi來表示材料的質量指標或損耗指標。

43、,3、μ值的溫度系數(shù)αμμ值的溫度（T2>T1）系數(shù)αμ可用下式表示：,4、減落DA在恒定溫度下，經過一定的時間間隔，磁性材料的磁導率相對減少，其減少值表示為,5、鐵損鐵損是指磁性材料在交變磁場中反復磁化所消耗的功率。由磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗組成。,每磁化一周所消耗的能量正比于磁滯回線的面積，這種能量損失稱為磁滯損耗。按照電磁感應定律，鐵磁材料在交變磁場中磁化，材料內磁通量發(fā)生變化時，在磁通的周圍會產生感應電動勢，因

44、鐵磁材料是導電物質，感應電動勢將在垂直于磁通方向的截面上感應出閉合的渦流電流。由它所引起的焦耳損失稱為渦流損耗。提高電阻率可降低渦流損耗。剩余損耗是指磁滯損耗和渦流損耗外的其他損耗，包括馳豫損耗、疇壁共振損耗和自然共振損耗。6、矯頑力Hc軟磁材料在對稱周期磁化條件下，磁感應強度B=0時所相應的磁化場強度稱為矯頑力Hc。,7、飽和磁感應強度Bs在磁化場足夠強的情況下，軟磁材料可能達到的最大磁感應強度稱為飽和磁感應強度。8、剩余磁

45、感應強度Br軟磁材料經一定強度的磁場磁化后，再將磁場強度減至零，此時材料內所剩的磁感應強度，稱為剩余磁感應強度，通常簡稱為剩磁Br。Br不僅與材料本身有關，而且與材料的磁化過程有關。9、復數(shù)磁導率μ在交變電磁場中，磁導率μ既要反映導磁能力的大小，還要表現(xiàn)出B和H間存在的相位差。復數(shù)磁導率μ=μ’-jμ”,復數(shù)磁導率的模稱為總磁導率或振幅磁導率。μ’為彈性磁導率，代表了磁性材料中儲存能量的磁導率；把μ”稱為粘性磁導率（或損耗磁導

46、率），它與磁性材料磁化一周的損耗有關。磁感應強度相對于磁場強度落后的相位角的正切稱為損耗角正切，即tanδ=μ”/μ’tanδ的倒數(shù)稱為軟磁材料的品質因數(shù)。綜上所述，復數(shù)磁導率的實部μ’與鐵磁材料在交變磁場中儲能密度有關，而虛部μ”卻與材料在單位時間內損耗的能量有關。,二、軟磁材料種類主要軟磁材料有Mn-Zn、Li-Zn鐵氧體、Ni-Zn、NiCuZn 鐵氧體、MnFe2O4 、 NiFe2O4按磁特性分類:高磁感材料、高

47、導磁材料、高矩形比材料、恒導磁材料、溫度補償材料等.按材料成分分類:電工純鐵、Fe-Si合金、Ni-Fe合金、Fe-A1合金(包括Fe-Si-Al合金)和Fe-Co合金等.按晶形分類:晶態(tài)、非晶態(tài)及納米晶軟磁材料等。,常用的軟磁材料有純鐵、硅鋼片、鐵鎳合金、軟磁鐵氧體等。1、電工用純鐵：一種含碳量低、含鐵量99.95%以上的軟鋼。2、硅鐵合金：在純鐵中加入0.38%~4.5%硅，使之形成固溶體，可以提高材料電阻率，減少渦流損

48、耗，這種材料稱為硅鐵合金。3、鎳鐵合金：主要是含鎳量為30%~90%的鎳鐵合金，通常稱坡莫合金。4、軟磁鐵氧體：鐵氧體材料中的一種，是一種容易磁化和退磁的鐵氧體。常用的軟磁鐵氧體有鎳鋅鐵氧體和錳鋅鐵氧體。,（1）電工純鐵,電工純鐵是普遍應用的軟磁材料。主要應用于直流電機和電磁鐵鐵芯、極頭、繼電器鐵芯、永久磁路中導磁體和磁屏蔽、間隙工作電機和小型電機等。 作為磁性材料大量應用的純鐵是工業(yè)純鐵,碳的質量分數(shù)小于0.02-0.04

49、％，而雜質的總質量分數(shù)可達0.2％-0.5％。工業(yè)純鐵電阻率低，主要應用于直流磁化。 獲得高性能的電工純鐵，主要通過兩種途徑，一是去除雜質，二是控制晶粒取向。,（2）鐵鎳合金和鐵鋁合金,a）鐵鎳合金 鐵鎳合金主要是含鎳量為30％-90％的鐵鎳合金，通常稱坡莫合金。鐵鎳合金由Fe、Ni、Mo、Cr、Cu等元素組成。 鐵鎳合金有很高的起始磁導率μi和最大磁導率μm，電阻率在50μΩ?cm左右，Bs較低；隨著組分的不同

50、、鐵鎳合金可能分為鐵鎳二元合金，鐵鎳三元或多元合金等。二元合金中如果添加Mo、Cr、Cu、V一類元素，可以減慢從無序相到有序相轉變的過程；如果添加Mn、Si、Ge等元素，則可使合金的長程有序度幾乎保持不變。,b）鐵鋁合金,成本低，應用范圍廣(電訊工業(yè)儀表、計算機、控制系統(tǒng)等。可制作小功率電力變壓器、微電機、繼電器、互感器、磁調制器等)。含鋁量在16％以下時，便可以熱軋成板材或帶材；含鋁量在5-6％以上時，合金冷軋較困難。鐵鋁合金特點：

51、(1)電阻率高；(2)高的硬度和耐磨性；(3)比重小，可減輕鐵芯自重；(4)對應力不敏感(例外)；(5)時效，材料使用時，隨時間及環(huán)境溫度的變化，磁性能發(fā)生變化；(6)溫度穩(wěn)定性，可采用低溫退火后淬火處理，也可在50-150℃下保溫10-20h(人工時效)來改善其溫度穩(wěn)定性。,非晶態(tài)磁性合金指的是內部原子呈無長程有序排布并具有優(yōu)異磁特性的合金。在非晶態(tài)合金材料中，不存在磁晶各向異性問題。 非晶態(tài)磁性合金的關鍵技術是制備工藝。把液態(tài)金

52、屬做到固體狀態(tài)即可.非晶態(tài)磁性合金有如下特性：①磁導率和矯頑力與鐵鎳合金基本相同。②電阻率比一般軟磁合金材料大（130μΩ·cm）。③磁致伸縮特性好。④具有良好的抗腐蝕性，機械抗拉強度和韌性。⑤容易得到比鐵鎳合金還要薄的薄膜。,（3）非晶態(tài)合金,磁導率高，電阻大，損耗小，代替硅鋼片制作變壓器鐵芯前景十分可觀。 存在問題：（1）溫度對磁的不穩(wěn)定性影響比較大，尤其當開始出現(xiàn)結晶時，矯頑力增加．鐵損

53、及磁導率也隨之變化；（2）非晶態(tài)軟磁合金的高磁導率性能只停留在鐵鎳合金水平上；（3）非晶軟磁合金作為電力設備鐵芯使用時，不能制出很寬的薄板，批量生產成本高，飽和磁感應強度比硅鋼低。,非晶態(tài)磁性合金的問題是溫度對磁的不穩(wěn)定性影響比較大。非晶態(tài)磁性合金主要有過渡金屬和類金屬合金、稀土元素與過渡金屬合金、過渡金屬與過渡金屬合金三類。非晶態(tài)磁性合金的一個很重要特征值是飽和磁致伸縮系數(shù)λs。λs指的是磁場強度加到一定數(shù)值后，即當H=Hs，磁化

54、強度達到飽和值Ms時，材料不再繼續(xù)伸長或縮短，此時的伸縮比Δl/l，即λs。一般來說，λs越小，非晶態(tài)合金的磁性能越好。非晶態(tài)磁性合金的應用，國內外都有較大進展。,,三、軟磁材料的應用: 主要應用于制造發(fā)電機和電動機的定子和轉子；變壓器、電感器、電抗器、繼電器和鎮(zhèn)流器的鐵芯；計算機磁芯；磁記錄的磁頭與磁介質；磁屏蔽；電磁鐵的鐵芯、極頭與極靴；磁路的導磁體等。它是電機工程、無線電、通訊、計算機、家用電器和高新技術領域的重要功能

55、材料。,永磁材料——材料被外磁場磁化以后，去掉外磁場仍然保持著較強剩磁的材料。即具有強的抗退磁能力和高的剩余磁感應強度的強磁性材料。表征硬磁材料性能的主要參數(shù)是剩余磁感應強度B r、矯頑力Hc和最大磁能積(BH)max．三者愈高，硬磁材料性能越好。由此引起這類材料具有大的磁滯損耗。硬(機械強度)磁材料主要用于制造永久磁鐵。,5.5.2 硬磁材料,磁化后不易退磁，而能長期保留磁性的鐵氧體材料稱為硬磁材料，因而也稱永磁材料或恒磁材料。磁

56、滯回線包圍面積大，(Hc≥400A/m) 矯頑力大。,,硬磁材料磁滯回線,圖 硬磁材料和軟磁材料的磁滯回線形狀,更為確切的方法是用磁滯回線形狀區(qū)分硬磁材料和軟磁材料,一、硬磁材料特征值永久磁鐵受到的退磁場作用與外加磁場的方向相反。因此，永磁體的工作點將從剩磁Br點移到磁滯回線第二象限，即退磁曲線的某一點上，如圖6－4所示，永久磁鐵的實際工作點用D表示。,圖 永磁材料的磁化曲線和退磁曲線,硬磁材料性能好壞，應該由退磁曲線上的有關物理量

57、來衡量，其特征值如下。 1、剩磁Br和表觀剩磁BD磁性材料被磁化到相應最大磁化場Hs后，再使該磁化場為零時所剩留的磁感應強度稱為剩余磁感應強度，簡稱剩磁，用Br表示，單位T。在工作狀態(tài)下，永久磁鐵的工作點在退磁場作用下將從Br點移到D點，這時永磁體所具有的剩余磁感應強度稱為表觀剩磁BD。2、矯頑力Hc永磁材料的矯頑力Hc有兩種定義：一個是使磁感應強度B=0所需的磁場值，用BHc或Hc表示；一個是使磁化強度M=0所需的磁場值，常用

58、MHc表示。,3、最大磁能積(BH)max和凸出系數(shù)γ最大磁能積在數(shù)值上等于退磁曲線上各點所對應的磁感應強度和磁場強度乘積中的最大值。當硬磁材料的工作點位于退磁曲線上具有(BH)max的那一點時，為了提供相同的磁能所需要的材料體積將最小。材料(BH)max的越大，永磁體性能越好。 另外，退磁曲線的形狀與磁能積大小有密切關系。退磁曲線的凸出程度和磁能積有關。如果有兩種不同的材料，雖然Br和Hc值都相同，但由于它們的退磁曲線形狀不同，它

59、們的(BH)max也不同。退磁曲線凸出程度越大，則磁能積就越大。退磁曲線的凸出程度可用凸出系數(shù)表示γ ：γ=(BH)max/Br·Hc,圖6－5 永磁體的Br在外磁場作用下的變化（回復曲線）,4、回復磁導率μrev圖6－5所示，如果一塊永磁材料去掉磁化場之后，剩磁Br在縱坐標軸上A點位置上，當受外界各種因素影響時，永磁體的剩磁沿著退磁曲線降到某一位置M。這些影響相當于退磁場的作用，當這些退磁場除去之后，磁性不再回復到A

60、位置，而是到一個新的位置M’。,如果循環(huán)地改變在M－M’之間的退磁場，永磁體特性將按照回復曲線來改變。這時得到一個狹窄的局部磁滯回線。因為回線的面積很小，通常可用回復曲線來代替，并用仰角α的正切表示它的特性，被稱為回復磁導率μrev，以下式來表示：μrev=ΔB/ΔH=tanα 5、穩(wěn)定性η硬磁材料的穩(wěn)定性是指它的有關磁性能在長時間使用過程中或者受到溫度、外磁場、沖擊、振動等外界因素影響時保持不變的能力。用變化率η來表示：,二、硬

61、磁材料的種類和應用硬磁材料分成以下幾類：①鑄造硬磁合金；②可變形硬磁合金；③硬磁鐵氧體；④稀土硬磁合金。稀土硬磁合金包括稀土鈷和稀土鐵系金屬間化合物，為硬磁材料中性能最高的一類。最早的稀土硬磁合金是稀土鈷磁鐵。第一代永磁材料：RCo5，(BH)max為195.9~222.9kJ/m3。第二代永磁材料：R2Co17， (BH)max為297.7kJ/m3。第三代永磁材料：Nd-Fe-B合金， (BH)max 390kJ/m3。其最大

62、缺點是居里溫度較低、溫度穩(wěn)定性和環(huán)境穩(wěn)定性較差。第四代永磁材料主要有Sm2Fe17Cx、Sm2Fe17Nx、Sm-Fe-Ti等， (BH)max的理論值高達450kJ/m3。,鑄造的A1-Ni-Co和A1-Ni-Co-Ti系等合金，應用廣泛、高磁能積、高矯頑力，質脆而硬，通過鑄造(或粉末冶金)成形和磨削加工成磁體，其(BH)max從8-80 kJ／m3。由于六、七十年代永磁鐵氧體和稀土永磁合金的迅速發(fā)展，鋁鎳鈷合金開始被取代，產量自七

63、十年代以來明顯下降。但在對永磁體穩(wěn)定性要求較高的許多應用中，鋁鎳鈷系永磁合金往往是最佳選擇。鋁鎳鈷合金被廣泛用于電機器件上，如發(fā)電機，電動機，繼電器和磁電機；以及電子行業(yè)中的揚聲器，行波管，電話耳機和受話器等。,a）鑄造硬磁合金,b）可變形硬磁合金,包括含碳（或鎢、鉻、鈷）的磁鋼，F(xiàn)e-Cr-Co系合金，F(xiàn)e-Co-V系合金，Pt-Co(Pt-Fe)系合金，Mn-Al-C系合金，Cu-Ni-Fe(或Cu-Ni-Co)系合金等。這類磁性

64、合金在淬火態(tài)具有可塑性，可以進行各種機械加工。合金的矯頑力是通過塑性變形和時效(回火)硬化后得到的?？捎糜陔娫挋C、轉速表、揚聲器、空間濾波器、陀螺儀、防盜標記、微型電機和錄音機磁性零件的制備等。,c）稀土永磁材料,稀土永磁材料是稀土元素(R)與過渡族金屬Fe，Co，Cu，Zr等或非金屬元素B，C，N等組成的金屬間化合物。是一種高能積、高剩磁、高矯頑力的材科。,鐵氧體是鐵元素與氧化合形成的各種類型的化合物，屬亞鐵磁性材料中特別重要的一類

65、。實用的鐵氧體大多數(shù)是軟磁的，也有硬磁的。鐵氧體的晶體結構主要有尖晶石型、磁鉛石型及石榴石型三種。鐵氧體的磁化強度比不上金屬磁性材料，但其高電阻率，大大降低了渦流損耗，使之在無線電、高頻、微波、脈沖等領域的應用得到迅速發(fā)展。鐵氧體還具有效率高、體積小、價格低等特點。鐵氧體的制備、基本磁性的研究和應用十分成熟。,d）硬磁鐵氧體,e）其他永磁材料,近年來，微晶永磁體和納米晶稀土永磁體的研制受到較大重視。 ① 微晶永磁體。其基本原

66、理是在冷卻過程中出現(xiàn)部分晶粒來不及成長就被凝固在金屬液體中，或者把制成的非晶態(tài)通過控制晶化或使之出現(xiàn)新平衡相實現(xiàn)磁硬化。這樣獲得的永磁薄帶，不僅機械性能好，而且熱處理后可得到良好的磁性能。 ② 納米晶稀土永磁體。晶粒呈納米量級，納米級粉料的矯頑力比通常粉末冶金粉料高6-8倍，而且又有較好的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性。,MgAl2O4的晶體結構,Al16,Mg8,O32,32個氧離子構成64個四面體間隙,即A位;和32個八面體間隙,即B位.

67、,尖晶石型晶體結構,尖晶石型結構中多面體連接方式,A位,B位,不同永磁材料的主要用途,在磁化時, 長度會發(fā)生伸長或縮短變化的材料稱為壓磁材料?！　∵@種材料具有電磁能與機械能或聲能的相互轉換功能，是重要的磁功能材料之一?！　鹘y(tǒng)磁致伸縮材料、Fe，Co，Ni基合金及鐵氧體、稀土磁致伸縮材料REFe2,5.5.3 壓磁材料,壓磁效應是力學形變和磁性狀態(tài)之間存在的機械能和磁能之間的轉換效應，其逆效應稱之為磁致伸縮效應。具有此種效應的材料

68、稱為壓磁材料或磁致伸縮材料。利用壓磁材料的相關效應可制成熱膨脹系數(shù)接近于零的不脹型材料和彈性模量變化效應接近于零的恒彈性型材料。壓磁材料的主要特征值為：①飽和磁致伸縮系數(shù)λs。指的是磁場強度加到一定數(shù)值后，材料不再繼續(xù)伸長或縮短，此時的伸縮比Δl/l，即λs。,②靈敏度常數(shù)d。指的是在恒定壓力p下單位磁場產生的磁致伸縮，或在恒定磁場H作用下，單位應力產生的磁感應強度的變化。即：,③壓磁（磁－彈性）耦合系數(shù)k。k為能夠轉換為機械能的