磁性材料-第一章實(shí)用教案

1、 (3) (3)復(fù)數(shù)(fsh)(fsh)磁導(dǎo)率 磁體在交變磁場(chǎng)中磁化時(shí)，B和H之間存在相位差，只能用復(fù)數(shù)(fsh)表示。它們?cè)趶?fù)數(shù)(fsh)表示法中的商也同樣是一個(gè)復(fù)數(shù)(fsh)。 (4) (4)增量(zn lin)(zn lin)磁導(dǎo)率 HB01 i磁體在穩(wěn)恒磁場(chǎng)H0作用下，疊一個(gè)較小的交變磁場(chǎng)，表現(xiàn)出來的磁導(dǎo)率為增量磁導(dǎo)率。 B、 H分別為交變磁感應(yīng)強(qiáng)度和交變磁場(chǎng)強(qiáng)度的峰值。第1頁(yè)/共62頁(yè)第一頁(yè)，共63頁(yè)。 (5) (5)可逆磁導(dǎo)率 rev (6) (6)微分(wi fn)(wi fn)磁導(dǎo)率diff diff dHdB0diff10revlimH起始磁化曲線上任(shng rn)一點(diǎn)的

2、斜率被稱為微分磁化率。 (7) (7)不可逆磁導(dǎo)率irr revdiffirr不可逆磁導(dǎo)率是由不可逆磁化(chu)而引起的。第2頁(yè)/共62頁(yè)第二頁(yè)，共63頁(yè)。 (8) (8)總磁導(dǎo)率 tot 連接原點(diǎn)O與起始磁化曲線上任一點(diǎn)的直線的斜率(xil)被稱為總磁導(dǎo)率。*不管哪種磁導(dǎo)率，其值都不是(b shi)常數(shù)，而是H的函數(shù)。第3頁(yè)/共62頁(yè)第三頁(yè)，共63頁(yè)。1.2 磁性磁性(cxng)和磁性和磁性(cxng)材料的分類材料的分類所有的物質(zhì)都具有磁性(cxng)(cxng)，但并不是所有的物質(zhì)都能作為磁性(cxng)(cxng)材料來應(yīng)用。有些物質(zhì)具有很強(qiáng)的磁性(cxng)(cxng)，而大部分物

3、質(zhì)磁性(cxng)(cxng)很弱，因此實(shí)際上只有很少一部分物質(zhì)能夠作為磁性(cxng)(cxng)材料來應(yīng)用。1.2.1 物質(zhì)物質(zhì)(wzh)的磁性分類的磁性分類按照磁體磁化時(shí)磁化率的大小和符號(hào)，可以將物質(zhì)的磁性分為五個(gè)種類：抗磁性、順磁性、反鐵磁性、鐵磁性和亞鐵磁性。第4頁(yè)/共62頁(yè)第四頁(yè)，共63頁(yè)。1.2.2 磁性材料磁性材料(c xn ci lio)分類分類從實(shí)用的觀點(diǎn)出發(fā)，磁性材料可以(ky)(ky)分為以下幾類：軟磁材料、永磁材料、信磁材料、特磁材料1.3 磁性材料磁性材料(c xn ci lio)中的基本現(xiàn)象中的基本現(xiàn)象1.3.1 磁晶各向異性磁晶各向異性定義：對(duì)于單晶材料，其磁化

4、曲線隨晶軸方向的不同而有所差別，即磁性隨晶軸方向顯示各向異性。* *磁晶各向異性存在于所有鐵磁性晶體中。第5頁(yè)/共62頁(yè)第五頁(yè)，共63頁(yè)。Ni單晶的磁化單晶的磁化(chu)曲線曲線*易磁化易磁化(chu)方向（易軸）方向（易軸）；難磁化；難磁化(chu)方向（難軸）方向（難軸）第6頁(yè)/共62頁(yè)第六頁(yè)，共63頁(yè)。一、磁晶各向異性一、磁晶各向異性( xin y xn)能能鐵磁體從退磁狀態(tài)磁化到飽和(boh)(boh)，需要付出的磁化功為：)0()(000FMFdFdMHMM沿鐵磁晶體不同(b tn)(b tn)晶軸方向磁化時(shí)所增加的自由能不同(b tn)(b tn)，稱這種與磁化方向有關(guān)的自由能為

5、磁晶各向異性能。* *說明：鐵磁體中的自發(fā)磁化強(qiáng)度和磁疇的分布取向不會(huì)是任意的，而是取向于磁晶各向異性能最小的各個(gè)易磁化軸的方向上。Why?Why?第7頁(yè)/共62頁(yè)第七頁(yè)，共63頁(yè)。(1) 立方立方(lfng)晶系晶系K1、K2為立方(lfng)晶體磁晶各向異性常數(shù)，可通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)定。i為MS對(duì)于x、y、z軸的方向余弦。0100KF4/1110KFK27/3/21111KKFKFe：易軸為100，故K10Ni：易軸為111，故K10二、磁晶各向異性等效場(chǎng)二、磁晶各向異性等效場(chǎng)*無外場(chǎng)時(shí)磁疇內(nèi)的磁矩傾向于沿易軸方向取向，就好像在易磁化方向存在一個(gè)磁場(chǎng)，把磁矩拉了過去。它并不是真實(shí)存在的磁場(chǎng)，而是

6、把磁晶各向異性能的作用等效為一個(gè)磁場(chǎng)作用。第9頁(yè)/共62頁(yè)第九頁(yè)，共63頁(yè)。求法：磁體在磁晶各向異性( xin y xn)等效場(chǎng)中的磁場(chǎng)能磁晶各向異性( xin y xn)能等效場(chǎng)*六角(li jio)晶體（易軸為0001）*立方(lfng)晶體：易軸100 易軸111第10頁(yè)/共62頁(yè)第十頁(yè)，共63頁(yè)。三、磁晶各向異性三、磁晶各向異性( xin y xn)起源起源*晶體場(chǎng)電子軌道角動(dòng)量淬滅電子的軌道運(yùn)動(dòng)失去了自由狀態(tài)(zhungti)下的各向同性，變成了與晶格相關(guān)的各向異性電子云分布各向異性*電子的自旋運(yùn)動(dòng)與軌道運(yùn)動(dòng)之間存在(cnzi)耦合作用電子軌道運(yùn)動(dòng)隨自旋取向發(fā)生變化第11頁(yè)/共62頁(yè)

7、第十一頁(yè)，共63頁(yè)。磁晶各向異性磁晶各向異性( xin y xn)來源模型來源模型（a）磁體水平磁化時(shí)，電子云交疊少，交換作用弱（b）磁體垂直磁化時(shí)，由于L-S耦合作用，電子云隨自旋取向(q xin)而轉(zhuǎn)動(dòng)，電子云交疊程度大，交換作用強(qiáng)第12頁(yè)/共62頁(yè)第十二頁(yè)，共63頁(yè)。1.3.2 磁致伸縮磁致伸縮(shn su)定義：磁性材料由于磁化狀態(tài)的改變，其長(zhǎng)度和體積(tj)(tj)都要發(fā)生微小的變化。一、磁致伸縮一、磁致伸縮(shn su)效應(yīng)效應(yīng)線磁致伸縮：縱向磁致伸縮、橫向磁致伸縮體積磁致伸縮很小，可忽略磁致伸縮系數(shù)：ll/第13頁(yè)/共62頁(yè)第十三頁(yè)，共63頁(yè)。 的大小(dxio)與H的大小(

8、dxio)有關(guān) S：飽和(boh)磁致伸縮系數(shù) S0 正磁致伸縮； S0時(shí)，疇壁開始(kish)移動(dòng)，磁場(chǎng)能下降，疇壁能增加，二者平衡oa一段：為可逆疇壁位移磁化(chu)階段ae一段：為不可逆疇壁位移磁化(chu)階段*以存在應(yīng)力起伏分布的180o疇壁為例:lMSSir3420* ir比 i大很多，提高 ir的途徑類似 i第37頁(yè)/共62頁(yè)第三十七頁(yè)，共63頁(yè)。1.5.4 可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)磁化可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)磁化(chu)過程過程*磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)(zhun dng)過程中總的自由能*疇轉(zhuǎn)磁化過程(guchng)中的平衡方程式*物理意義：疇轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)鐵磁體內(nèi)磁位能降低的數(shù)值與磁晶各向異性能、磁應(yīng)力能和退磁

9、場(chǎng)能增加的數(shù)值相等時(shí)，疇轉(zhuǎn)磁化處于平衡狀態(tài)。第38頁(yè)/共62頁(yè)第三十八頁(yè)，共63頁(yè)。一、由磁晶各向異性一、由磁晶各向異性( xin y xn)控制控制的可逆疇轉(zhuǎn)磁化的可逆疇轉(zhuǎn)磁化*疇轉(zhuǎn)磁化(chu)方程*以單軸六角(li jio)晶系為例得1202USiKM二、由應(yīng)力控制的可逆疇轉(zhuǎn)磁化二、由應(yīng)力控制的可逆疇轉(zhuǎn)磁化*疇轉(zhuǎn)磁化方程*求得SSiM320第39頁(yè)/共62頁(yè)第三十九頁(yè)，共63頁(yè)。*實(shí)際中材料內(nèi)部往往(wngwng)同時(shí)存在磁晶各向異性能和磁彈性能，這些因素都會(huì)對(duì)磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)成阻力。*可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)磁化過程中影響起始(q sh)磁導(dǎo)率的因素有：(1) 材料的MS ， MS越大， i越高；(2)

10、 材料的K1和S，K1和S越小，i越高； (3) 材料的內(nèi)應(yīng)力，材料內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)越完整均勻(jnyn)，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力越小，i越高；第40頁(yè)/共62頁(yè)第四十頁(yè)，共63頁(yè)。1.5.5 不可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)磁化不可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)磁化(chu)過程過程*實(shí)現(xiàn)(shxin)不可逆疇轉(zhuǎn)一般需要較強(qiáng)的磁場(chǎng)，因此通常鐵磁體內(nèi)的不可逆磁化主要是由疇壁位移引起的。對(duì)于單疇顆粒來說，只能是不可逆疇轉(zhuǎn)。*導(dǎo)致可逆疇轉(zhuǎn)和不可逆疇轉(zhuǎn)的原因是鐵磁體內(nèi)存在(cnzi)著廣義的各向異性能的起伏變化。*下圖為具有單軸各向異性的鐵磁體的可逆與不可逆疇轉(zhuǎn)磁下圖為具有單軸各向異性的鐵磁體的可逆與不可逆疇轉(zhuǎn)磁化過程?；^程。第41頁(yè)/共62頁(yè)第

11、四十一頁(yè)，共63頁(yè)。第42頁(yè)/共62頁(yè)第四十二頁(yè)，共63頁(yè)。*從能量從能量(nngling)角度角度HKFFF*以單軸各向異性晶體以單軸各向異性晶體(jngt)為例，疇轉(zhuǎn)磁化方程為為例，疇轉(zhuǎn)磁化方程為*如果疇轉(zhuǎn)磁化如果疇轉(zhuǎn)磁化(chu)過程處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，則必須滿足條過程處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，則必須滿足條件件*如果處于非穩(wěn)定平衡狀態(tài)，則有如果處于非穩(wěn)定平衡狀態(tài)，則有*由穩(wěn)定平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定狀態(tài)的分界點(diǎn)是由穩(wěn)定平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定狀態(tài)的分界點(diǎn)是*不可逆疇轉(zhuǎn)的磁化率不可逆疇轉(zhuǎn)的磁化率120USirKM第43頁(yè)/共62頁(yè)第四十三頁(yè)，共63頁(yè)。1.6 動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)(dngti)磁化磁化1.6.1 動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)(

12、dngti)磁化過程磁化過程*靜態(tài)磁化過程：磁場(chǎng)恒定，樣品從一個(gè)穩(wěn)定磁化狀態(tài)轉(zhuǎn)變到新的平衡狀態(tài)。不考慮(kol)建立新的平衡過程的時(shí)間問題，因此稱之為靜態(tài)磁化過程。 不可逆磁化導(dǎo)致磁滯現(xiàn)象，每個(gè)磁化狀態(tài)都處于亞穩(wěn)態(tài)，且磁化狀態(tài)不隨時(shí)間改變。*動(dòng)態(tài)磁滯回線：鐵磁體在周期性變化的交變磁場(chǎng)中時(shí)，其磁化強(qiáng)度也周期性地反復(fù)變化，構(gòu)成動(dòng)態(tài)磁滯回線。第44頁(yè)/共62頁(yè)第四十四頁(yè)，共63頁(yè)。 在相同的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)磁滯回線的面積比靜態(tài)磁滯回線的面積要大些。原因：回線面積等于磁化一周所損耗(snho)的能量。靜態(tài)僅有磁滯損耗(snho)；動(dòng)態(tài)磁滯損耗(snho)、渦流損耗(snho)、剩余損耗(snho)

13、。*動(dòng)態(tài)磁化曲線：頻率不變，改變磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小，可得一系列動(dòng)態(tài)磁滯回線，它們的頂點(diǎn)(Bm, Hm)連線(lin xin)稱為動(dòng)態(tài)磁化曲線。振幅磁導(dǎo)率：mmaHB0/ 如下圖，最大的回線為動(dòng)態(tài)飽和磁滯回線，BS和HS則為飽和狀態(tài)下飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和相應(yīng)(xingyng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，Br和HC為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度和矯頑力。第45頁(yè)/共62頁(yè)第四十五頁(yè)，共63頁(yè)。第46頁(yè)/共62頁(yè)第四十六頁(yè)，共63頁(yè)。 動(dòng)態(tài)磁滯回線的形狀與交變磁場(chǎng)的峰值Hm以及頻率有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明(biomng)，當(dāng)交變磁場(chǎng)強(qiáng)度減小或增加交變磁場(chǎng)頻率時(shí)，動(dòng)態(tài)磁滯回線的形狀將逐漸趨近于橢圓。50 m厚的鉬坡莫合金片在三種不同(b tn)頻率

14、下的動(dòng)態(tài)磁滯回線第47頁(yè)/共62頁(yè)第四十七頁(yè)，共63頁(yè)。*隨頻率的增大，動(dòng)態(tài)磁滯回線逐漸變?yōu)闄E圓形狀。因此對(duì)于通常(tngchng)使用的弱場(chǎng)高頻條件，可用橢圓形狀來近似地表示鐵磁材料的動(dòng)態(tài)磁滯回線。*假設(shè)(jish)H是正弦周期性變化，則B也是正弦周期性變化，但在時(shí)間上落后一個(gè)相位差 。第48頁(yè)/共62頁(yè)第四十八頁(yè)，共63頁(yè)。第49頁(yè)/共62頁(yè)第四十九頁(yè)，共63頁(yè)。*磁化的時(shí)間效應(yīng)表現(xiàn)為以下幾種不同(b tn)的現(xiàn)象：1) 磁滯現(xiàn)象：交變(jio bin)磁場(chǎng)中的磁化是動(dòng)態(tài)過程，有時(shí)間效應(yīng)。2) 渦流效應(yīng)：動(dòng)態(tài)磁化中，鐵磁材料內(nèi)部會(huì)形成渦流。渦流的產(chǎn)生將抵抗B的變化，從而使磁化產(chǎn)生時(shí)間滯后效

15、應(yīng)。3) 磁導(dǎo)率的頻散和吸收現(xiàn)象：交變(jio bin)磁場(chǎng)中，疇壁位移或磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)受到各種不同性質(zhì)的阻尼作用，導(dǎo)致復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率隨磁場(chǎng)頻率變化。4) 磁后效：當(dāng)H發(fā)生突變時(shí)，B的變化需經(jīng)過一定的時(shí)間才能穩(wěn)定下來。這種現(xiàn)象是由于磁化過程本身或熱起伏的影響，引起材料內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)或晶體結(jié)構(gòu)的變化。*在交變磁場(chǎng)中，以上四種現(xiàn)象都將引起鐵磁材料的能量(nngling)損耗。第50頁(yè)/共62頁(yè)第五十頁(yè)，共63頁(yè)。第51頁(yè)/共62頁(yè)第五十一頁(yè)，共63頁(yè)。1.6.2 動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)(dngti)磁性磁性參數(shù)參數(shù)1、復(fù)數(shù)(fsh)磁導(dǎo)率*好處：可同時(shí)反映(fnyng)B和H間的振幅和相位關(guān)系。timeHH)(timeBB

16、iiHBmmsincos0代表單位體積鐵磁材料中的磁能存儲(chǔ)2021H 代表單位體積鐵磁材料在交變磁場(chǎng)中每磁化一周的磁能損耗20mH 損耗角第52頁(yè)/共62頁(yè)第五十二頁(yè)，共63頁(yè)。復(fù)數(shù)(fsh)磁化率 i2、磁譜與截止頻率fr磁譜：鐵磁體在交變磁場(chǎng)中的復(fù)數(shù)(fsh)磁導(dǎo)率的實(shí)部和虛部隨頻率變化的關(guān)系曲線。截止頻率：在材料的磁譜曲線上，下降(xijing)到初始值的一半或達(dá)到極大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。物理意義：它給出了磁性材料能夠正常工作的頻率范圍第53頁(yè)/共62頁(yè)第五十三頁(yè)，共63頁(yè)。*當(dāng)f=fr時(shí)，達(dá)到最大值，損耗最大，此時(shí)(c sh)材料無法使用，所以一般軟磁材料的工作頻率應(yīng)選擇低于它的截止頻率

17、。* i越低，其fr越高，因此要提高材料(cilio)的高頻應(yīng)用范圍，降低材料(cilio)的起始磁導(dǎo)率是一個(gè)有效的手段。第54頁(yè)/共62頁(yè)第五十四頁(yè)，共63頁(yè)。3、品質(zhì)因數(shù)Q*Q值反映軟磁材料(cilio)在交變磁化時(shí)能量的貯存和損耗的性能。4、損耗(snho)因子tan 物理(wl)意義：鐵磁材料在交變磁化過程中能量的損耗與貯存之比。Q1tan 5、 Q積*對(duì)軟磁材料，總是希望其Q值越高越好， 值越大越好，常用 Q積來表征軟磁材料的技術(shù)指標(biāo)。第55頁(yè)/共62頁(yè)第五十五頁(yè)，共63頁(yè)。*或用tan /表示，稱為軟磁材料的比損耗系數(shù)，反映材料的相對(duì)(xingdu)損耗大小。*和可通過交流電橋法進(jìn)

18、行測(cè)量；Q值可以用交流電橋或Q表測(cè)量得到；tan 可以通過交流電橋、Q表、測(cè)量位相差(xin ch) 或測(cè)量磁損耗的方法得到。1.6.3 磁損耗磁損耗(snho)定義：磁性材料在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生能量損耗。磁滯損耗渦流損耗剩余損耗（殘留損耗）第56頁(yè)/共62頁(yè)第五十六頁(yè)，共63頁(yè)。*在低頻、弱場(chǎng)（B0.01T）條件(tiojin)下，磁損耗為：e：渦流損耗系數(shù)；a：磁滯損耗系數(shù)；c是不依賴于f的常數(shù)，來自由磁后效(huxio)或頻散引起的損耗。*總損耗W既決定于材料，也決定于交變磁場(chǎng)的f和Bm, 因此討論W指標(biāo)時(shí)，應(yīng)注明f和Bm。1、渦流損耗、渦流損耗*渦流是在迅速(xn s)變化的磁場(chǎng)中的導(dǎo)體內(nèi)

19、部產(chǎn)生的感生電流，因其流線呈閉合漩渦狀而得名。f越高，渦流越大。第57頁(yè)/共62頁(yè)第五十七頁(yè)，共63頁(yè)。*渦流不能象導(dǎo)線中的電流那樣輸送出去，僅使磁芯發(fā)熱造成(zo chn)能量損耗。*一個(gè)(y )周期內(nèi)材料的渦流損耗*如何(rh)降低渦流損耗？（1）降低材料厚度d（2）提高材料的電阻率 *金屬材料： 都較低，通常采用添加合金元素的方法；例子：Fe中加入少量Si，可增加磁導(dǎo)率，降低矯頑力，提高 *鐵氧體材料： 很高，適合在高頻技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用。第58頁(yè)/共62頁(yè)第五十八頁(yè)，共63頁(yè)。2、磁滯、磁滯(c zh)損耗損耗*若在磁化過程中只存在磁滯(c zh)損耗，則回線的面積在數(shù)值上就等于每磁化一周的磁滯(c zh)損耗的數(shù)值。*