第五章材料磁学性能-100908课件.ppt

1、 5.1 基本磁学性能基本磁学性能目目 录录 5.2 抗磁性和顺磁性抗磁性和顺磁性 5.3 铁磁性与反铁磁性铁磁性与反铁磁性 5.4 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性 5.5 磁性材料及其应用磁性材料及其应用教学目标及基本要求教学目标及基本要求n掌握磁性基本表征参数，各类磁性物质的掌握磁性基本表征参数，各类磁性物质的内部相互作用，磁性材料在交变磁场中的内部相互作用，磁性材料在交变磁场中的磁化过程及宏观磁性。磁化过程及宏观磁性。n熟悉磁性材料的动态特性，磁性材料的种熟悉磁性材料的动态特性，磁性材料的种类及软磁材料、硬磁材料、磁信息材料的类及软磁材料、硬磁材料、磁信息材料的特征。特征。n了解软

2、磁材料、硬磁材料及磁信息材料的了解软磁材料、硬磁材料及磁信息材料的应用及发展。应用及发展。 教学重点和难点教学重点和难点n（1）磁学基本物理量磁学基本物理量n（2）磁性材料的种类磁性材料的种类n（3）磁化曲线和磁滞回线）磁化曲线和磁滞回线n（4）软磁、硬磁、磁信息材料的特征）软磁、硬磁、磁信息材料的特征思考题思考题n1、名词解释：、名词解释： 磁化强度、磁导率、矫顽力、剩余磁感应强度、磁化强度、磁导率、矫顽力、剩余磁感应强度、饱和磁化强度、磁化率、磁滞损耗、磁畴、趋饱和磁化强度、磁化率、磁滞损耗、磁畴、趋肤效应。肤效应。n2、软磁材料、硬磁材料及磁信息材料各有何、软磁材料、硬磁材料及磁信息材料

3、各有何特性？特性？ 磁学现象的两个基本命题：n磁及磁现象的根源是电流，或者说是电荷 的运动。磁场对载流导体或运动电荷表现作用力；载流导体在磁场中运动要做功。n所有的物质都是磁性体。电流电流(或运动电荷或运动电荷)电流电流(或运动电荷或运动电荷)磁场磁场磁学初步认识：磁学初步认识：5.1 5.1 基本磁学性能基本磁学性能存在着磁力作用的特殊物质磁场强度磁场强度H：指空间某处指空间某处磁场磁场的大小，用的大小，用H表示，它表示，它的单位是安的单位是安/米（米（A/m）。）。磁化强度磁化强度M：指材料内部单位体积在某一方向的磁指材料内部单位体积在某一方向的磁矩矢量和，用矩矢量和，用M表示，单位是安表

4、示，单位是安/米（米（A/m）。）。 M = 原子/V磁感应强度磁感应强度B： 磁感应强度磁感应强度B的定义是：的定义是： B=0(H+M)0是一个系数，叫做真空磁导率。磁感应强度又称是一个系数，叫做真空磁导率。磁感应强度又称为磁通密度，单位是特（为磁通密度，单位是特（T），），在物质内部外磁场在物质内部外磁场和附加磁场的总和称为磁感应强度和附加磁场的总和称为磁感应强度B。 磁矩是表示磁体本质的一个物理量。任何一个封闭的电流都具磁矩是表示磁体本质的一个物理量。任何一个封闭的电流都具有磁矩。其方向与环形电流法线的方向一致，其大小为电流与有磁矩。其方向与环形电流法线的方向一致，其大小为电流与封闭环

5、形的面积的乘积（封闭环形的面积的乘积（I S）。）。磁矩是表征磁性物体磁矩是表征磁性物体磁性大小磁性大小的物理量。磁矩愈大，磁性愈强，的物理量。磁矩愈大，磁性愈强，即物体在磁场中所受的力也大。即物体在磁场中所受的力也大。磁矩只与物体本身有关，与外磁矩只与物体本身有关，与外磁场无关。磁场无关。磁矩的概念可用于说明原子、分子等微观世界产生磁性的原因。磁矩的概念可用于说明原子、分子等微观世界产生磁性的原因。电子绕原子核运动，产生电子绕原子核运动，产生电子轨道磁矩电子轨道磁矩；电子本身自旋，产生；电子本身自旋，产生电子自旋磁矩电子自旋磁矩。这两种微观磁矩是物质具有磁性的根源。这两种微观磁矩是物质具有磁

6、性的根源。磁矩磁矩:I任何物质在外磁场作用下，除了任何物质在外磁场作用下，除了外磁场外磁场H外，外，由于物质内部原子磁矩的有序排列，还要产生由于物质内部原子磁矩的有序排列，还要产生一个一个附加的磁场附加的磁场M。磁化率磁化率 ： = M/H物体在磁场中被磁化的程度，与磁化场的强度物体在磁场中被磁化的程度，与磁化场的强度有关。（体积）磁化率为无因次量，表示单位有关。（体积）磁化率为无因次量，表示单位体积内磁场强度的变化，反映了物质被磁化的体积内磁场强度的变化，反映了物质被磁化的难易程度。难易程度。 磁导率磁导率 ： =B/H是磁化曲线上任意一点上是磁化曲线上任意一点上B和和H的比值。磁导的比值。

7、磁导率实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度，率实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者说是材料对外部磁场的灵敏程度。或者说是材料对外部磁场的灵敏程度。测定物质的摩尔磁化率实验表明，对非铁磁（强磁）物质，在实验表明，对非铁磁（强磁）物质，在 T 与与 不太不太高也不太低时磁化强度高也不太低时磁化强度M，磁化率，磁化率X与磁场强度与磁场强度H满满足线性关系。足线性关系。M H B B M H 131,:molGCmmolGemuM131,:molCmmolemumTOeGH,:对于一般磁介质，无外加磁场时，其内部各磁对于一般磁介质，无外加磁场时，其内部各磁矩取向不一，宏观无磁性。矩取向不一，宏观

8、无磁性。磁化：磁化：在外磁场作用下，各磁矩有规则地取向，在外磁场作用下，各磁矩有规则地取向，使磁介质宏观显示磁性。有自发磁化和技术磁使磁介质宏观显示磁性。有自发磁化和技术磁化。化。居里温度居里温度Tc ：对于所有的磁性材料来说，并不对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。一般地，磁性材是在任何温度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温度料具有一个临界温度Tc，在这个温度以上，由，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下，原子磁矩排列是混乱无序的。在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，

9、物体变成铁磁性的。整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性的。物质磁性物质磁性:物质放入磁场中会表现出不同的磁学特性，称为物质的磁性。反磁性反磁性:轻微排斥轻微排斥顺磁性顺磁性:轻微吸引轻微吸引完全抗磁性完全抗磁性:强烈排斥强烈排斥铁磁性铁磁性:强烈吸引强烈吸引 n宏观磁体由许多具有宏观磁体由许多具有固有固有磁矩的原子组磁矩的原子组成。成。n当原子磁矩同向平行排列时，宏观磁体当原子磁矩同向平行排列时，宏观磁体对外显示的磁性最强。对外显示的磁性最强。n当原子磁矩紊乱排列时，宏观磁体对外当原子磁矩紊乱排列时，宏观磁体对外不显示磁性。不显示磁性。 按化学组成分类按化学组成分类金属磁性材料、非金属金属磁性材

10、料、非金属(铁氧体铁氧体)磁性材料磁性材料 按磁化率大小分类按磁化率大小分类顺磁性、抗磁性、铁磁性、反铁磁性、亚顺磁性、抗磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性铁磁性 按功能分类按功能分类软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、压磁材料、磁材料、旋磁材料、压磁材料、 泡磁材料、泡磁材料、磁光材料、磁记录材料磁光材料、磁记录材料 （1）抗磁体抗磁体，为甚小的为甚小的负数负数（-10-6），在磁场中受微，在磁场中受微弱的斥力，如金、银弱的斥力，如金、银 。（2）顺磁体顺磁体，为正数（为正数（10-310-6）在磁场中受微弱的）在磁场中受微弱的引力，如铂、钯、

11、奥氏体不锈钢。引力，如铂、钯、奥氏体不锈钢。（3）铁磁体铁磁体，为很大的正数，为很大的正数，在较弱磁场作用下可以在较弱磁场作用下可以产生很大的磁化强度，如铁、钴、镍。产生很大的磁化强度，如铁、钴、镍。（4）亚铁磁体亚铁磁体，处于铁磁体与顺磁体之间，即通常所处于铁磁体与顺磁体之间，即通常所说的磁铁矿、铁氧体等。说的磁铁矿、铁氧体等。（5）反铁磁体反铁磁体， 为小正数，高于某一温度时其行为为小正数，高于某一温度时其行为与顺磁体相似，低于某一温度磁化率与磁场的取向有关与顺磁体相似，低于某一温度磁化率与磁场的取向有关.按磁化率大小分类按磁化率大小分类铁磁性材料铁磁性材料亚铁磁性材料亚铁磁性材料顺磁性材

12、料顺磁性材料反铁磁性材料反铁磁性材料抗磁性材料抗磁性材料HM五种磁体的磁化曲线示意图五种磁体的磁化曲线示意图反反铁铁磁磁性性反磁性反磁性顺顺磁磁性性铁铁磁磁性性亚亚铁铁磁磁性性强强磁磁性性弱弱磁磁性性 设为气体介质，在标准状况下（0，1atm） 据克拉伯龙方程： 由以上两点估计，即可确定 与 的关系： MH图像 (1) MH图像 (2) 1214( 10 , 10 ) (A/m)H M H ()Mf H 2 1074 1076 1078 1071 1085101520252 1084 1086 1088 1081 10925507510012515089 H( 10 , 10 ) (A / m

13、) H 随的增加,曲线呈逐渐弯曲的趋势磁化强度矢量：78MH( 10 , 10 ) (A / m) H 与有较好的线性关系,磁化率为常数磁化强度矢量： MH图像 (5) M不随H变化, 饱和 2 1094 1096 1098 1091 10101801902002102202302402 10114 10116 10118 10111 10122442462482 10134 10136 10138 10131 1014249.05249.15249.21214( 10 , 10 ) (A/m)H 磁化强度矢量：1012 M( 10 , 10 ) (A/m) H趋于常数磁化强度矢量：910MH

14、( 10 , 10 ) (A/m) H 随 的变化更加缓慢磁化强度矢量：00limHMn mn材料的磁性来源于原子磁矩。n原子轨道磁矩包括电子轨道磁矩、电子自旋磁矩和原子核磁矩。n材料的宏观磁性是组成材料的原子中电子的磁矩引起的。5.2 5.2 抗磁性和顺磁性抗磁性和顺磁性环形电流产生磁矩环形电流产生磁矩Im（1）电子轨道磁矩）电子轨道磁矩电子绕原子核的轨道运动，产生一个非常小的磁场，形成一个沿旋转轴方向的轨道磁矩。电子轨道磁矩在外磁场上的分量，满足量子化条件波尔磁子：电子磁矩的最小单位电子轨道磁矩的方向垂直行电子运动轨迹平面。（2）自旋磁矩）自旋磁矩电子运动产生磁矩电子运动产生磁矩n原子中电

15、子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩构成了原子固有磁矩（本征磁矩）。电子壳层填满的原子的本征磁矩P=0。n原子的磁矩取决于电子壳层结构。电子壳层未被充满的原子具有永久磁矩。n每个电子因自旋运动产生一个沿自旋轴方向的自旋磁矩。原子中每个电子都可看作一个小磁体，具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩。电子自旋磁矩在外磁场方向上的分量恰为一个玻尔磁子。n抗磁性是电子的轨道运动产生的，任何物质在外磁场作抗磁性是电子的轨道运动产生的，任何物质在外磁场作用下都要产生抗磁性。但不是任何物质都是抗磁体，因用下都要产生抗磁性。但不是任何物质都是抗磁体，因为原子除了产生为原子除了产生抗磁磁矩抗磁磁矩外，还有轨道磁矩和自旋磁矩外，还

16、有轨道磁矩和自旋磁矩产生的产生的顺磁磁矩顺磁磁矩。n抗磁性大于顺磁性的物质才能称为抗磁体抗磁性大于顺磁性的物质才能称为抗磁体。抗磁体的磁。抗磁体的磁化率很小，约为化率很小，约为10-6，且与温度、磁场强度等无关或变，且与温度、磁场强度等无关或变化极小。化极小。n凡是凡是电子壳层被填满了的物质都属抗磁体电子壳层被填满了的物质都属抗磁体，如惰性气体、，如惰性气体、离子型固体、共价键的离子型固体、共价键的C、Si、Ge、S、P等（通过共等（通过共有电子而填满了电子壳层）。有电子而填满了电子壳层）。产生抗磁矩的示意图产生抗磁矩的示意图n当有外磁场作用时，由于电子的循轨运动在外磁场的作用下产生了抗磁磁矩

17、，总磁矩为零的原子也会显示出磁矩来。n原子的磁矩取决于未填满壳层电子的轨道磁矩和自旋磁矩。n在无外磁场时，电子壳层已填满的原子其轨道磁矩和自旋磁矩的总和为零。221rePe2mrK HerK I左手定则左手定则I右手定则右手定则附加磁矩附加磁矩n物质的抗磁性不是由电子的轨道磁矩和自旋磁矩本身所产生的，而是由外磁场作用下电子循轨运动产生的附加磁矩所造成的。np与外磁场H成正比，这说明抗磁磁化是可逆的，即当外磁场去除后，抗磁磁矩即行消失。一个电子产生的抗磁磁矩：一个电子产生的抗磁磁矩：一个原子产生的抗磁磁矩：一个原子产生的抗磁磁矩：每摩尔物质产生的抗磁磁化率：每摩尔物质产生的抗磁磁化率：Hmrer

18、eP421222meH2 抗磁体抗磁体: 物质的原子、离子或分子中物质的原子、离子或分子中没有自旋未没有自旋未成对的电子成对的电子，即它的分子磁矩，即它的分子磁矩m=0。它受到外磁场作用时，内部会产生感应它受到外磁场作用时，内部会产生感应的的“分子电流分子电流”，相应产生一种与外磁，相应产生一种与外磁场场方向相反方向相反的感应磁矩。这种物质称为的感应磁矩。这种物质称为反磁性物质。反磁性物质。不存在未成对电子（没有不存在未成对电子（没有永久磁矩）。惰性气体，永久磁矩）。惰性气体，不含过渡元素的离子晶体不含过渡元素的离子晶体，共价化合物和所有的有，共价化合物和所有的有机化合物，某些金属和非机化合物

19、，某些金属和非金属。金属。磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 反磁性反磁性 m= -10-5 -10-6磁场磁场 反磁性物质反磁性物质：顺磁物质磁化过程示意图顺磁物质磁化过程示意图顺磁体的原子或离子是有磁矩的（固有磁矩），其源顺磁体的原子或离子是有磁矩的（固有磁矩），其源于原子内于原子内未填满的电子壳层未填满的电子壳层或源于具有或源于具有奇数个电子奇数个电子的的原子。无外磁场时，由于热振动的影响，其原子磁矩原子。无外磁场时，由于热振动的影响，其原子磁矩的取向是无序的，故总磁矩为零。当有外磁场作用，的取向是无序的，故总磁矩为零。当有外磁场作用，则原子磁矩便排向外磁场的方向，总磁矩便大于

20、零而则原子磁矩便排向外磁场的方向，总磁矩便大于零而表现为正向磁化。表现为正向磁化。根据顺磁磁化率与温度的关系，可以把顺磁体大致分为三类，即正常顺磁体正常顺磁体、磁化率与温度无关的顺磁体磁化率与温度无关的顺磁体和存存在反铁磁体转变的顺磁体在反铁磁体转变的顺磁体。顺磁体的磁化率-温度关系曲线示意图居里定律居里定律居里居里-外斯定律外斯定律反铁反铁磁体磁体顺顺磁磁体体居里温度居里温度尼尔温度尼尔温度顺顺磁磁体体O2、NO、稀土金属、稀土金属、铁钴镍的盐类等铁钴镍的盐类等碱金属碱金属过渡族金属及过渡族金属及合金或化合物合金或化合物 物质的原子、离子或分子中存在物质的原子、离子或分子中存在自自旋未成对的

21、电子旋未成对的电子，它的电子角动量，它的电子角动量总和不等于零，分子磁矩总和不等于零，分子磁矩m0。这些杂乱取向的分子磁矩在受到外这些杂乱取向的分子磁矩在受到外磁场作用时，其方向总是磁场作用时，其方向总是趋向于趋向于与与外磁场同方向外磁场同方向，这种物质称为顺磁，这种物质称为顺磁性物质性物质。顺磁体顺磁体:存在未成对电子存在未成对电子 永久永久磁矩。磁矩。La，Pr，MnAl，FeSO47H2O， Gd2O3 居里温度居里温度 由铁磁性或亚由铁磁性或亚铁磁性转变为顺磁性的临铁磁性转变为顺磁性的临界温度称为居里温度界温度称为居里温度(Tc)。顺磁性顺磁性 m=10-6 10-5磁场磁场 顺磁性物

22、质：顺磁性物质： n金属是由点阵离子和自由电子构成的，故金属的磁性要考虑到点阵结点上正离子正离子及自由电子自由电子的抗磁性和顺磁性。n正离子的顺磁性源于原子的固有磁矩；正离子的顺磁性源于原子的固有磁矩； 正离子的抗磁性源于其电子的轨道运动。正离子的抗磁性源于其电子的轨道运动。n自由电子的顺磁性源于电子自旋磁矩，在外磁场作用下，自由电子的自旋磁矩转到外磁场方向； 自由电子的抗磁性源于其在外磁场中受洛伦兹力而做的圆周运动，这种圆周运动产生的磁矩同外磁场反向。 (1) 熔化凝固：金属熔化，一般减小；金银等例外。(2) 范性形变：抗磁性减弱，硬化加工使铜变为顺磁性，退火恢复抗磁性。(3) 晶粒细化：抗

23、磁性减弱。(4) 同素异构转变：磁性突变。白锡灰锡，顺抗；Mn， ，顺磁性增加。Cu,Ag,Au为抗磁性金属;Pd为强顺磁性金属n外斯假说外斯假说：铁磁性物质内部存在很强的分子场，在分子场的作用下，原子磁矩趋于同向平行排列，即自发磁化至饱和（自发磁化）。铁磁体自发磁化成若干个磁畴，磁畴的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，因而大块铁磁体对外不显示磁性。n磁化是把物质本身的磁性显示出来，而不是由外界向物质提供磁性的过程。n铁磁质自发磁化的根源是原子中的电子自旋磁矩。5.3 5.3 铁磁性与反铁磁性铁磁性与反铁磁性n原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠和交换。原子相互接近形成分子时，电子云要

24、相互重叠和交换。当邻近原子的交换积分大于0时，原子磁矩取同向平行排列能量最低，自发磁化强度不为0，即具有铁磁铁磁性性。n邻近原子的交换积分小于0时，原子磁矩取反向平行排列能量最低。若相邻原子磁矩相等，原子磁矩相互抵消，自发磁化强度为0，即具有反铁磁性反铁磁性。n尼尔点尼尔点TN：反铁磁性转变为顺磁性的温度。在尼尔点时，具有热膨胀、电阻、比热、弹性等反常现象。n亚铁磁性亚铁磁性物质由磁矩大小不同的两种离子或原子组成，相同磁性的离子磁矩同向平行排列，而不同磁性的离子磁矩是反向平行排列，二者不能抵消，具有宏观磁性。如铁氧体。铁磁体铁磁体: 物质被磁化的强度随着外磁场强度的增加而剧烈增强，而且在外磁场

25、消失后其磁性并不消失。n铁磁体在低于一定温度Tc时，内部存在许多自发磁化的小区域，称为磁畴，磁畴具有磁有序结构，同一磁畴内分子磁矩同向。n无外磁场时不同磁畴的取向作无规则分布，宏观上不显示磁性；在外磁场作用下磁畴转向，宏观体积内的总磁矩不为零，内部可产生与外磁场方向一致的、比外磁场要强得多的附加磁场。外磁场撤去后仍保留部分磁化强度。n铁磁体还具有磁滞现象。铁磁体属强磁物质，是应用最广的磁介质。具有极高的磁化率，磁化易达到饱和的物质。如Fe，Co， Ni， Gd等金属及其合金称为铁磁性物质。 磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 铁磁性铁磁性 m= 10-2 106磁场磁场 铁磁性物质：

26、铁磁性物质： 反铁磁体内由于原子之间的相互作用使之与铁磁体一样具有磁有序结构，相邻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发磁化磁矩，此种性质称为反铁磁性。反铁磁体具有较大的顺磁磁化率，在一定温度TN处存在磁化率的峰值，温度大于TN时反铁磁性消失而成为顺磁体，临界温度TN称为奈耳温度。在奈耳温度TN处，反铁磁体的热胀系数和比热容等均发生突变。许多金属如铁、钴、镍、锰等的氧化物是反铁磁体。反铁磁体反铁磁体:FeO，FeF3，NiF3，NiO，MnO，各种锰盐以及部分铁氧体ZnFe2O4等，它们相邻原子的磁矩反向平行，而且彼此的强度相等，没有磁性。反铁磁性反铁磁性 m= 10-2

27、10-5磁场磁场 磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 反铁磁性物质：反铁磁性物质： 亚铁磁性与反铁磁性具有相同的物理本质，只是亚铁磁体中反平行的自旋磁矩大小不等，因而存在部分抵消不尽的自发磁矩，类似于铁磁体。温度高于某一数值Tc时，亚铁磁体变为顺磁体，Tc称居里温度。铁氧体大都是亚铁磁体。 亚铁磁体亚铁磁体:亚铁磁性物质亚铁磁性物质磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 亚铁磁性亚铁磁性 m= 10-2 106磁场磁场 如铁氧体(M2+Fe23+O4)等，是一些复杂的金属化合物，比铁磁体更常见。它们相邻原子的磁矩反向平行，但彼此的强度不相等，具有高磁化率和居里温度。n磁畴已被实

28、验观察所证实。从对磁畴组织的观察中，可以看到有的磁畴大而长，称为主畴，其自发磁化方向必定沿晶体的易磁化方向；小而短的磁畴叫副畴，其磁化方向就不一定是晶体的易磁化方向。 磁畴壁的种类 n相邻磁畴的界限称为磁畴壁，可分为两种，一种为180磁畴壁，另一种称为90磁畴。 n技术磁化过程，就是外加磁场对磁畴的作用过程，也就是外加磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向的过程。它与自发磁化有本质的不同。n技术磁化是通过两种形式进行的，一是磁畴壁的迁移，一是磁畴的旋转。n磁化曲线和磁滞回线是技术磁化的结果。磁性物质因磁化产生的磁场是不会无限制增加的，当外磁场(或激励磁场的电流)增大到一定程度时，全部磁畴都会转

29、向与外场方向一致。这时的磁感应强度将达到饱和值。（1）磁化曲线）磁化曲线磁饱和性磁饱和性HBB0BBJO磁 化 曲 线磁 化 曲 线B B0 0 是真空情况下的磁感应强度是真空情况下的磁感应强度BJ 是磁化产生的磁感应强度是磁化产生的磁感应强度B 是介质中的总磁感应强度。是介质中的总磁感应强度。退磁状态对于铁磁性材料，B与H不成正比，因为材料的磁化过程与磁畴磁矩改变方向有关。技术磁化n磁铁磁性材料的不是常数，而是随H变化。n对在弱磁场下工作的软磁材料，如信号变压器、电感器的铁芯等，希望具有较大的i （起始磁导率） ，这样可在较小的H下产生较大的B，在弱磁场区H曲线存在的极大值m （最大磁导率）

30、。n对在强磁场下工作的软磁材料，如电力变压器、功率变压器等则要求有较大的m。1）当无外施磁场（退磁状态），具有不同磁化方向的磁畴的磁矩大体可以互相抵消，样品对外不显磁性。2）在外磁场强度不太大时，畴壁发生移动，使与外磁场方向一致的磁畴范围扩大，其他方向的相应缩小，直到磁矩都向外磁场H方向排列，处于饱和状态，此时饱和磁感应强度用BS。3）H再增加，B增加极其缓慢，磁化强度的微小提高主要是由于外磁场克服了部分热骚动能量，使磁畴内部各电子自旋方向逐渐都和外磁场方向一致造成的。（2）磁滞回线）磁滞回线-磁滞性磁滞性磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁滞性。如图为磁性物质的滞回曲线。要使剩磁消失，通

31、常需进行反向磁化。将 B=0时的 H 值称为 Hc，（见图中3和6所对应的点。）在铁心线圈通有交变电流时，铁心将产生交变磁场。在电流变化一次时，B随H而变化的关系如图所示。从图中可以看出，当H减少为零时，B 并未回到零值，出现剩磁Br。123456BHOBSBrHC铁磁体磁化到技术饱和以后，使它的磁化强度降铁磁体磁化到技术饱和以后，使它的磁化强度降低到零所需要的反向磁场称为矫顽力。低到零所需要的反向磁场称为矫顽力。 特征参数：特征参数：（1）BS;（2）Br;（3）Hc 决定于材料的组成（化学组成和相组成），而且还受显微组织的粗细、形态和分布等因素的强烈影响，即与材料的制造工艺密切相关。(1)

32、软磁材料软磁材料其矫顽磁力较小，磁滞回线较窄。(铁心)(2)永磁材料永磁材料其矫顽磁力较大，磁滞回线较宽。(磁铁)(3)矩磁材料矩磁材料其剩磁大而矫顽磁力小，磁滞回线为矩形。(记忆元件)HBHBHB根据滞回曲线和磁化曲线的不同，物质可分成根据滞回曲线和磁化曲线的不同，物质可分成三类：三类：n磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性：磁性材料在交变磁场，甚至脉冲磁场作用下的性能。与静态磁化不同，除考虑B与H有关系外，还要考虑磁化状态转变时所需的时间。5.4 5.4 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性n交流磁化交流磁化：H周期性对称变化，B也周期性对称变化，变化一周期构成交流磁滞回线。交流磁化处于非

33、平衡状态，磁滞回线表现为动态特性，其形状介于直流磁滞回线和椭圆间。n磁化场振幅不变时，提高频率，则回线将逐渐变为椭圆形。n在交流磁化过程中，不同的交流幅值磁场强度Hm可有不同的交流回线，各交流回线顶点的轨迹，称为交流磁化曲线交流磁化曲线。n极限交流回线极限交流回线：确定材料的饱和磁感应强度Bs，交流剩余磁感应强度Bra，交流饱和矫顽力Hcs。幅值磁感应强度幅值磁场强度n瑞利磁滞回线瑞利磁滞回线：当外磁场的振幅不大时，得到的在原点附近具有正负对称变化的磁滞回线。n磁滞损耗磁滞损耗：磁滞回线所包围的面积。n瑞利常数瑞利常数：磁化过程中能量不可逆部分的大小。n涡流涡流：当铁磁材料进行交变磁化时，铁磁

34、导体内的磁通量也将发生相应变化，将在铁磁导体内产生垂直于磁通量的环形感应电流。n涡流损耗涡流损耗：涡流产生的损耗。涡流大小与材料的电阻率成反比。n均匀磁化时，单位体积内的损耗为：n非均匀磁化时，单位体积内的损耗为： n趋肤效应趋肤效应：磁场只存在于铁磁体表层（涡流屏蔽效应）。n磁性材料的磁畴壁处还会出现微观的涡电流。涡电流的流动产生与外磁场产生的磁通方向相反的磁通，越到材料内部，这种反向作用越强，致使磁感应强度和磁场强度沿样品界面严重不均匀。因此，铁磁体内的实际磁场总是要滞后于外磁场（涡流对磁化的滞后效应）。若交变磁场的频率交变磁场的频率很高很高，而铁磁导体的电阻率又较小铁磁导体的电阻率又较小

35、，则可能出现材料内部无磁场。n金属软磁材料要轧成薄带使用即减少涡流作用。磁后效应磁后效应：磁性材料受到外磁场阶跃变化时，其磁感应强度缓慢趋近稳定值的现象。n里希特后效里希特后效：杂质原子扩散引起的可逆后效，与温度和频率关系密切。非晶态合金的弛豫时间（磁后效进行所需时间）与材料的稳定性密切相关。n约旦后效约旦后效：由热起伏引起的不可逆后效，几乎与温度和磁化场的频率无关。n减落减落：永磁材料剩磁随时间推移逐渐变小的磁后效现象。约旦磁后效。磁后效系数磁后效系数：随温度升高就变大，加热使磁化强度达到稳定。微分磁导率微分磁导率：磁化曲线陡峭部分磁后效最严重磁化强度变化与时间的对数成正比n铁磁材料在交变磁

36、场作用下的磁性与它在静磁场作用下的磁性有很大不同，区别在： （1）磁导率：材料在静磁场中的磁导率是一常数，但在交变磁场中存在磁滞效应、涡流效应、磁后效应和畴壁共振等，使材料在交变磁场中的磁感应强度落后于外加磁场一个相位角。因而交变（动态）磁化时的磁导率为一复数。 （2）各向同性的铁磁材料在交变磁场（尤其是高频场）中，往往处于交变磁场和交变电场的同时作用下，而铁磁材料往往又是电介质（如铁氧体），因而处在交变电磁场中的铁磁材料常常同时显示其铁磁性和介电性。 n实部是与H同相位的，储存能量的弹性磁导率；虚部”是比H落后90，损耗磁导率。n总磁导率或幅磁导率：n复数磁导率：n由于”的存在，B落后于H，

37、引起铁磁体在动态磁化过程中不断地耗能，处于均匀交变磁场中的单位体积铁磁体单位时间的平均能耗为：n交变磁场在铁磁体内的储能密度为：n铁磁材料的品质因子：n磁损耗系数（损耗角正切）：n磁导率减落磁导率减落：起始磁导率随时间发生降落。由电子或离子扩散后效造成。P199温度越高，扩散速度越快，i随时间的减落越快。n减落系数减落系数：n磁共振损耗磁共振损耗：磁损耗随频率变化，在某一频率下出现明显增大的损耗。n自然共振自然共振：由磁各向异性场形成的共振。材料中的微观磁化强度绕着磁各向异性场进动，进动的频率为：n当进动的频率与高频磁场的频率一致时，出现自然共振。n尺寸共振尺寸共振：当磁性材料的尺寸为波长的整

38、数倍或半整数倍时，将形成驻波发生共振损耗。共振损耗的频率与材料的尺寸有关。2/kHf ：旋磁系数n具有小Hc值、高i的瘦长形磁滞回线的材料，适宜作软磁材料。n具有大的Mr和Hc、低i的短粗形磁滞回线的材料适宜作硬磁（永磁）材料。5.5 5.5 磁性材料及其应用磁性材料及其应用n而Mr/Ms接近于1的矩形磁滞回线的材料，即矩磁材料则可作为磁记录材料。n一、软磁材料特征值一、软磁材料特征值n1、磁导率n一般希望值越高越好。但值高的磁性材料在很低频率时出现自然共振、畴壁共振现象，在高频使用时，将有很大的铁磁共振损耗。要根据磁性材料的应用目的选用材料起始磁导率i和最大磁导率m。i值高的材料m亦较高，i

39、值是软磁材料的主要参数之一。n2、品质因数Q值nQ值是损耗角正切的倒数，即nQ=1/tan=/” n一般用Q或tan/i来表示材料的质量指标或损耗指标。n3、值的温度系数n值的温度（T2T1）系数可用下式表示：12112TT1121ADn4、减落DAn在恒定温度下，经过一定的时间间隔，磁性材料的磁导率相对减少，其减少值表示为n5、铁损、铁损n铁损是指磁性材料在交变磁场中反复磁化所消耗的功率。由磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗组成。n每磁化一周所消耗的能量正比于磁滞回线的面积，这种能量损失称为磁滞损耗。n按照电磁感应定律，铁磁材料在交变磁场中磁化，材料内磁通量发生变化时，在磁通的周围会产生感应电动势

40、，因铁磁材料是导电物质，感应电动势将在垂直于磁通方向的截面上感应出闭合的涡流电流。由它所引起的焦耳损失称为涡流损耗。提高电阻率可降低涡流损耗。n剩余损耗是指磁滞损耗和涡流损耗外的其他损耗，包括驰豫损耗、畴壁共振损耗和自然共振损耗。n6、矫顽力Hcn软磁材料在对称周期磁化条件下，磁感应强度B=0时所相应的磁化场强度称为矫顽力Hc。n7、饱和磁感应强度Bsn在磁化场足够强的情况下，软磁材料可能达到的最大磁感应强度称为饱和磁感应强度。n8、剩余磁感应强度Brn软磁材料经一定强度的磁场磁化后，再将磁场强度减至零，此时材料内所剩的磁感应强度，称为剩余磁感应强度，通常简称为剩磁Br。Br不仅与材料本身有关

41、，而且与材料的磁化过程有关。n9、复数磁导率n在交变电磁场中，磁导率既要反映导磁能力的大小，还要表现出B和H间存在的相位差。n复数磁导率=-j”22)()(n复数磁导率的模称为总磁导率或振幅磁导率。n为弹性磁导率，代表了磁性材料中储存能量的磁导率；把”称为粘性磁导率（或损耗磁导率），它与磁性材料磁化一周的损耗有关。n磁感应强度相对于磁场强度落后的相位角的正切称为损耗角正切，即ntan=”/ntan的倒数称为软磁材料的品质因数。n综上所述，复数磁导率的实部与铁磁材料在交变磁场中储能密度有关，而虚部”却与材料在单位时间内损耗的能量有关。Mn-Zn、Li-Zn铁氧体、铁氧体、Ni-Zn、NiCuZn

42、 铁氧体、铁氧体、MnFe2O4 、 NiFe2O4按按磁特性磁特性分类分类:高磁感材料、高导磁材料、高矩高磁感材料、高导磁材料、高矩形比材料、恒导磁材料、温度补偿材料等形比材料、恒导磁材料、温度补偿材料等.按按材料成分材料成分分类分类:电工纯铁、电工纯铁、Fe-Si合金、合金、Ni-Fe合金、合金、Fe-A1合金合金(包括包括Fe-Si-Al合金合金)和和Fe-Co合合金等金等.按按晶形晶形分类分类:晶态、非晶态及纳米晶软磁材料等。晶态、非晶态及纳米晶软磁材料等。n常用的软磁材料有纯铁、硅钢片、铁镍合金、软磁铁氧体等。n1、电工用纯铁：一种含碳量低、含铁量99.95%以上的软钢。n2、硅铁合

43、金：在纯铁中加入0.38%4.5%硅，使之形成固溶体，可以提高材料电阻率，减少涡流损耗，这种材料称为硅铁合金。n3、镍铁合金：主要是含镍量为30%90%的镍铁合金，通常称坡莫合金。n4、软磁铁氧体：铁氧体材料中的一种，是一种容易磁化和退磁的铁氧体。常用的软磁铁氧体有镍锌铁氧体和锰锌铁氧体。 （1 1）（2 2）n非晶态磁性合金指的是内部原子呈非晶态磁性合金指的是内部原子呈无长程有序排无长程有序排布布并具有优异磁特性的合金并具有优异磁特性的合金。n在非晶态合金材料中，不存在磁晶各向异性问题。 n非晶态磁性合金的关键技术是制备工艺。把液态金属做到固体状态即可.n非晶态磁性合金有如下特性：n磁导率和

44、矫顽力与铁镍合金基本相同。n电阻率比一般软磁合金材料大（130cm）。n磁致伸缩特性好。n具有良好的抗腐蚀性，机械抗拉强度和韧性。n容易得到比铁镍合金还要薄的薄膜。n非晶态磁性合金的问题是温度对磁的不稳定性影响比较大。n非晶态磁性合金主要有过渡金属和类金属合金、稀土元素与过渡金属合金、过渡金属与过渡金属合金三类。n非晶态磁性合金的一个很重要特征值是饱和磁致饱和磁致伸缩系数伸缩系数s。s指的是磁场强度加到一定数值后，即当H=Hs，磁化强度达到饱和值Ms时，材料不再继续伸长或缩短，此时的伸缩比l/l，即s。一般来说，s越小，非晶态合金的磁性能越好。n非晶态磁性合金的应用，国内外都有较大进展。磁化后

45、不易退磁，而能长磁化后不易退磁，而能长期保留磁性的铁氧体材料期保留磁性的铁氧体材料称为称为硬磁材料硬磁材料，因而也称，因而也称永磁材料永磁材料或或恒磁材料恒磁材料。磁。磁滞 回 线 包 围 面 积 大 ，滞 回 线 包 围 面 积 大 ，(Hc400A/m) 矫顽力大。矫顽力大。 图 硬磁材料和软磁材料的磁滞回线形状 n更为确切的方法是用磁滞回线形状区分硬磁材料和软磁材料n一、硬磁材料特征值一、硬磁材料特征值n永久磁铁受到的退磁场作用与外加磁场的方向相反。因此，永磁体的工作点将从剩磁Br点移到磁滞回线第二象限，即退磁曲线的某一点上，如图64所示，永久磁铁的实际工作点用D表示。图 永磁材料的磁化

46、曲线和退磁曲线 n硬磁材料性能好坏，应该由退磁曲线上的有关物理量来衡量，其特征值如下。 n1、剩磁Br和表观剩磁BDn磁性材料被磁化到相应最大磁化场Hs后，再使该磁化场为零时所剩留的磁感应强度称为剩余磁感应强度，简称剩磁，用Br表示，单位T。在工作状态下，永久磁铁的工作点在退磁场作用下将从Br点移到D点，这时永磁体所具有的剩余磁感应强度称为表观剩磁表观剩磁BD。n2、矫顽力Hcn永磁材料的矫顽力Hc有两种定义：一个是使磁感应强度B=0所需的磁场值，用BHc或Hc表示；一个是使磁化强度M=0所需的磁场值，常用MHc表示。n3、最大磁能积(BH)max和凸出系数n最大磁能积在数值上等于退磁曲线上各

47、点所对应的磁感应强度和磁场强度乘积中的最大值。当硬磁材料的工作点位于退磁曲线上具有(BH)max的那一点时，为了提供相同的磁能所需要的材料体积将最小。材料(BH)max的越大，永磁体性能越好。 n另外，退磁曲线的形状与磁能积大小有密切关系。退磁曲线的凸出程度和磁能积有关。如果有两种不同的材料，虽然Br和Hc值都相同，但由于它们的退磁曲线形状不同，它们的(BH)max也不同。退磁曲线凸出程度越大，则磁能积就越大。退磁曲线的凸出程度可用凸出系数表示 ：n=(BH)max/BrHc 图65 永磁体的Br在外磁场作用下的变化（回复曲线） n4、回复磁导率revn图65所示，如果一块永磁材料去掉磁化场之

48、后，剩磁Br在纵坐标轴上A点位置上，当受外界各种因素影响时，永磁体的剩磁沿着退磁曲线降到某一位置M。这些影响相当于退磁场的作用，当这些退磁场除去之后，磁性不再回复到A位置，而是到一个新的位置M。n如果循环地改变在MM之间的退磁场，永磁体特性将按照回复曲线来改变。这时得到一个狭窄的局部磁滞回线。因为回线的面积很小，通常可用回复曲线来代替，并用仰角的正切表示它的特性，被称为回复磁导率rev，以下式来表示：nrev=B/H=tan n5、稳定性n硬磁材料的稳定性是指它的有关磁性能在长时间使用过程中或者受到温度、外磁场、冲击、振动等外界因素影响时保持不变的能力。用变化率来表示：%100ZZn二、硬磁材

49、料的种类和应用二、硬磁材料的种类和应用n硬磁材料分成以下几类：铸造硬磁合金；可变形硬磁合金；硬磁铁氧体；稀土硬磁合金。n稀土硬磁合金包括稀土钴和稀土铁系金属间化合物，为硬磁材料中性能最高的一类。最早的稀土硬磁合金是稀土钴磁铁。第一代永磁材料：RCo5，(BH)max为195.9222.9kJ/m3。第二代永磁材料：R2Co17， (BH)max为297.7kJ/m3。第三代永磁材料：Nd-Fe-B合金， (BH)max 390kJ/m3。其最大缺点是居里温度较低、温度稳定性和环境稳定性较差。第四代永磁材料主要有Sm2Fe17Cx、Sm2Fe17Nx、Sm-Fe-Ti等， (BH)max的理论值

50、高达450kJ/m3。n铁氧体是铁元素与氧化合形成的各种类型的化合物，属亚铁磁性材料中特别重要的一类。n实用的铁氧体大多数是软磁的，也有硬磁的。n铁氧体的晶体结构主要有尖晶石型、磁铅石型及石榴石型三种。n铁氧体的磁化强度比不上金属磁性材料，但其高电阻率，大大降低了涡流损耗，使之在无线电、高频、微波、脉冲等领域的应用得到迅速发展。n铁氧体还具有效率高、体积小、价格低等特点。n铁氧体的制备、基本磁性的研究和应用十分成熟。 MgAl2O4的晶体结构的晶体结构Al16Mg8O3232个氧个氧离子构离子构成成64个个四面体四面体间隙间隙,即即A位位;和和32个八个八面体间面体间隙隙,即即B位位.尖晶石型