1、第一章第一章 磁学基础知识磁学基础知识1.1 磁化率和磁导率磁化率和磁导率 对置于外磁场中的磁体有：对置于外磁场中的磁体有：M=H 称为磁体的磁化率称为磁体的磁化率 B=0(H+M)=0(H+H)=0(1+)H 定义：定义：=1+相对磁导率相对磁导率 =B/0H *表征磁体的磁性、导磁性及磁化难易程度的一个磁学量表征磁体的磁性、导磁性及磁化难易程度的一个磁学量。在不同的磁化条件下，磁导率有不同的表达形式在不同的磁化条件下，磁导率有不同的表达形式(1)(1)起始磁导率起始磁导率i HBHi00lim1磁中性状态下磁导率的极限值，实验上等于磁中性状态下磁导率的极限值，实验上等于B-H曲线在原点曲线
2、在原点O处切线的斜率除以处切线的斜率除以0(2)(2)最大磁导率最大磁导率max max0max)(1HB(3)(3)复数磁导率复数磁导率 磁体在交变磁场中磁化时，磁体在交变磁场中磁化时，B和和H之间存在相位差，只能用之间存在相位差，只能用复数表示。它们在复数表示法中的商也同样是一个复数。复数表示。它们在复数表示法中的商也同样是一个复数。(4)(4)增量磁导率增量磁导率 HB01 i磁体在稳恒磁场磁体在稳恒磁场H0作用下，叠一个较小的交变磁场，表现作用下，叠一个较小的交变磁场，表现出来的磁导率为增量磁导率。出来的磁导率为增量磁导率。B、H分别为交变磁感应强分别为交变磁感应强度和交变磁场强度的峰
3、值。度和交变磁场强度的峰值。(5)(5)可逆磁导率可逆磁导率 rev (6)(6)微分磁导率微分磁导率diff dHdB0diff10revlimH起始磁化曲线上任一点的斜率被称为微分磁化率。起始磁化曲线上任一点的斜率被称为微分磁化率。(7)(7)不可逆磁导率不可逆磁导率irr revdiffirr不可逆磁导率是由不可逆磁化而引起的。不可逆磁导率是由不可逆磁化而引起的。(8)(8)总磁导率总磁导率 tot 连接原点连接原点O与起始磁化曲线上任一点的直线的斜率被称为总与起始磁化曲线上任一点的直线的斜率被称为总磁导率。磁导率。*不管哪种磁导率，其值都不是常数，而是不管哪种磁导率，其值都不是常数，而
4、是H的函数。的函数。1.2 磁性和磁性材料的分类磁性和磁性材料的分类所有的物质都具有磁性，但并不是所有的物质都能所有的物质都具有磁性，但并不是所有的物质都能作为磁性材料来应用。有些物质具有很强的磁性，作为磁性材料来应用。有些物质具有很强的磁性，而大部分物质磁性很弱，因此实际上只有很少一部而大部分物质磁性很弱，因此实际上只有很少一部分物质能够作为磁性材料来应用。分物质能够作为磁性材料来应用。1.2.1 物质的磁性分类物质的磁性分类按照磁体磁化时磁化率的大小和符号，可以将物质的按照磁体磁化时磁化率的大小和符号，可以将物质的磁性分为五个种类：磁性分为五个种类：抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁抗磁性、顺磁
5、性、反铁磁性、铁磁性和亚铁磁性。磁性和亚铁磁性。1.2.2 磁性材料分类磁性材料分类从实用的观点出发，磁性材料可以分为以下几类：从实用的观点出发，磁性材料可以分为以下几类：软磁材料、永磁材料、信磁材料、特磁材料软磁材料、永磁材料、信磁材料、特磁材料1.3 磁性材料中的基本现象磁性材料中的基本现象1.3.1 磁晶各向异性磁晶各向异性定义：对于单晶材料，其磁化曲线随晶轴方向的不同定义：对于单晶材料，其磁化曲线随晶轴方向的不同而有所差别，即磁性随晶轴方向显示各向异性。而有所差别，即磁性随晶轴方向显示各向异性。*磁晶各向异性存在于所有铁磁性晶体中磁晶各向异性存在于所有铁磁性晶体中。Ni单晶的磁化曲单晶
6、的磁化曲线线*易磁化方向（易轴）易磁化方向（易轴）；难磁化方向（难轴）；难磁化方向（难轴）一、磁晶各向异性能一、磁晶各向异性能铁磁体从退磁状态磁化到饱和，需要付出的磁化功为：铁磁体从退磁状态磁化到饱和，需要付出的磁化功为：)0()(000FMFdFdMHMM沿铁磁晶体不同晶轴方向磁化时所增加的自由能不同，沿铁磁晶体不同晶轴方向磁化时所增加的自由能不同，称这种与磁化方向有关的自由能为称这种与磁化方向有关的自由能为磁晶各向异性能磁晶各向异性能。*说明：铁磁体中的自发磁化强度和磁畴的分布取向说明：铁磁体中的自发磁化强度和磁畴的分布取向不会是任意的，而是取向于磁晶各向异性能最小的各不会是任意的，而是取
7、向于磁晶各向异性能最小的各个易磁化轴的方向上。个易磁化轴的方向上。Why?Why?(1)立方晶系立方晶系K1、K2为立方晶体磁晶各向异性常数，可通过实验来测定。为立方晶体磁晶各向异性常数，可通过实验来测定。i为为MS对于对于x、y、z轴的方向余弦。轴的方向余弦。0100KF4/1110KFK27/3/21111KKFKFe：易轴为易轴为100，故，故K10Ni：易轴为易轴为111，故，故K10二、磁晶各向异性等效场二、磁晶各向异性等效场*无外场时磁畴内的磁矩倾向于沿易轴方向取向，就好像在易无外场时磁畴内的磁矩倾向于沿易轴方向取向，就好像在易磁化方向存在一个磁场，把磁矩拉了过去。它并不是真实存在
8、磁化方向存在一个磁场，把磁矩拉了过去。它并不是真实存在的磁场，而是把磁晶各向异性能的作用等效为一个磁场作用。的磁场，而是把磁晶各向异性能的作用等效为一个磁场作用。求法：磁体在磁晶各向异性等效场中的磁场能磁晶各向异性求法：磁体在磁晶各向异性等效场中的磁场能磁晶各向异性能能等效场等效场*六角晶体（易轴为六角晶体（易轴为0001）*立方晶体：易轴立方晶体：易轴100 易轴易轴111三、磁晶各向异性起源三、磁晶各向异性起源*晶体场晶体场电子轨道角动量淬灭电子轨道角动量淬灭电子的轨道运动失去了电子的轨道运动失去了自由状态下的各向同性，变成了与晶格相关的各向异性自由状态下的各向同性，变成了与晶格相关的各向
9、异性电子云分布各向异性电子云分布各向异性*电子的自旋运动与轨道运动之间存在耦合作用电子的自旋运动与轨道运动之间存在耦合作用电子电子轨道运动随自旋取向发生变化轨道运动随自旋取向发生变化磁晶各向异性来源模型磁晶各向异性来源模型（a）磁体水平磁化时，电子云交叠少，交换作用弱磁体水平磁化时，电子云交叠少，交换作用弱（b）磁体垂直磁化时，由于磁体垂直磁化时，由于L-S耦合作用，电子云随自旋耦合作用，电子云随自旋取向而转动，电子云交叠程度大，交换作用强取向而转动，电子云交叠程度大，交换作用强1.3.2 磁致伸缩磁致伸缩定义：磁性材料由于磁化状态的改变，其长度和体积定义：磁性材料由于磁化状态的改变，其长度和
10、体积都要发生微小的变化。都要发生微小的变化。一、磁致伸缩效应一、磁致伸缩效应线磁致伸缩：纵向磁致伸缩、横向磁致伸缩线磁致伸缩：纵向磁致伸缩、横向磁致伸缩体积磁致伸缩体积磁致伸缩很小，可忽略很小，可忽略磁致伸缩系数：磁致伸缩系数：ll/的大小与的大小与H的大小有关的大小有关 S：饱和磁致伸缩系数饱和磁致伸缩系数 S0 正磁致伸缩；正磁致伸缩；S0时，畴壁开始移动，磁场能下降，畴壁能增加，二者平衡时，畴壁开始移动，磁场能下降，畴壁能增加，二者平衡oa一段：为可逆畴壁位移磁化阶段一段：为可逆畴壁位移磁化阶段ae一段：为不可逆畴壁位移磁化阶段一段：为不可逆畴壁位移磁化阶段*以存在应力起伏分布的以存在应
11、力起伏分布的180o畴壁为例畴壁为例:lMSSir3420*ir比比 i大很多，提高大很多，提高 ir的途径类似的途径类似 i1.5.4 可逆磁畴转动磁化过程可逆磁畴转动磁化过程*磁畴转动过程中总的自由能磁畴转动过程中总的自由能*畴转磁化过程中的平衡方程式畴转磁化过程中的平衡方程式*物理意义：畴转过程中，当铁磁体内磁位能降低的物理意义：畴转过程中，当铁磁体内磁位能降低的数值与磁晶各向异性能、磁应力能和退磁场能增加的数值与磁晶各向异性能、磁应力能和退磁场能增加的数值相等时，畴转磁化处于平衡状态。数值相等时，畴转磁化处于平衡状态。一、由磁晶各向异性控制的可逆畴转磁化一、由磁晶各向异性控制的可逆畴转
12、磁化*畴转磁化方程畴转磁化方程*以单轴六角晶系为例得以单轴六角晶系为例得1202USiKM二、由应力控制的可逆畴转磁化二、由应力控制的可逆畴转磁化*畴转磁化方程畴转磁化方程*求得求得SSiM320*实际中材料内部往往同时存在磁晶各向异性能和磁弹实际中材料内部往往同时存在磁晶各向异性能和磁弹性能，这些因素都会对磁畴转动构成阻力。性能，这些因素都会对磁畴转动构成阻力。*可逆磁畴转动磁化过程中影响起始磁导率的因素有：可逆磁畴转动磁化过程中影响起始磁导率的因素有：(1)材料的材料的MS，MS越大，越大，i越高；越高；(2)材料的材料的K1和和 S，K1和和 S越小，越小，i越高；越高；(3)材料的内应
13、力材料的内应力，材料内部的晶体结构越完整均匀，材料内部的晶体结构越完整均匀，产生的内应力越小，产生的内应力越小，i越高；越高；1.5.5 不可逆磁畴转动磁化过程不可逆磁畴转动磁化过程*实现不可逆畴转一般需要较强的磁场，因此通常铁磁实现不可逆畴转一般需要较强的磁场，因此通常铁磁体内的不可逆磁化主要是由畴壁位移引起的。对于单体内的不可逆磁化主要是由畴壁位移引起的。对于单畴颗粒来说，只能是不可逆畴转。畴颗粒来说，只能是不可逆畴转。*导致可逆畴转和不可逆畴转的原因是铁磁体内存在导致可逆畴转和不可逆畴转的原因是铁磁体内存在着广义的各向异性能的起伏变化。着广义的各向异性能的起伏变化。*下图为具有单轴各向异
14、性的铁磁体的可逆与不可逆下图为具有单轴各向异性的铁磁体的可逆与不可逆畴转磁化过程。畴转磁化过程。*从能量角度从能量角度HKFFF*以单轴各向异性晶体为例，畴转磁化方程为以单轴各向异性晶体为例，畴转磁化方程为*如果畴转磁化过程处于稳定平衡状态，则必须满足条件如果畴转磁化过程处于稳定平衡状态，则必须满足条件*如果处于非稳定平衡状态，则有如果处于非稳定平衡状态，则有*由稳定平衡状态转为不稳定状态的分界点是由稳定平衡状态转为不稳定状态的分界点是*不可逆畴转的磁化率不可逆畴转的磁化率120USirKM1.6 动态磁化动态磁化1.6.1 动态磁化过程动态磁化过程*静态磁化过程：静态磁化过程：磁场恒定磁场恒
15、定，样品从一个稳定磁化状态转变样品从一个稳定磁化状态转变到新的平衡状态。不考虑建立新的平衡过程的到新的平衡状态。不考虑建立新的平衡过程的时间时间问题，因此问题，因此称之为称之为静态静态磁化过程。磁化过程。不可逆磁化导致磁滞现象，每个磁化状态都处于亚稳不可逆磁化导致磁滞现象，每个磁化状态都处于亚稳态，且磁化状态不随时间改变。态，且磁化状态不随时间改变。*动态磁滞回线：动态磁滞回线：铁磁体在周期性变化的交变磁场中时，其铁磁体在周期性变化的交变磁场中时，其磁化强度也周期性地反复变化，构成动态磁滞回线。磁化强度也周期性地反复变化，构成动态磁滞回线。在相同的磁场强度范围内，动态磁滞回线的面积比静在相同的
16、磁场强度范围内，动态磁滞回线的面积比静态磁滞回线的面积要大些。态磁滞回线的面积要大些。原因：回线面积等于磁化一周所损耗的能量。原因：回线面积等于磁化一周所损耗的能量。静态静态仅有磁滞损耗；动态仅有磁滞损耗；动态磁滞损耗、涡流损耗、剩余损耗。磁滞损耗、涡流损耗、剩余损耗。*动态磁化曲线：动态磁化曲线：频率不变，改变磁场强度的大小，可得一系频率不变，改变磁场强度的大小，可得一系列动态磁滞回线，它们的顶点列动态磁滞回线，它们的顶点(Bm,Hm)连线称为动态磁化曲线。连线称为动态磁化曲线。振幅磁导率：振幅磁导率：mmaHB0/如下图，最大的回线为动态饱和磁滞回线，如下图，最大的回线为动态饱和磁滞回线，
17、BS和和HS则则为饱和状态下饱和磁感应强度和相应的磁场强度，为饱和状态下饱和磁感应强度和相应的磁场强度，Br和和HC为剩余磁感应强度和矫顽力。为剩余磁感应强度和矫顽力。动态磁滞回线的形状与交变磁场的峰值动态磁滞回线的形状与交变磁场的峰值Hm以及频率有关。实验以及频率有关。实验表明，当交变磁场强度减小或增加交变磁场频率时，动态磁滞回表明，当交变磁场强度减小或增加交变磁场频率时，动态磁滞回线的形状将逐渐趋近于椭圆。线的形状将逐渐趋近于椭圆。50 m厚的钼坡莫合金片在三种不同频率下的动态磁滞回线厚的钼坡莫合金片在三种不同频率下的动态磁滞回线*随频率的增大，动态磁滞回线逐渐变为椭圆形状。因随频率的增大
18、，动态磁滞回线逐渐变为椭圆形状。因此对于通常使用的弱场高频条件，可用椭圆形状来近此对于通常使用的弱场高频条件，可用椭圆形状来近似地表示铁磁材料的动态磁滞回线。似地表示铁磁材料的动态磁滞回线。*假设假设H是正弦周期性变化，则是正弦周期性变化，则B也是正弦周期性变化，也是正弦周期性变化，但在时间上落后一个相位差但在时间上落后一个相位差。*磁化的时间效应表现为以下几种不同的现象：磁化的时间效应表现为以下几种不同的现象：1)磁滞现象磁滞现象：交变磁场中的磁化是动态过程，有时间效应。交变磁场中的磁化是动态过程，有时间效应。2)涡流效应涡流效应：动态磁化中，铁磁材料内部会形成涡流。涡流动态磁化中，铁磁材料
19、内部会形成涡流。涡流的产生将抵抗的产生将抵抗B的变化，从而使磁化产生时间滞后效应。的变化，从而使磁化产生时间滞后效应。3)磁导率的频散和吸收现象磁导率的频散和吸收现象：交变磁场中，畴壁位移或磁交变磁场中，畴壁位移或磁畴转动受到各种不同性质的阻尼作用，导致复数磁导率随磁场畴转动受到各种不同性质的阻尼作用，导致复数磁导率随磁场频率变化。频率变化。4)磁后效磁后效：当当H发生突变时，发生突变时，B的变化需经过一定的时间才能的变化需经过一定的时间才能稳定下来。这种现象是由于磁化过程本身或热起伏的影响，引稳定下来。这种现象是由于磁化过程本身或热起伏的影响，引起材料内部磁结构或晶体结构的变化。起材料内部磁
20、结构或晶体结构的变化。*在交变磁场中，以上四种现象都将引起铁磁材料的能量损耗。在交变磁场中，以上四种现象都将引起铁磁材料的能量损耗。1.6.2 动态磁性参数动态磁性参数1、复数磁导率、复数磁导率*好处：可同时反映好处：可同时反映B和和H间的振幅和相位关系。间的振幅和相位关系。timeHH)(timeBB iiHBmmsincos0代表单位体积铁磁材料中的磁能存储代表单位体积铁磁材料中的磁能存储2021H 代表单位体积铁磁材料在交变磁场中每磁化一周的磁能损耗代表单位体积铁磁材料在交变磁场中每磁化一周的磁能损耗20mH 损耗角损耗角复数磁化率复数磁化率 i2、磁谱与截止频率、磁谱与截止频率fr磁谱
21、：铁磁体在交变磁场中的复数磁导率的实部和虚磁谱：铁磁体在交变磁场中的复数磁导率的实部和虚部随频率变化的关系曲线。部随频率变化的关系曲线。截止频率：在材料的磁谱曲线上，截止频率：在材料的磁谱曲线上，下降到初始值的下降到初始值的一半或一半或 达到极大值时所对应的频率。达到极大值时所对应的频率。物理意义：它给出了磁性材料能够正常工作的频率范围物理意义：它给出了磁性材料能够正常工作的频率范围*当当f=fr时，时，达到最大值达到最大值，损耗最大，此时材料无法使用，所损耗最大，此时材料无法使用，所以一般软磁材料的工作频率应选择低于它的截止频率。以一般软磁材料的工作频率应选择低于它的截止频率。*i越低，其越
22、低，其fr越高，因此要提高材料的高频应用范围，降低材越高，因此要提高材料的高频应用范围，降低材料的起始磁导率是一个有效的手段。料的起始磁导率是一个有效的手段。3、品质因数、品质因数Q*Q值反映软磁材料在交变磁化时能量的贮存和损耗的性能。值反映软磁材料在交变磁化时能量的贮存和损耗的性能。4、损耗因子、损耗因子tan 物理意义：铁磁材料在交变磁化过程中能量的损耗与贮存之比。物理意义：铁磁材料在交变磁化过程中能量的损耗与贮存之比。Q1tan 5、Q积积*对软磁材料，总是希望其对软磁材料，总是希望其Q值越高越好，值越高越好，值越大越好，常用值越大越好，常用 Q积来表征软磁材料的技术指标。积来表征软磁材
23、料的技术指标。*或用或用tan/表示，称为软磁材料的比损耗系数，反映材料的相表示，称为软磁材料的比损耗系数，反映材料的相对损耗大小。对损耗大小。*和和可通过交流电桥法进行测量；可通过交流电桥法进行测量；Q值可以用交流电桥或值可以用交流电桥或Q表测量得到；表测量得到；tan 可以通过交流电桥、可以通过交流电桥、Q表、测量位相差表、测量位相差 或测或测量磁损耗的方法得到。量磁损耗的方法得到。1.6.3 磁损耗磁损耗定义：磁性材料在交变磁场中产生能量损耗。定义：磁性材料在交变磁场中产生能量损耗。磁滞损耗涡流损耗剩余损耗（残留损耗）磁滞损耗涡流损耗剩余损耗（残留损耗）*在低频、弱场（在低频、弱场（B0
24、.01T）条件下，磁损耗为：条件下，磁损耗为：e：涡流损耗系数；涡流损耗系数；a：磁滞损耗系数；磁滞损耗系数；c是不依赖于是不依赖于f的常数，的常数，来自由磁后效或频散引起的损耗。来自由磁后效或频散引起的损耗。*总损耗总损耗W既决定于材料，也决定于交变磁场的既决定于材料，也决定于交变磁场的f和和Bm,因此因此讨论讨论W指标时，应注明指标时，应注明f和和Bm。1、涡流损耗、涡流损耗*涡流是在迅速变化的磁场中的导体内部产生的感生电流，涡流是在迅速变化的磁场中的导体内部产生的感生电流，因其流线呈闭合漩涡状而得名。因其流线呈闭合漩涡状而得名。f越高，涡流越大。越高，涡流越大。*涡流不能象导线中的电流那
25、样输送出去，仅使磁芯发涡流不能象导线中的电流那样输送出去，仅使磁芯发热造成能量损耗。热造成能量损耗。*一个周期内材料的涡流损耗一个周期内材料的涡流损耗*如何降低涡流损耗？如何降低涡流损耗？（1）降低材料厚度）降低材料厚度d（2）提高材料的电阻率）提高材料的电阻率*金属材料：金属材料：都较低，通常采用添加合金元素的方法；都较低，通常采用添加合金元素的方法；例子：例子：Fe中加入少量中加入少量Si，可增加磁导率，降低矫顽力，提高，可增加磁导率，降低矫顽力，提高*铁氧体材料：铁氧体材料：很高，适合在高频技术领域应用。很高，适合在高频技术领域应用。2、磁滞损耗、磁滞损耗*若在磁化过程中只存在磁滞损耗，
26、则回线的面积在数若在磁化过程中只存在磁滞损耗，则回线的面积在数值上就等于每磁化一周的磁滞损耗的数值。值上就等于每磁化一周的磁滞损耗的数值。*降低降低Wa的方法：的方法：减小材料的矫顽力减小材料的矫顽力回线变窄回线变窄面积减小面积减小3、剩余损耗、剩余损耗*低频弱场中，主要是磁后效损耗。低频弱场中，主要是磁后效损耗。*高频情况下，主要是尺寸共振损耗、畴壁共振损耗、高频情况下，主要是尺寸共振损耗、畴壁共振损耗、自然共振损耗。自然共振损耗。HdBWa*有些材料在经过动态磁中性化后，其起始磁导率随时有些材料在经过动态磁中性化后，其起始磁导率随时间而降低，最后达到稳定值，这种现象称为磁导率的减间而降低，最后达到稳定值，这种现象称为磁导率的减落，它是磁后效的一种表现形式。落，它是磁后效的一种表现形式。*为了衡量材料磁导率的减落程度，引入减落因子为了衡量材料磁导率的减落程度，引入减落因子DF*减落现象严重时，材料易受环境电磁场的干扰。减落现象严重时，材料易受环境电磁场的干扰。*降低降低Wc的方法：的方法：（1）减少扩散离子浓度，从而抑制离子扩散）减少扩散离子浓度，从而抑制离子扩散过程；（过程；（2）控制产品的成分和制备工艺，使之在应用频率和工）控制产品的成分和制备工艺，使之在应用频率和工作温度范围内避开损耗最大值。作温度范围内避开损耗最大值。
