磁譜分析-動(dòng)態(tài)磁化過程中的磁損耗

1、磁譜分析動(dòng)態(tài)磁化過程中的磁損耗磁譜是指物質(zhì)在弱交變電場(chǎng)中復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的和隨頻率變化的關(guān)系。以鐵氧體的磁譜為例，分析磁譜中所對(duì)應(yīng)的損耗。鐵氧體的磁譜曲線如圖1。10*10*0. I 嚴(yán)/ tHQ圖1鐵氧體的磁譜曲線低頻區(qū)域（f104Hz）低頻區(qū)域磁譜的特點(diǎn)是較高， 較低，而且 和隨頻率f的變化較小，引起損耗的機(jī)理主要是磁滯和磁后效引起的剩余損耗。中頻區(qū)域（f約為104106Hz）中頻磁譜與低頻磁譜較為相似，和 的變化仍很小，但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)由尺寸共振或磁力共振引起的的峰值，尺寸共振和磁力共振與樣品幾何尺寸以及力學(xué)振動(dòng)特性有關(guān)。高頻區(qū)域（f為106108Hz）高頻磁譜的顯著特點(diǎn)是急劇下降，而 迅速增加，

2、這主要是由于疇壁共振或弛豫引起的。超高頻區(qū)域（f為108101）超高頻磁譜的特點(diǎn)是繼續(xù)下降，-1可能出現(xiàn)負(fù)值，而且出現(xiàn)共振峰值，這主要是由于自然共振引起的。鐵氧體典型磁譜曲線可以分為兩部分， 一是低中頻區(qū)，指頻率在1MHz以下 的區(qū)域，影響低頻區(qū)曲線的主要因素是磁滯、磁后效、尺寸共振、磁力共振。在 這個(gè)區(qū)域內(nèi)，磁譜曲線的形狀特點(diǎn)基本上是：、隨變化趨勢(shì)不大。有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)共振型或弛豫型曲線。二是高頻區(qū)，指頻率 f在1061010Hz之間，影響 高頻磁譜曲線的主要因素則是疇壁共振和自然共振。這個(gè)區(qū)域磁譜曲線的形狀的主要特點(diǎn)是出現(xiàn)共振型和弛豫型的磁譜曲線。疇壁共振和自然共振兩個(gè)區(qū)域不一定是截然分開的，

3、又是可以相互重疊。鐵磁體在交變磁場(chǎng)的作用下，由于交變磁場(chǎng)的快速變化，使其磁化狀態(tài)的改 變往往在時(shí)間上落后與交變磁場(chǎng)的變化，以致任何趨于穩(wěn)定的磁化狀態(tài)的建立都 要經(jīng)過一定的時(shí)間以后才能完成，所以鐵磁體在交變磁場(chǎng)中的動(dòng)態(tài)磁化過程要考 慮磁化時(shí)間效應(yīng)，而這主要就是動(dòng)態(tài)磁化過程中的損耗問題。 動(dòng)態(tài)磁化過程中存 在多種損耗，包括渦流損耗、磁滯損耗、剩余損耗以及尺寸共振，疇壁共振、自 然共振引起的損耗。(1) .磁性渦流損耗鐵磁體內(nèi)存在渦流使磁芯發(fā)熱造成能量的損耗稱為渦流損耗。渦流是導(dǎo)體在變化的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)部發(fā)生電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的感應(yīng)電流。 渦流會(huì)引起渦流損耗 We, We ef ,而渦流損耗系數(shù)e d2

4、/ ,其中d為片狀材料的厚度，d為電 阻率。We fd2/ ，對(duì)于渦流損耗的抑制可通過減少片狀材料的厚度d實(shí)現(xiàn)，也可通過在摻雜提高材料的電阻來實(shí)現(xiàn)。 渦流損耗最主要的應(yīng)用是感應(yīng)加熱， 將 被加熱金屬塊體置于高頻變化的電磁場(chǎng)中， 在材料表面就會(huì)形成感應(yīng)渦流，利用 材料本身的內(nèi)阻加熱，就是渦流加熱。與渦流相伴而生的是金屬塊的集膚效應(yīng)。 集膚效應(yīng)是指當(dāng)導(dǎo)體中有交流電或者交變電磁場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布不均 勻，電流集中在導(dǎo)體的 皮膚”部分，也就是說電流集中在導(dǎo)體外表的薄層，越靠 近導(dǎo)體表面，電流密度越大，導(dǎo)線內(nèi)部實(shí)際上電流較小。集膚效應(yīng)產(chǎn)生的原因主 要是變化的電磁場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生了渦旋電場(chǎng)，與原來的

5、電流相抵消。集膚深度ds的物理意義是磁場(chǎng)由表面?zhèn)鞯綐悠穬?nèi)部 x d的深度出，其幅值減為表面幅值 的 1/e。ds kh可見磁導(dǎo)率和頻率的減小時(shí)，有利于減小集膚效應(yīng)。渦流損耗在各個(gè)頻率段 都是存在的，只是隨著頻率的增加，渦流損耗逐漸增強(qiáng)。(2) .磁滯損耗在交變電場(chǎng)下，如果磁場(chǎng)不是很低，頻率也不太高時(shí)，鐵磁體有不可逆的磁 化過程，使磁感應(yīng)強(qiáng)度B落后與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的變化。所謂磁滯損耗是指在不可 逆躍變的動(dòng)態(tài)磁化過程中，克服各種阻尼作用而損耗了外磁場(chǎng)供給的一部分能 量，就是所謂的磁滯損耗。特別是在較高磁場(chǎng)及較高頻率下， 渦流損耗和磁滯損 耗兩者是不容易分離的。(3) .尺寸共振電磁波在鐵磁體中的波長(zhǎng)-

6、當(dāng)樣品的最小尺寸為 /的整數(shù)倍f f .2時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生尺寸共振。樣品的最小尺寸及磁導(dǎo)率受實(shí)際應(yīng)用的限制， 所以要提 高鐵磁體的使用頻率，就要降低介電常數(shù) ，也就是要提高鐵磁體的電阻率 。(4) .疇壁共振動(dòng)態(tài)磁化過程中疇壁具有有效質(zhì)量， 在外磁場(chǎng)作用下，疇壁在移動(dòng)時(shí)受到阻 尼，移出能谷時(shí)具有彈性回復(fù)力。疇壁的來回移動(dòng)，相當(dāng)于彈簧受迫振動(dòng)過程。 在交變場(chǎng)頻率較低時(shí)，疇壁的振動(dòng)可以與交變場(chǎng)同步，損耗不大，耗散小。但當(dāng) 頻率升高到某一數(shù)值時(shí)，疇壁就會(huì)產(chǎn)生共振，即交變磁場(chǎng)的頻率與疇壁振動(dòng)本征 頻率一致時(shí)，會(huì)從外場(chǎng)中吸收能量，使迅速下降，而 大大增加。在無阻尼的情況下，0 ( 0為疇壁振動(dòng)本征頻率)，疇

7、壁振動(dòng)的振幅趨于無窮大，-1，而此時(shí) 是為0的。如果阻尼很小，磁譜曲線為共振型的。在 0時(shí)， 0,疇壁振動(dòng)會(huì)出現(xiàn)損耗峰值，而 -1 0。共振磁譜如圖2(b),是圖2(a)無阻尼疇壁振動(dòng)磁譜演化而來的。當(dāng)阻尼很大時(shí)，疇壁運(yùn)動(dòng)是單純弛豫，失 去固有振動(dòng)，因而不發(fā)生疇壁共振，其磁譜曲線為弛豫型磁譜，如圖2(c), 隨 頻率上升而下降，在 時(shí)(為疇壁振動(dòng)弛豫頻率)，減小的趨勢(shì)最快，而 出現(xiàn)極值。(5) .磁疇自然共振在無外加恒定直流磁場(chǎng)情況下，僅由鐵磁體內(nèi)部自然存在的等效各向異性作 用而產(chǎn)生的共振，稱為自然共振，它與疇壁共振一樣也將導(dǎo)致磁導(dǎo)率的頻散和損 耗，其磁譜也存在共振型和弛豫型兩種磁譜。圖2疇壁

8、振動(dòng)磁譜(a)無阻尼疇壁振動(dòng)磁譜;(b)共振型磁譜；弛豫型磁譜結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，分析不同物質(zhì)的磁譜曲線。中南大學(xué)鄧聯(lián)文等研究了 Tb摻雜對(duì)CoNbZr納米薄膜微波磁性的影響，其磁譜曲線如圖3圖3為不同Tb含量的(Co87Nb11.5Zr1.5) 100-yTbyC 納米薄膜的磁譜(a)y=0; (b)y=1; (c)y=2;未摻雜稀土兀素的Co87Nbii.5Zri.5薄膜磁譜為典型的共振型磁譜，共振頻率 在1.62 GHz附近，低頻磁導(dǎo)率約300,薄膜樣品在2 GHz復(fù)磁導(dǎo)率虛部200(見圖3 (a);摻入1%Tb(Co87Nb11.5Zr1.5)99Tb1薄膜磁譜為以共振為主的共振和弛豫混 合型磁譜，表征磁損耗的共振峰半峰寬較未摻雜稀土的薄膜樣品明顯變寬，峰值點(diǎn)代表的共振頻率上升至1.75 GHz,薄膜中品在2 GHz復(fù)磁導(dǎo)率虛部大于200,表明少量稀土元素的摻入就可以增強(qiáng)薄膜的磁各向異性和弛豫性，從而調(diào)整薄膜的磁譜特征(見圖3(b)。(Co87Nb11.5Zr1.5)98Tb2薄膜的磁譜為以弛豫為主 的弛豫和共振混合型磁譜，的半峰寬顯著變寬，表明薄膜的弛豫性和磁損耗顯著提高，薄膜樣品在2 GHz復(fù)磁導(dǎo)率虛部仍保持在200左右(見