磁譜分析-動(dòng)態(tài)磁化過(guò)程中的磁損耗

1、；磁譜分析動(dòng)態(tài)磁化過(guò)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。圖 1 鐵氧體的磁譜曲線低頻區(qū)域（ f <104Hz）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 104 106Hz）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，這主要是由

2、于疇壁共振或弛豫引起的。超高頻區(qū)域（f 為 1081010）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(guò)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(guò)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(guò)程中的損耗問(wèn)題。動(dòng)態(tài)磁化過(guò)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

4、d 2 / ，其中 d 為片狀材料的厚度， d 為電阻率。 We fd 2 / ，對(duì)于渦流損耗的抑制可通過(guò)減少片狀材料的厚度 d 實(shí)現(xiàn)，也可通過(guò)在摻雜提高材料的電阻來(lái)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(shuō)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

5、產(chǎn)生了渦旋電場(chǎng)， 與原來(lái)的電流相抵消。 集膚深度 d s 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 。d skf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(guò)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(guò)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

6、離的。(3). 尺寸共振電磁波在鐵磁體中的波長(zhǎng)vc，當(dāng)樣品的最小尺寸為2 的整數(shù)倍ff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(guò)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(lái)回移動(dòng)，相當(dāng)于彈簧受迫振動(dòng)過(guò)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(wú)阻尼的情況下

7、，0 （0 為疇壁振動(dòng)本征頻率） ，疇壁振動(dòng)的振幅趨于無(wú)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- 10。共振磁譜如圖 2(b)，是圖2(a)無(wú)阻尼疇壁振動(dòng)磁譜演化而來(lái)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r 時(shí)(r 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(wú)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

8、和損耗，其磁譜也存在共振型和弛豫型兩種磁譜。圖 2 疇壁振動(dòng)磁譜(a)無(wú)阻尼疇壁振動(dòng)磁譜；(b)共振型磁譜；(c)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;未摻雜稀土元素的 Co87Nb11.5Zr1.5 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(Co8711.51.5 991薄膜磁譜為以共振為主的共振和弛豫混NbZr) Tb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，薄膜樣品在 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) 。(Co8711.51.5 982薄膜的磁譜為以弛豫為主Nb Zr ) Tb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