鐵磁材料的結(jié)構(gòu)與性能

鐵磁材料的結(jié)構(gòu)與性能

一、u3000磁介質(zhì)的分類在磁體中硬化穩(wěn)定后，磁場強度h和磁感應(yīng)強度b之間的關(guān)系滿足以下關(guān)系：b=uruoh=uh，其中ur稱為相對磁導(dǎo)率，即無目標的磁導(dǎo)率。uo稱真空磁導(dǎo)率值為4107na2，u=u70稱為絕對磁導(dǎo)率。在相同的外磁場作用下,不同的磁介質(zhì)被磁化的程度不同,主要表現(xiàn)在它們的相對磁導(dǎo)率上,由此我們把介質(zhì)分為三類:順磁性物質(zhì)(ur略大于1),屬于弱磁性物質(zhì);抗磁性物質(zhì)(ur略小于1),屬于弱磁性物質(zhì);鐵磁性物質(zhì)(ur遠大與1),屬于強磁性物質(zhì)。強磁性鐵磁性物質(zhì)同弱磁性順磁物質(zhì)和抗磁性物質(zhì)相比高磁導(dǎo)率是鐵磁材料的一個重要特征。二、交變電流的產(chǎn)生和顯著性及頻率的穩(wěn)定鐵磁材料(如鐵﹑鎳、鈷和其他鐵磁合金)具有獨特的磁化性質(zhì),為了描述鐵磁材料的磁化規(guī)律,研究其內(nèi)部B與H的關(guān)系,將鐵磁材料制成圓環(huán),再緊密繞上原線圈(勵磁線圈)N和付線圈(測量線圈)n,如圖1所示。給繞在待測磁環(huán)上的勵磁線圈N通一交變電流,產(chǎn)生一交變磁場H,使鐵磁物質(zhì)(磁環(huán))往復(fù)磁化。在實驗室觀察鐵磁材料的磁滯回線是在示波器上進行的。先要將原線圈的磁場H和付線圈磁感應(yīng)強度B轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電壓信號,在示波器的X偏轉(zhuǎn)板輸入正比于樣品的勵磁磁場H的電壓,同時在Y偏轉(zhuǎn)板輸入正比于樣品中磁感應(yīng)強度B的電壓,結(jié)果在屏上就得到樣品的B～H回線,如圖2所示。那么磁場H和磁感應(yīng)強度B是如何轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電壓信號呢?當原線圈N中通過磁化電流I1時,此電流在圓環(huán)內(nèi)產(chǎn)生磁場。根據(jù)安培環(huán)路定律HL=NI1磁場強度的大小為其中L為圓環(huán)的平均周長(磁環(huán)中軸線周長)。如果將電阻R1上的電壓降U1=I1R1(注意:I1和U1是交變的),取出來加在示波器X偏轉(zhuǎn)板上,則電子束在水平方向的偏移跟磁化電流I1成正比,即:它表明,在交變磁場下,在任一瞬間t,如果將電壓U1接到示波器X軸輸入端,則電子束在水平方向偏轉(zhuǎn)正比于勵磁場強度H。()為了獲得跟樣品中磁感應(yīng)強度瞬時值B成正比的電壓U2,采用電阻R2和電容C組成的積分電路,并將電容C兩端的電壓U2接到示波器Y軸輸入端。因交變的磁場H在樣品中產(chǎn)生交變的磁感應(yīng)強度B,結(jié)果在副線圈n內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,其大小為:式中n為副線圈匝數(shù),S為待測鐵磁質(zhì)圓環(huán)的截面積。忽略自感電動勢后,對于副線圈回路有為了如實地繪出磁滯回線,要求:(1)積分電路的時間常數(shù)R2C應(yīng)比(其中f為交流電頻率)大100倍以上,即要求R2比1/(2πfC)(電容C的阻抗)大100倍以上(例如,當C取為10微法時,R2應(yīng)取30K歐以上)。這樣,U2與I2R2相比可忽略(由此帶來的誤差小于1%),于是(4)式簡化為但R2比1/(2πfC)不能過大,過大了使U2值過小,顯示也就困難了。(2)在滿足上述條件下,U2的振幅很小,如將它直接加在Y偏轉(zhuǎn)板上,則不能繪出大小適當需要的磁滯回線,為此,需將U2經(jīng)過Y軸放大器增幅后輸出至Y偏轉(zhuǎn)板。這就要求在實驗磁場的頻率范圍內(nèi),示波器的放大器的放大系數(shù)必須穩(wěn)定,不然會帶來放大的相位畸變和頻率畸變。而出現(xiàn)磁滯回線“打結(jié)”現(xiàn)象,而無法進行定量測量,此時適當調(diào)節(jié)R2阻值有可能得到最佳磁滯回線圖形。利用(5)式的結(jié)果,電容C兩端的電壓表示為這樣,在磁化電流變化的一周期內(nèi),電子束的徑跡描出一條完整的磁滯回線,以后每個過程重復(fù)此過程。可逐漸調(diào)節(jié)輸入交流電壓,使磁滯回線由小到大擴展方法,把逐次在坐標紙記錄的磁滯回線頂點的位置聯(lián)成一條曲線,這條曲線就是樣品的基本磁化曲線。三、磁滯回線與剩余磁的關(guān)系鐵磁材料(鐵、鎳、鈷等)除了具有高的磁導(dǎo)率外,另一重要的特點就是磁滯效應(yīng)。磁滯現(xiàn)象是鐵磁材料磁化時,材料內(nèi)部的磁感應(yīng)強度B不僅與當時的磁場強度H有關(guān),而且與以前的磁化狀態(tài)有關(guān)。圖3表示鐵磁質(zhì)的這種性質(zhì),假設(shè)鐵芯在開始時處于未被磁化狀態(tài)(對應(yīng)于圖中o點),隨著磁場H由零逐漸增加,B將沿oa增加,曲線oa叫做起始磁化曲線,該曲線為非線性,從而說明鐵磁材料的磁導(dǎo)率u=B/H不是常數(shù),與外磁場H有關(guān),當H增大到某一值時,B幾乎不變。若將磁化場H減小,則B并不沿原來的磁化曲線減小,而是沿圖中ab曲線下降,具有一定的滯后性(磁滯效應(yīng)),最為突出表現(xiàn)為H降到零(圖中的b點)時,B≠0,B的值仍接近飽和值,與b點對應(yīng)的B值,稱為剩余磁感應(yīng)強度Br(剩磁)。當加反向磁化場H時,B隨之減小,當反向磁化場達到某一值(如圖中c電)時,B=0,與oc相當?shù)拇艌鰪姸菻c稱為矯頑磁力。當反向場繼續(xù)增加時,鐵磁質(zhì)中產(chǎn)生反向磁感應(yīng)強度,并很快達到飽和。逐漸減小反向磁化場,減到零,再加正向磁化場時,則磁感應(yīng)強度沿defa變化,形成一閉合曲線abcdefa,這閉合曲線稱為磁滯回線。它的存在是磁滯現(xiàn)象最重要的表現(xiàn),磁滯現(xiàn)象是鐵磁材料的又一個重要特征。由于有磁滯現(xiàn)象,能夠由若干個B值于同一個H值對應(yīng),即B是H的多值函數(shù),它不僅與H有關(guān),而且與這鐵磁質(zhì)磁化程度有關(guān)。例如:與H=0相應(yīng)的B由三個值:(1)B=0的O點,這與原來沒有磁化相對應(yīng);(2)B=Br,這是在鐵磁質(zhì)已磁化之后發(fā)生的;(3)B=-Br,這是在反向磁化后發(fā)生的。(這表示輸出電壓是感應(yīng)電動勢ε2對時間的積分,這也是“積分電路”名稱的由來。)將(3)式代入上式得到(7)式表明,接在示波器軸輸入端的電容C上電壓U2值正比于B(B∞U2)。綜上所述,鐵磁材料磁化過程中具有的不可逆性及具有剩磁的特點,由于具有以上特點必須說明的是在測定磁化曲線和磁滯回線時,首先必須對鐵磁材料預(yù)先進行退磁,以保證外加磁場H=0時,B=0。退磁方法,從理論上分析,要消除剩磁Br,只要通一反向電流,使外加磁場正好等于鐵磁材料的矯頑磁力就可以了,實際上,矯頑磁力的大小通常并不知道,因此無法確定退磁電流。從磁滯回線得到啟示,如果是鐵磁材料到磁飽和,然后不斷改變磁化電流方向,與此同時逐漸減小磁化電流,以至于零。那么該材料磁化過程是一連串逐漸縮小而最終趨向原點的環(huán)形曲線,如圖4所示,當H減小到零時,B也同時降到零,達到完全退磁。其次,磁化電流在實驗過程中只允許單調(diào)增加,不可時增時減。當鐵磁材料從未被磁化開始,在最初幾個反復(fù)磁化的循環(huán)內(nèi),每一個循環(huán)H和B不一定沿相同的路徑進行(曲線并非閉合曲線)。只有經(jīng)過十幾次反復(fù)磁化(稱為“磁鍛煉”)以后,才能獲得一個差不多穩(wěn)定的磁滯回線。它代表該材料的磁滯性質(zhì)。所以樣品只有在“磁鍛煉”后,才能進行測繪。四、反復(fù)被黨組織東方磁法磁控技術(shù)不同鐵磁材料,其磁滯回線有寬“胖”、窄“瘦”之分。通常根據(jù)磁滯回線的不同將磁鐵材料分為軟磁材料、硬磁材料和矩磁材料等。軟磁材料的磁滯回線窄而長,剩余磁感應(yīng)強度Br和矯頑磁力Hc都很小,其基本特征是磁導(dǎo)率高,易于磁化及退磁。軟鐵、硅鋼及波莫合金屬于這一類,它們常用來制造變壓器及電機的轉(zhuǎn)子。當鐵磁質(zhì)反復(fù)被磁化時,介質(zhì)要發(fā)熱。實驗表明,反復(fù)磁化所發(fā)生的熱與磁滯回線包圍的面積成正比,變壓器選用軟磁材料就是考慮了這一點。硬磁材料的磁滯回線較寬,Br和Hc都較大,因此,其剩余磁感應(yīng)強度Br可保持較長時間。鉻、鈷、鎳等元素的合金屬于硬磁材料。它常用于制造永久磁鐵。矩磁材料的磁滯回線接近矩形,其特點是剩余磁感應(yīng)強度Br接近飽和時的Bm,矯頑磁力小。若使矩磁材料在不同方向的磁場下磁化,當磁化電流為零時,它仍能保持+Br(≈Bm)和-Br(≈-Bm)兩種不同的剩磁,矩磁材料常用作記憶元件,如電子計算機中存儲器的芯片。軟磁材料和硬磁材料的