磁性材料基礎(chǔ)知識教材

磁性材料基礎(chǔ)知識內(nèi)部交流報告提綱磁性材料的發(fā)展簡史1電磁學(xué)主要定律-恒穩(wěn)/交變磁場32

磁學(xué)基本常識4磁性材料性能分析磁性來源磁學(xué)基本概念磁性材料分類5

磁性材料應(yīng)用實例一、磁性材料發(fā)展簡史

磁性材料是最早被人類認(rèn)識和利用的功能材料，伴隨了人類文明的發(fā)展。指南針羅盤磁石頭、后記錄為磁鐵MagicMagnet具有魔力的一、磁性材料發(fā)展簡史指南針?biāo)抉R遷《史記》描述黃帝作戰(zhàn)用1086年宋朝沈括《夢溪筆談》指南針的制造方法等1119年宋朝朱或《萍洲可談》羅盤，用于航海的記載

W.Gilbert《DeMagnete》磁石，最早的著作18世紀(jì)奧斯特電流產(chǎn)生磁場 法拉弟效應(yīng)在磁場中運動導(dǎo)體產(chǎn)生電流安培定律構(gòu)成電磁學(xué)的基礎(chǔ),開創(chuàng)現(xiàn)代電氣工業(yè)1907年P(guān).Weiss的磁疇和分子場假說1928年海森堡模型，用量子力學(xué)解釋分子場起源1931年Bitter在顯微鏡下直接觀察到磁疇1933年加藤與武井發(fā)現(xiàn)含Co的永磁鐵氧體1935年荷蘭Snoek發(fā)明軟磁鐵氧體1935年Landau和Lifshitz考慮退磁場,理論上預(yù)言了磁疇結(jié)構(gòu)1946年Bioembergen發(fā)現(xiàn)NMR效應(yīng)1948年Neel建立亜鐵磁理論1954-1957年RKKY相互作用的建立1958年M?ssbauer效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)1960年非晶態(tài)物質(zhì)的理論預(yù)言1965年Mader和Nowick制備了CoP鐵磁非晶態(tài)合金1970年SmCo5稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn)1982年掃描隧道顯微鏡,Brining和Rohrer,(1986年,AFM)1984年NdFeB稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn)Sagawa(佐川)1986年高溫超導(dǎo)體，Bednortz-muller1988年巨磁電阻GMR的發(fā)現(xiàn)(M.N.Baibich)，法國Paris-Sud大學(xué)的AlbertFert以及德國尤里希研究中心的PeterGrünberg獲2007年諾貝爾物理學(xué)獎1994年CMR龐磁電阻的發(fā)現(xiàn)，Jin等LaCaMnO31995年隧道磁電阻TMR的發(fā)現(xiàn),T.Miyazaki一、磁性材料發(fā)展簡史（續(xù)）古老而年輕的功能材料提綱磁性材料的發(fā)展簡史1電磁學(xué)主要定律-恒穩(wěn)/交變磁場32

磁學(xué)基本常識4磁性材料性能分析磁性來源磁學(xué)基本概念磁性材料分類5

磁性材料應(yīng)用實例二、磁學(xué)常識-磁性來源粉紋法演示磁力線分布磁極之間同性相斥、異性相吸磁鐵不論大小，都有唯一的N極和S極。磁偶極子和磁矩2.1磁性來源如果一個小磁體能夠用無限小的電流回路來表示，我們就稱為磁偶極子。用磁偶極矩jm表示：與磁偶極子等效的平面回路的電流和回路面積的乘積定義為磁矩——表征磁性物體磁性大小的物理量，用μm表示：jm=mlμm=i·Ai+m-ml磁偶極矩和磁矩具有相同的物理意義，存在關(guān)系：jm=μ0μm，μo=4π×10-7H·m-1

，真空磁導(dǎo)率磁化強(qiáng)度M單位體積磁體內(nèi)磁偶極子的磁偶極矩矢量和稱為磁極化強(qiáng)度Jm

；

單位體積磁體磁體內(nèi)磁偶極子的磁矩矢量和稱為磁化強(qiáng)度MJ

m和M亦有如下關(guān)系：

Jm=μ0MWb·m-2A·m-12.1磁性來源鐵磁材料之所以具有高導(dǎo)磁性，是因為在它們的內(nèi)部具有一種特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu)—磁疇。2.1磁性來源鐵磁材料內(nèi)部往往有相鄰的幾百個分子電流圈流向一致，因此在這些極小的區(qū)域內(nèi)就形成了一個個天然的磁性區(qū)域—磁疇。鐵磁材料內(nèi)部的磁疇排列雜亂無章，磁性相互抵消，因此對外不顯示磁性。磁疇是怎么形成的？磁疇因受外磁場作用而順著外磁場的方向發(fā)生歸順性重新排列，在內(nèi)部形成一個很強(qiáng)的附加磁場。（a）無外磁場情況（b）有外磁場情況2.1磁性來源-磁疇和疇壁磁疇和疇壁整體示意圖布洛赫壁示例奈爾壁示例BHBHBHBH(A)(B)(C)(D)2.1磁性來源-典型磁化過程2.2磁學(xué)基本概念1、單位體積磁體磁體內(nèi)磁偶極子的磁矩矢量和稱為磁化強(qiáng)度M；2、磁感應(yīng)強(qiáng)度(B):物質(zhì)在外磁場（H）作用下，其內(nèi)部原子磁矩的有序排列還將產(chǎn)生一個附加磁場。在磁性材料內(nèi)部的磁場為外加磁場與附加磁場的和,單位為T（特斯拉）。B與H關(guān)系比較復(fù)雜。B=μ0（H+M）3、磁化率χ：4、磁導(dǎo)率μ0：在真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場強(qiáng)度H間的關(guān)系為：B=μ0Hχ=M/H

磁性材料的磁導(dǎo)率定義為磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度之比：

μ=B/H

μ0:真空磁導(dǎo)率;μ:絕對磁導(dǎo)率，單位為H/m，μr:相對磁導(dǎo)率μr=μ/μ05、磁通量Φ：Φ=BS2.3磁性材料分類磁性材料按磁性分類：

根據(jù)固體中電子與外部磁場之間交互作用的性質(zhì)與強(qiáng)度，將磁性材料分為5類：與外部無響應(yīng)（基本）：

抗磁性順磁性X≤1

反鐵磁性

與外部磁場有強(qiáng)烈的相互作用：鐵磁性X≥1

亞鐵磁性

物質(zhì)內(nèi)部原子磁矩的排列a:順磁性b:鐵磁性c:反鐵磁性d:亞鐵磁性2.3磁性材料分類按矯頑力分類軟磁材料半硬磁材料硬（永）磁材料Hc<100A/m(1.25Oe)Hc:100～1000A/m(1.25～12.5Oe)Hc>1000A/m(12.5Oe)按化學(xué)組成分類：金屬（合金）；無機(jī)（氧化物）；有機(jī)化合物按維度分類：納米（零維；一維；二維）；微晶；非晶；塊體提綱磁性材料的發(fā)展簡史1

電磁學(xué)主要定律-恒穩(wěn)/交變磁場32

磁學(xué)基本常識4磁性材料性能分析磁性來源磁學(xué)基本概念磁性材料分類5

磁性材料應(yīng)用實例三、電磁學(xué)主要定律3.1畢奧—薩伐爾定律奧斯特試驗：P*(1)電流元：1.電流元產(chǎn)生的磁場(2)畢奧—薩伐爾定律：方向：線元上電流的方向。大?。簡挝皇噶勘硎?電流元在空間點產(chǎn)生的磁場為:問題：電流產(chǎn)生磁場，如何計算？畢奧—薩伐爾定律的應(yīng)用1一段有限長載流直導(dǎo)線,通有電流I,求距

a

處P

點的磁感應(yīng)強(qiáng)度。沿導(dǎo)線積分求總磁場B：(1)無限長載流直導(dǎo)線的磁場討論：(2)半無限長載流直導(dǎo)線的磁場(3)半無限長載流直導(dǎo)線的磁場(4)載流導(dǎo)線延長線上任一點的磁場(1)(2)(3)I真空中，半徑為R的載流導(dǎo)線，通有電流I,稱圓形電流.求其軸線上一點

p

的磁感強(qiáng)度的方向和大小.解:

根據(jù)對稱性分析圓形電流（圓環(huán)）軸線上的磁場.p*畢奧—薩伐爾定律的應(yīng)用2p*畢奧—薩伐爾定律的應(yīng)用2oI（5）*

Ad（4）*IRo（1）xo（2R）I+(教材p18)半圓圓環(huán)討論：各種形狀電流的磁場R（3）oI任意圓弧3.2磁場高斯定律1、內(nèi)容

通過任意閉合曲面的磁通量必等于零。2、解釋磁感應(yīng)線是閉合的，因此有多少條磁感應(yīng)線進(jìn)入閉合曲面，就一定有多少條磁感應(yīng)線穿出該曲面。S磁場是無源場；電場是有源場磁極相對出現(xiàn)，不存在磁單極；單獨存在正負(fù)電荷3、說明3.3安培環(huán)路定理L1、內(nèi)容在穩(wěn)恒電流的磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度

沿任何閉合回路L的線積分（環(huán)流），等于穿過這回路的所有電流強(qiáng)度代數(shù)和的μ0倍，數(shù)學(xué)表達(dá)式：2.驗證：o

設(shè)與成右螺旋關(guān)系（1）設(shè)閉合回路

l為圓形回路,載流長直導(dǎo)線位于其中心3.3安培環(huán)路定理求載流螺繞環(huán)內(nèi)的磁場（已知nNI）2）選回路(順時針圓周).1）對稱性分析；環(huán)內(nèi)線為同心圓，環(huán)外為零.令即3.3安培環(huán)路定理-應(yīng)用3.3法拉第定律-磁生電當(dāng)磁通按正弦規(guī)律變化時，即:則上式變?yōu)?磁通與其感應(yīng)電勢的參考方向為參考相量，則：感應(yīng)電勢3.3法拉第定律3.5磁路的歐姆定律磁路的磁阻：磁路的磁導(dǎo)：通過任意閉合曲面S的凈磁通量必定恒為零。自然界不存在獨立的磁場源。磁場中，磁力線通過任意閉合面后必然會從相反方向再次通過。

磁力線是閉合的！磁路的基爾霍夫第一定律（磁通連續(xù)性原理）

磁路由不同材料或不同長度和截面積的

n段組成，則稱為磁路各段的磁壓降磁路的基爾霍夫第二定律作用在任何閉合磁路的總磁動勢恒等于各段磁路磁位降的代數(shù)和?；芈发伲篐1l1+H3l3=N1i1

回路②：-H2l2-H3l3=-N2i2

回路③：H1l1-H2l2=N1i1-N2i2磁路的基爾霍夫第二定律——計算例3.6磁鏈、電感和能量磁通Φ(Wb)：穿過曲面S的磁通是磁感應(yīng)密度B的法線分量的面積分定義：線圈交鏈的磁鏈定義：電感磁路的歐姆定律：自感N——線圈匝數(shù)Λm——自感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)自感的大小與匝數(shù)的平方和磁路的磁導(dǎo)成正比；鐵心線圈的自感要比空心線圈的大得多；

鐵心線圈的電感不是常數(shù)，當(dāng)磁路飽和程度增加時，自感下降。磁路的歐姆定律：N1----線圈1的匝數(shù)N2----線圈2的匝數(shù)

Λm----互感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)互感

互感的大小與兩線圈匝數(shù)的乘積和互感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)成正比。3.6磁鏈、電感和能量3.6磁鏈、電感和能量磁場的能量密度(單位體積磁場儲能)電感儲能提綱磁性材料的發(fā)展簡史1電磁學(xué)主要定律-恒穩(wěn)/交變磁場32

磁學(xué)基本常識4磁性材料性能分析磁性來源磁學(xué)基本概念磁性材料分類5

磁性材料應(yīng)用實例四、磁性材料性能分析4.1磁化曲線磁滯性：磁性材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化總是滯后于外磁場變化的性質(zhì)。磁性材料在交變磁場中反復(fù)磁化，其B-H關(guān)系曲線是一條回形閉合曲線，稱為磁滯回線。HBHmBmaBr剩磁-Hcbc-Hm-Bmd-Bref矯頑力Hc鐵磁材料的磁滯回線4.1磁化過程4.1磁化曲線分析4.1磁化曲線分析(1)起始磁導(dǎo)率

(2)增量磁導(dǎo)率

(3)微分磁導(dǎo)率

(4)最大磁導(dǎo)率

B

H

max

i0B/

0H4.2磁導(dǎo)率1、起始磁導(dǎo)率μiμi=L/(4.6N2hlg(D/d))×107(適用于環(huán)形磁芯)

式中N……測試線圈匝數(shù)(N)L……裝有磁芯的線圈的自感量（mH）h……磁芯高度(mm)D……磁芯外直徑(mm)d……磁芯內(nèi)直徑(mm)μi計算2、有效導(dǎo)磁率μe變壓器或電感器磁芯中常用非閉合的E型、U型等配對磁芯，其磁路各部分形狀尺寸不同，而且其配合面不可避免地仍有殘余氣隙；此時，必須用有效導(dǎo)磁率μe來表示磁芯的導(dǎo)磁率；μe=LC1/(4πN2)×107

C1……磁芯磁路常數(shù)(cm-1)μe計算3振幅導(dǎo)磁率μα作功率變換的開關(guān)電源變壓器磁芯是工作在高磁通密度下,因此必須引入振幅磁導(dǎo)率參數(shù)才能真實反映出功率型磁芯在高磁通密度下的磁特性;μα=1/μ0*B/H

(式中規(guī)定的B值比測時高出數(shù)百倍以上,例如:200mT)μa計算磁導(dǎo)率溫度穩(wěn)定性αμ定義為：由于溫度的改變而引起的被測量的相對變化與溫度變化之比。例：磁導(dǎo)率的溫度系數(shù)為：αμ=式中：μ1是T1溫度時的磁導(dǎo)率，μ2是T2溫度時的磁導(dǎo)率。因?qū)τ谕环N軟磁材料，其磁芯的αμ/μi值是一個常數(shù)。故常用αμ/μi來表示溫度特性。μ2－μ1μ1（T2－T1）居里溫度Tc

居里溫度是磁性材料從鐵磁性到順磁性的轉(zhuǎn)變溫度，在這個溫度磁性材料的磁性將變得很小或消失，它的表示方式有很多，我們一般按下圖進(jìn)行測量，即隨著溫度升高，磁導(dǎo)率下降到最大值的80%及20%時，兩點的聯(lián)線，延長到與溫度軸的交點即為居里溫度。1）磁致收縮：鐵磁體在磁場中磁化，形狀與尺寸都會發(fā)生變化。

特性：（1）與磁場強(qiáng)度有關(guān)（2）與磁化方向成角度時，有：（3）各向異性

2）磁彈性能：磁化時材料變化尺寸受限制，產(chǎn)生應(yīng)力，從而產(chǎn)生彈性能，物體內(nèi)部的缺陷，雜質(zhì)都可能增加其磁彈性能。

磁致收縮與磁彈性能4.3復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率-衡量軟磁性能重要指標(biāo)設(shè)交變磁場為：磁化需要時間，磁感應(yīng)強(qiáng)度B落后H相角

，得：BBHHtt000BmHmT/4T/23T/4TT/4T/23T/4Tδ/ω其中，則交變磁場中軟磁材料磁導(dǎo)率

不再是實數(shù)而是復(fù)數(shù)

品質(zhì)因數(shù)Q

Q值是反映軟磁材料在交變磁化時能量的貯存和損耗的性能。

磁導(dǎo)率中實部

正比于能量的存儲而虛部正比于磁能的損耗

軟磁材料的Q值可以用交流電橋或Q表測量得到。通常要求：Q值越大越好。材料的損耗材料的損耗表示為：相位角稱為損耗角，tan

稱為損耗正切

通常要求：

tan

越小越好4.4鐵芯損耗PP=Ph+Pe+Pr(Ph、Pe、Pr表示磁滯、渦流、剩余損耗)磁性材料在高磁通密度下的單位體積損耗。該磁通密度通常表示為：Bm=E/4.44fNAe×106（mT）式中：Bm為磁通密度的峰值（mT）E為線圈兩端的電壓（V）f為頻率（KHz），N為匝數(shù)Ae為磁芯的有效面積（m2）鐵磁材料在交流磁場中反復(fù)磁化，磁疇會不停轉(zhuǎn)動，相互之間會不斷摩擦，產(chǎn)生功率損耗。磁滯損耗Ph若不計線圈電阻，鐵心線圈從交流電源吸收的瞬時電功率p為損耗能量為

磁滯損耗就是消耗于鐵心中的平均功率磁滯損耗與磁場交變頻率f、鐵心體積V和磁滯回線的面積成正比磁滯損耗Ph（續(xù)）渦流損耗Pe交變磁場在鐵心中產(chǎn)生感應(yīng)電勢感應(yīng)電勢產(chǎn)生渦流渦流產(chǎn)生損耗

渦流鐵磁材料在交變磁場將有圍繞磁通呈渦旋狀的感應(yīng)電動勢和電流產(chǎn)生，簡稱渦流。渦流損耗渦流在其流通路徑上的等效電阻中產(chǎn)生的I2R損耗稱為渦流損耗。渦流損耗與磁場交變頻率f、厚度d和最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm的平方成正比，與材料的電阻率

成反比。要減少渦流損耗，首先應(yīng)減小厚度，其次是增加渦流回路中的電阻。電工鋼片中加入適量的硅，制成硅鋼片，顯著提高電阻率。對于殘留損耗Pr，是由磁化延遲及磁矩共振等造成，前兩項是主要的。渦流損耗Pe（續(xù)）鐵耗P：鐵磁材料在交變磁場作用時，磁滯損耗和渦流損耗是同時發(fā)生的。在電機(jī)和變壓器的計算中，當(dāng)鐵心內(nèi)的磁場為交變磁場時，常將磁滯損耗和渦流損耗合在一起來計算，并統(tǒng)稱為鐵心損耗，簡稱鐵耗。鐵耗pFe∝fβBm2G。其中1＜β＜2，β與材料性質(zhì)有關(guān)。鐵芯損耗P提綱磁性材料的發(fā)展簡史1電磁學(xué)主要定律-恒穩(wěn)/交變磁場32

磁學(xué)基本常識4磁性材料性能分析磁性來源磁學(xué)基本概念磁性材料分類5

磁性材料應(yīng)用實例五、磁性材料應(yīng)用實例5.1常見的軟磁材料鐵、坡莫合金、電工鋼和MFe2O4、MFeO3、M3Fe2O5、MFe12O19（M為金屬離子）等鐵氧體都是軟磁材料。按用途分類具體包括：鐵芯材料：工業(yè)純鐵、電工硅鋼片、鐵鈷合金、坡莫合金、高導(dǎo)磁合金（主要是高鎳含量的鐵鎳合金）、恒導(dǎo)磁率合金（含Ni55～75%的鐵鎳合金）、中磁飽和中磁導(dǎo)率合金（低鎳和中鎳的鐵鎳合金）；磁記錄介質(zhì)材料：γ-Fe2O3、Co-γ-Fe2O3、CrO2、Fe60Co40粉末、Co-Ni-P連續(xù)膜；磁記錄磁頭材料：高鎳含量的鐵鎳基耐磨高導(dǎo)磁合金、FeSiAl合金和高導(dǎo)磁鐵氧體(Mn-Zn和Ni-Zn鐵氧體)；超聲波發(fā)聲器用磁致伸縮材料：純鎳(w(Ni)99.9%)、Fe-w(Al)13%合金、Fe49Co49V2、Fe-w(Ni)50%；磁屏蔽材料：純鐵、坡莫合金或FeSiAl合金，非晶態(tài)合金；非晶態(tài)、微晶與納米晶軟磁合金5.2軟磁材料的主要應(yīng)用

濾波器環(huán)形電感濾波器諧波電流抑制器變壓器磁條貼防盜