電氣材料基礎(chǔ) 課件 第6章 磁性材料（2學(xué)時(shí)）

1第6章磁性材料

26.1物質(zhì)磁性的起源6.2材料磁性6.3軟磁材料6.4硬磁材料主要內(nèi)容3磁性：物質(zhì)受外磁場(chǎng)吸引或排斥的性質(zhì)。一切物質(zhì)均有磁性。磁體：具有或可使其具有外磁場(chǎng)的物體或器件。磁學(xué)起源：十六世紀(jì)英國(guó)人吉爾伯特（Gilbert）《論磁》，后經(jīng)安培、奧斯特、法拉第等人在磁與電的聯(lián)系方面的開創(chuàng)性工作，奠定了磁學(xué)科學(xué)的基礎(chǔ)。19世紀(jì)末居里發(fā)現(xiàn)鐵磁物質(zhì)的臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)（居里點(diǎn)），確立了順磁磁化率與溫度成反比的居里定律。20世紀(jì)初，朗之萬(wàn)（Langevin,1905）將經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)應(yīng)用到具有一定大小的原子磁矩上，證明了居里定律。外斯（Weiss,1907）提出分子場(chǎng)假說(shuō)與磁疇的概念，推導(dǎo)出鐵磁物質(zhì)滿足的居里－外斯定律。量子力學(xué)的出現(xiàn)使人們開始把對(duì)物質(zhì)磁性的認(rèn)識(shí)建立在原子及電子的尺度上。海森伯（Heisenberg,1928）對(duì)鐵磁體中分子場(chǎng)的性質(zhì)給出了量子力學(xué)解釋。范弗萊克（J.H.VanVleck，1936）對(duì)物質(zhì)磁性作出了全面的量子理論闡述。6.1物質(zhì)磁性的起源46.1.1磁矩和磁偶極矩磁矩是磁體的一種物理性質(zhì)，是描述載流線圈磁性質(zhì)及微觀粒子物理性質(zhì)的物理量。磁矩

磁矩產(chǎn)生的磁場(chǎng)和條形磁體中的磁場(chǎng)相似，磁體的磁矩方向是從南極S指向北極N設(shè)載流線圈中環(huán)形電流為i，電流回路包圍的面積為A，矢量

m垂直于表面并與電流i的方向組成右手螺旋。56.1.1磁矩和磁偶極矩磁矩的本質(zhì)

磁矩產(chǎn)生的根本原因是：1）電荷的運(yùn)動(dòng)；2）帶電粒子的自旋例如，氫原子的磁矩是以下幾種磁矩的矢量和：電子環(huán)繞原子核運(yùn)動(dòng)的軌道磁矩電子的自旋磁矩原子核中質(zhì)子的自旋磁矩電子軌道磁矩電子以一定頻率在特定軌道上環(huán)繞原子核運(yùn)動(dòng)，其沿軌道運(yùn)動(dòng)形成環(huán)形電流。電子軌道磁矩電子軌道角動(dòng)量矩軌道磁矩與角動(dòng)量矩的關(guān)系66.1.1磁矩和磁偶極矩

電子自旋磁矩自旋角動(dòng)量矩電子自旋磁矩質(zhì)子自旋磁矩質(zhì)子的質(zhì)量是電子的1836倍！單個(gè)電子的自旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁矩是計(jì)量磁矩的最小單位，將之定義為波爾磁矩

B電子的總磁矩由電子軌道磁矩

eo和電子自旋磁矩

es構(gòu)成，但不是簡(jiǎn)單相加，而是矢量和。原子的總磁矩則主要取決于所有電子的軌道運(yùn)動(dòng)和自旋運(yùn)動(dòng)。閉亞殼層中的電子對(duì)總磁矩沒(méi)有貢獻(xiàn)。（泡利不相容原理）71s2s2p氧（O）原子的軌道電子排布√×6.1.1磁矩和磁偶極矩86.1.1磁矩和磁偶極矩磁偶極矩磁極強(qiáng)度：正負(fù)磁極具有的強(qiáng)度。單位：Wb（韋伯）N、S的磁極強(qiáng)度分別為p1和p2，則：H/m為真空磁導(dǎo)率磁極間作用力:9磁偶極子：任何一磁體的兩端，總具有極性相反而強(qiáng)度相等的磁極，它表現(xiàn)為磁體外部磁力線的匯集點(diǎn)，當(dāng)磁體無(wú)限小時(shí)，其體系定義為磁偶極子。設(shè)磁偶極子的磁極強(qiáng)度為

p，磁極之間的距離為l，磁偶極子產(chǎn)生的磁偶極矩jm為：磁偶極矩的意義：表征磁偶極子磁性強(qiáng)弱和方向的物理量。6.1.1磁矩和磁偶極矩10磁偶極子：任何一磁體的兩端，總具有極性相反而強(qiáng)度相等的磁極，它表現(xiàn)為磁體外部磁力線的匯集點(diǎn)，當(dāng)磁體無(wú)限小時(shí)，其體系定義為磁偶極子。設(shè)磁偶極子的磁極強(qiáng)度為

p，磁極之間的距離為l，磁偶極子產(chǎn)生的磁偶極矩jm為：磁偶極矩的意義：表征磁偶極子磁性強(qiáng)弱和方向的物理量。6.1.1磁矩和磁偶極矩116.1.2磁疇和磁化磁疇未經(jīng)外加磁場(chǎng)作用時(shí)，為了使材料系統(tǒng)能量最小，天然磁性材料中的各原子的磁矩不會(huì)同時(shí)指向同一方向，而是會(huì)自然的形成若干個(gè)區(qū)域，即磁疇。磁疇彼此之間首尾相接，磁力線在材料內(nèi)部就可完成閉合，材料外部空間幾乎不存在磁力線，此時(shí)體統(tǒng)具有最低能量狀態(tài)，也是最穩(wěn)定的狀態(tài)鐵磁材料中的磁疇磁疇的形成原因126.1.2磁疇和磁化磁疇壁疇壁的厚度是交換能（需要厚疇壁）和各向異性能（需要薄疇壁）之間的折衷結(jié)果對(duì)于鐵來(lái)說(shuō)，其疇壁的厚度通常為0.1

m量級(jí)或幾百個(gè)原子間距交換能：相鄰磁矩之間的作用各向異性能：遠(yuǎn)離易磁化方向產(chǎn)生的能量136.1.2磁疇和磁化磁化磁疇的大小是不固定的，會(huì)隨外磁場(chǎng)強(qiáng)弱變化而變化。磁疇被外加磁場(chǎng)取向的過(guò)程稱之為磁化，只有被磁化后才具有宏觀磁性。146.1.2磁疇和磁化磁化鐵磁體被磁化，其磁化過(guò)程經(jīng)歷疇壁移動(dòng)、磁軸翻轉(zhuǎn)和磁軸旋轉(zhuǎn)等幾個(gè)階段156.1.3磁性材料的損耗磁滯損耗：指磁性材料在交變磁場(chǎng)的往復(fù)作用下，因材料內(nèi)部磁疇來(lái)回翻轉(zhuǎn)所引起的摩擦能量損耗

鐵損：?jiǎn)挝恢亓康拇判圆牧显诮蛔兇艌?chǎng)作用下所消耗的功率

包括磁滯損耗和渦流損耗渦流損耗：導(dǎo)電的磁性材料在交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)而產(chǎn)生的電流稱為渦流，由渦流而消耗的功率稱為渦流損耗

k,k1——為材料相關(guān)的系數(shù)d——為材料的厚度γ——為材料的電導(dǎo)率Bm——材料上所產(chǎn)生的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度，f——為磁場(chǎng)頻率硅鋼片：一種軟磁材料，具有很好的導(dǎo)磁性和相對(duì)較低的電導(dǎo)率對(duì)于低頻交變磁場(chǎng)，硅鋼片中的鐵損以磁滯損耗為主；而隨著磁場(chǎng)頻率的提高，渦流損耗以頻率的二次方增加，變的更為顯著磁滯損耗渦流損耗166.1.4退磁化對(duì)磁性材料加一個(gè)使其能夠達(dá)到飽和磁化狀態(tài)的磁場(chǎng)，而后使其在正、負(fù)方向往復(fù)循環(huán)并逐漸降低磁場(chǎng)的幅度，材料的磁性在這個(gè)過(guò)程中也會(huì)恢復(fù)至零點(diǎn)狀態(tài)退磁的本質(zhì)是使材料中取向的、近乎單疇?wèi)B(tài)的磁疇恢復(fù)至隨機(jī)無(wú)序的多疇狀態(tài)可使用振動(dòng)、加熱的方法破壞磁化材料的磁疇結(jié)構(gòu)176.1物質(zhì)磁性的起源6.2材料磁性6.3軟磁材料6.4硬磁材料主要內(nèi)容18磁極化強(qiáng)度J和磁化強(qiáng)度M：都是表述物質(zhì)磁化狀態(tài)的量。單位體積磁體的磁矩矢量和稱為磁化強(qiáng)度。磁化強(qiáng)度單位：A﹒m-1，與磁場(chǎng)強(qiáng)度

H的單位一致。單位體積磁體內(nèi)磁偶極子的磁偶極矩矢量和。磁極化強(qiáng)度單位：Wb﹒m-2，與磁感應(yīng)強(qiáng)度B單位一致。兩個(gè)物理量之間的關(guān)系為：注：有些文獻(xiàn)中兩個(gè)量的名稱不加區(qū)別，但我們可以從它使用的單位中加以區(qū)分。H/m為真空磁導(dǎo)率6.2.1基本磁學(xué)量19磁場(chǎng)強(qiáng)度H：?jiǎn)挝淮艠O強(qiáng)度在該處所受的磁場(chǎng)力大小，其方向與正磁極在該處所受的磁場(chǎng)力的方向一致。磁感應(yīng)強(qiáng)度B:物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下，除了外磁場(chǎng)H外，還要產(chǎn)生附加磁場(chǎng)，物質(zhì)內(nèi)部和外磁場(chǎng)的附加磁場(chǎng)的總和稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度B均勻磁化球的B

線和H線B線H線外磁場(chǎng)H+磁化強(qiáng)度M

B稱為磁通量密度或磁通密度，描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量。6.2.1基本磁學(xué)量20磁化率：?jiǎn)挝淮艌?chǎng)強(qiáng)度在磁體中感生的磁化強(qiáng)度。是表征磁體磁化難易程度的參量。磁導(dǎo)率：表征磁體的導(dǎo)磁性能以及磁化難易程度的物理量。有絕對(duì)磁導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率。單位：T·m·A-1或H·m-1磁化率

和相對(duì)磁導(dǎo)率

沒(méi)有量綱M：磁化強(qiáng)度H：磁場(chǎng)強(qiáng)度6.2.1基本磁學(xué)量21

弱磁體：抗磁性、順磁性、反鐵磁性強(qiáng)磁體：鐵磁性、亞鐵磁性、變磁性

磁化率是表征物體對(duì)外加磁場(chǎng)響應(yīng)的一個(gè)重要物理量。根據(jù)磁化率大小和磁性物質(zhì)磁性強(qiáng)弱，磁性物質(zhì)可分為：1.抗磁性受到外磁場(chǎng)H作用后，感生出與H方向相反的磁化強(qiáng)度，這種磁性稱為抗磁性?？勾判晕镔|(zhì)的磁化率為負(fù)（

<0）。具有滿電子殼層的原子、離子或分子組成的物質(zhì)為抗磁性。抗磁性物質(zhì)有：惰性氣體、許多有機(jī)化合物、若干金屬(如Cu、Ag、Au、Bi、Zn和Mg等)、非金屬(如Si、P和S等)。

6.2.2材料的磁化特征原子、分子或離子具有不等于零的磁矩，并在外磁場(chǎng)作用下沿軸向排列時(shí)便產(chǎn)生順磁性。順磁性物質(zhì)的磁化率χ為正值（

>0），數(shù)值亦很小，約為10-3-10-6，所以是一種弱磁性。

順磁性來(lái)源：原子或離子固有磁矩，傳導(dǎo)電子順磁性（泡利）

順磁性物質(zhì)有：稀土金屬和鐵族元素的鹽類。2.順磁性6.2.2材料的磁化特征3.鐵磁性磁化率隨磁場(chǎng)變化，具有磁滯現(xiàn)象。磁化率很大（

>0），約為100~105。溫度升高，磁矩排列受熱擾動(dòng)的影響而紊亂，物質(zhì)的自發(fā)磁化強(qiáng)度減小。當(dāng)物質(zhì)溫度上升到某一值Tc時(shí)，自發(fā)磁化消失，由鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判浴?/p>

大部分強(qiáng)磁性金屬和合金材料：磁滯回線矯頑力居里溫度Tc自發(fā)磁化磁疇6.2.2材料的磁化特征24磁矩反平行交錯(cuò)有序排列，但不表現(xiàn)宏觀強(qiáng)的凈磁矩。自發(fā)磁化強(qiáng)度為零。當(dāng)溫度上升到TN時(shí)，呈順磁性。磁化率

>0

，約為10-3，屬弱磁性。MnO、NiO及FeS等化合物具有這種磁性。非常少見(jiàn)，一般只存在于低溫下。4.反鐵磁性TN：奈耳溫度6.2.2材料的磁化特征5.亞鐵磁性宏觀磁性與鐵磁體相同，僅僅其磁化率的數(shù)量級(jí)稍低一些，大約為100～103。鐵氧體即為典型的亞鐵磁性物質(zhì)。亞鐵磁性

鐵磁性

反鐵磁性6.2.2材料的磁化特征266.變磁性在地磁場(chǎng)下沒(méi)有或者很少自發(fā)磁化，但當(dāng)外磁場(chǎng)增加到一定程度后，磁體的自發(fā)磁化強(qiáng)度發(fā)生突變。

一些反鐵磁和亞鐵磁物質(zhì)可發(fā)生變磁性轉(zhuǎn)變。屬于變磁體的有鐵族元素的氯化物和溴化物（FeBr2，CoCl2等）及某些稀土元素的化合物（GdN，TbAs，DySb，Eu3O4）等。6.2.2材料的磁化特征276.2.2材料的磁化特征×沒(méi)有相互作用——順磁性是否有固有原子磁矩？×

沒(méi)有固有原子磁矩——抗磁性是否有相互作用？

有固有原子磁矩是什么相互作用？直接，內(nèi)部完全同向——鐵磁性有相互作用間接，內(nèi)部不等反向——亞鐵磁性抗磁性順磁性鐵磁性亞鐵磁性反鐵磁性直接，內(nèi)部完全反向——反鐵磁性286.1物質(zhì)磁性的起源6.2材料磁性6.3軟磁材料6.4硬磁材料主要內(nèi)容296.3軟磁材料軟磁材料：磁化發(fā)生在Hc≤1000A/m，這樣的材料稱為軟磁體。具有較高的磁導(dǎo)率和較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（Bm）。具有較小的矯頑力。磁滯損耗較低。磁滯回線很窄。在磁場(chǎng)作用下非常容易磁化，取消磁場(chǎng)后很容易退磁化。HcHmBmBr306.3軟磁材料磁滯損耗小，在交變磁場(chǎng)中響應(yīng)迅速，適合用于交變磁場(chǎng)。電力設(shè)備中：變壓器鐵芯、繼電器、電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子都是用軟磁性材料制成。31變壓器鐵芯（EI型硅鋼片）電機(jī)馬達(dá)鐵芯（定轉(zhuǎn)子）硅鋼片軟磁材料32純鐵：典型軟磁材料，非常高的飽和磁通密度—2.2T硅鋼：使用量最大。廣泛用于電機(jī)、變壓器中的鐵心材料鐵鎳合金：具有很高的弱磁場(chǎng)磁導(dǎo)率，飽和B—0.6-1.0T。在弱磁場(chǎng)中的磁導(dǎo)率是硅鋼的10~20倍

鐵鈷合金：具有最高的飽和磁極化強(qiáng)度Js=2.4T，最高居里溫度~950℃6.3.1晶態(tài)軟磁材料6.3.2非晶態(tài)軟磁材料非晶態(tài)合金是從熔融狀態(tài)經(jīng)快速淬火的材料

原子結(jié)構(gòu)缺乏長(zhǎng)程有序，不存在磁晶各向異性Fe基合金；Co基合金；NiFe基合金能應(yīng)用在高頻場(chǎng)合336.3.3納米晶軟磁合金6.2.4軟磁鐵氧體在一般晶態(tài)軟磁合金中，晶粒尺寸

，磁體的矯頑力線性

，磁導(dǎo)率

，軟磁性能

。晶粒大小在納米尺寸時(shí)，矯頑力迅速

，由于納米尺寸效應(yīng)(~10nm)，而表現(xiàn)出優(yōu)異的軟磁性能。納米晶雖然有磁晶各向異性，但受到近鄰間的晶粒的交換作用以及靜磁耦合作用，使宏觀的有效磁晶各向異性近似為零。用作薄膜磁頭，大功率變壓器，高頻變壓器，傳感器等，前景廣闊。在更高頻率，更高電阻率，更低渦流損耗條件下工作的軟磁材料。以Fe2O3為主要成分，并達(dá)到實(shí)用化。346.1物質(zhì)磁性的起源6.2材料磁性6.3軟磁材料6.4硬磁材料主要內(nèi)容35主要特點(diǎn)具有較大的矯頑力，典型值Hc＝104～106A/m；磁滯回線較粗，具有較高的最大磁能積(BH)max；剩磁很大；這種材料充磁后不易退磁，適合做永久磁鐵。硬磁材料又稱永磁材料，既難于磁化又難于退磁。Hc