材料的磁性能(2)

1、第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第四节第四节 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性3.4.13.4.1交流磁化过程与交流回线交流磁化过程与交流回线交流磁化过程，由于磁场强度是周期对称变化的，所以磁交流磁化过程，由于磁场强度是周期对称变化的，所以磁感应强度也跟着周期性对称地变化，变化一周构成一曲线感应强度也跟着周期性对称地变化，变化一周构成一曲线称为称为交流磁滞回线交流磁滞回线。交流回线顶点的轨迹交流回线顶点的轨迹-交流磁化曲线交流磁化曲线（BmHm曲线）曲线）Bm-幅值磁感应强度幅值磁感应强度第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第三节第三节 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性ai

2、 am Bra Hcs 第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第四节第四节 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性动态磁滞回线的特点：动态磁滞回线的特点： 交流回线形状除与磁场强度有关外，还与磁场变化的交流回线形状除与磁场强度有关外，还与磁场变化的频率频率f和波形有关。和波形有关。 在一定频率下，交流幅值磁场强度不断减少时，交流在一定频率下，交流幅值磁场强度不断减少时，交流回线逐渐趋于成椭圆形状。回线逐渐趋于成椭圆形状。 当频率升高时，呈现椭圆回线的磁场强度的范围会扩当频率升高时，呈现椭圆回线的磁场强度的范围会扩大，大， 且各磁场强度下回线的矩形比且各磁场强度下回线的矩形比BraBm会升高。会

3、升高。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第四节第四节 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性钼坡莫合金带不同钼坡莫合金带不同频率下的磁滞回线频率下的磁滞回线第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第四节第四节 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性3.4.2 3.4.2 复数磁导率复数磁导率在交变磁场作用下，各向同性铁磁材料的磁性与它在静磁场在交变磁场作用下，各向同性铁磁材料的磁性与它在静磁场作用下的磁性的不同：作用下的磁性的不同：首先，在静磁场中材料的磁导率是一常数。但在交变磁场中首先，在静磁场中材料的磁导率是一常数。但在交变磁场中由于存在磁滞效应、涡流效应、磁后效、畴壁共振等，材料由于存

4、在磁滞效应、涡流效应、磁后效、畴壁共振等，材料在交变磁场中的磁感应强度落后于外加磁场一个相位，因而在交变磁场中的磁感应强度落后于外加磁场一个相位，因而其磁导率为一复数。其磁导率为一复数。其次，各向同性的铁磁材料在交变磁场其次，各向同性的铁磁材料在交变磁场(特别是在高频的交变特别是在高频的交变磁场磁场)中，往往处于交变磁场和交变电场的同时作用下，而铁中，往往处于交变磁场和交变电场的同时作用下，而铁磁材料又往往也是电介质磁材料又往往也是电介质(例如铁氧体例如铁氧体)，因而处在交变场中，因而处在交变场中的铁磁材料常常同时显示其铁磁性和介电性。的铁磁材料常常同时显示其铁磁性和介电性。第三章第三章 材料

5、的磁性能材料的磁性能 第四节第四节 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性设样品在弱交变场磁化且设样品在弱交变场磁化且B和和H具有正弦波形，并以复数具有正弦波形，并以复数形式表示，形式表示，B与与H存在的相位差为存在的相位差为，则，则从而由磁导率定义得复数磁导率：从而由磁导率定义得复数磁导率：第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第四节第四节 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性令：令：则则复数磁导率的模为复数磁导率的模为称为称为总磁导率或总磁导率或振幅磁导率，振幅磁导率， 定义为定义为弹性磁导率，弹性磁导率，代表了磁性材料中储存代表了磁性材料中储存能量的磁导率，能量的磁导率，“称为称为损耗磁

6、导率损耗磁导率，它与磁性材料磁化一周的，它与磁性材料磁化一周的损耗有关。损耗有关。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第四节第四节 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性磁感应强度相对于磁场强度落后的相位角的正切称为磁感应强度相对于磁场强度落后的相位角的正切称为损耗角正切，即损耗角正切，即倒数称为倒数称为软磁材料的软磁材料的品质因数品质因数。处于均匀交变磁场中的单位体积铁磁体，单位时间的平均处于均匀交变磁场中的单位体积铁磁体，单位时间的平均能量损耗：能量损耗：对于矫顽力较对于矫顽力较小的软磁材料，小的软磁材料，总是希望总是希望Q值值和和 越高越好越高越好。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性

7、能 第四节第四节 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性3.4.3 3.4.3 交变磁场作用下的能量损耗交变磁场作用下的能量损耗磁芯在不可逆交流磁化过程中所消耗的能量，统称铁芯损耗，磁芯在不可逆交流磁化过程中所消耗的能量，统称铁芯损耗，简称铁损。简称铁损。总的磁损耗功率为：总的磁损耗功率为：剩余损耗功率剩余损耗功率磁滞损耗功率磁滞损耗功率涡流损耗功率涡流损耗功率一、趋肤效应和涡流损耗一、趋肤效应和涡流损耗如果交变磁场的频率较高，铁磁导体的电阻率又较小，则可如果交变磁场的频率较高，铁磁导体的电阻率又较小，则可能使得材料内部几乎完全没有磁场，这时的能使得材料内部几乎完全没有磁场，这时的 磁场只存在于

8、铁磁场只存在于铁磁体的表面一层里，这就是磁体的表面一层里，这就是“集肤效应集肤效应”。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第四节第四节 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性二、磁滞损耗二、磁滞损耗瑞利磁滞回线的上升支和下降支瑞利磁滞回线的上升支和下降支第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第四节第四节 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性磁感应强度的解析式：磁感应强度的解析式：称为瑞利常数，称为瑞利常数，表示磁化过程中不可逆部分的大小表示磁化过程中不可逆部分的大小样品单位体积中磁化一周所消耗的磁滞损耗：样品单位体积中磁化一周所消耗的磁滞损耗：第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第四节

9、第四节 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性在交变场中每秒内的磁滞损耗在交变场中每秒内的磁滞损耗(功率功率)为：为：品质因数品质因数Q和波形失真系数：和波形失真系数：第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第四节第四节 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性三、剩余损耗及磁导率减落现象三、剩余损耗及磁导率减落现象在低频和弱磁场条件下，剩余损耗主要是在低频和弱磁场条件下，剩余损耗主要是磁后效磁后效引起的。引起的。磁后效磁后效-处于外磁场为处于外磁场为Ht0。的磁性材料，突然受到外磁。的磁性材料，突然受到外磁场的阶跃变化到场的阶跃变化到Ht1则磁性材料的磁感应强度并不是立即全则磁性材料的磁感应强度并

10、不是立即全部达到稳定位，而是一部分瞬时到达，另一部分缓慢趋近部达到稳定位，而是一部分瞬时到达，另一部分缓慢趋近稳定值。稳定值。李希特后效李希特后效-由于杂质原子的扩散引起的可逆后效。由于杂质原子的扩散引起的可逆后效。约旦后效约旦后效-由于热起伏引起的不可逆后效。由于热起伏引起的不可逆后效。与温度和频率关系密切与温度和频率关系密切几乎与温度和磁化场的频率无关几乎与温度和磁化场的频率无关第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第四节第四节 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性磁后效示意图磁后效示意图第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第四节第四节 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性假定材料在

11、完全退磁后时间假定材料在完全退磁后时间t1(s)测得的起始磁导率为测得的起始磁导率为i1，时间，时间t2(s)测得的为测得的为i2 。，为了描述这一现象将。，为了描述这一现象将减落系数减落系数DA定义为：定义为：磁导率减落磁导率减落Mn-Zn铁氟体的磁导率减落曲线铁氟体的磁导率减落曲线第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第四节第四节 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第四节第四节 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性机制机制：由于铁磁材料中电子或离子的扩散后效所造成的。：由于铁磁材料中电子或离子的扩散后效所造成的。电子或离子扩散后效的弛豫时间为几分

12、钟到几年，其激电子或离子扩散后效的弛豫时间为几分钟到几年，其激活能为几个电子伏特。由于磁性材料退磁时处于亚稳状活能为几个电子伏特。由于磁性材料退磁时处于亚稳状态，随着时间的推移，为使磁性体的自由能达到最小态，随着时间的推移，为使磁性体的自由能达到最小值电子或离子将不断向有利的位置扩散，把畴壁稳定值电子或离子将不断向有利的位置扩散，把畴壁稳定在势阱中，导致了磁中性化后铁氧体材料起始磁导率随在势阱中，导致了磁中性化后铁氧体材料起始磁导率随时间的减落。如果时间足够长，扩散趋于完成，起始磁时间的减落。如果时间足够长，扩散趋于完成，起始磁导率也就趋于稳定值。导率也就趋于稳定值。MnZn铁氧体的减落系数铁

13、氧体的减落系数DA随温度随温度T的变化的变化第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第四节第四节 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性峰峰1就是对应于这种电子跳跃就是对应于这种电子跳跃运动所引起的减落峰。运动所引起的减落峰。峰峰2则是由于存在不同价的则是由于存在不同价的Mn离子引起的，离子引起的，峰峰3则是由于铁氧体中则是由于铁氧体中Fe离子通过经常存在的点阵离子通过经常存在的点阵空位移动而形成的。空位移动而形成的。峰峰4是对应于杂质磁性是对应于杂质磁性Co离子通过空位的移动所形离子通过空位的移动所形成的成的第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第五节第五节 磁性材料磁性材料1 1、特点：、

14、特点：软磁材料磁致回线细长，磁导率高，矫顽力低，铁软磁材料磁致回线细长，磁导率高，矫顽力低，铁芯损耗低，容易磁化，也容易去磁。芯损耗低，容易磁化，也容易去磁。软磁合金的磁化曲线软磁合金的磁化曲线3.5.1 3.5.1 软磁材料软磁材料2 2、组织结构与性能关系、组织结构与性能关系通过使用高纯的原料、改善熔炼铸造工艺条通过使用高纯的原料、改善熔炼铸造工艺条件及其后的加工过程，提高材料的均匀性件及其后的加工过程，提高材料的均匀性降低矫顽力，提高磁导串，降低铁芯损耗。降低矫顽力，提高磁导串，降低铁芯损耗。通过降低磁各向异性，增加纯度通过降低磁各向异性，增加纯度-改改善初始磁导率，降低磁滞损耗。善初始

15、磁导率，降低磁滞损耗。通过增加电阻率，减低芯片的厚度通过增加电阻率，减低芯片的厚度-降低涡流损耗。降低涡流损耗。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第五节第五节 磁性材料磁性材料3 3、分类：、分类：金属软磁材料金属软磁材料软磁铁氧体软磁铁氧体电工用纯铁电工用纯铁电工用硅钢片（电工用硅钢片（FeFeSiSi合金）合金）合金合金非晶态合金非晶态合金含碳量极低，其纯度在含碳量极低，其纯度在99.9599.95以上以上只能在直流磁场下工作只能在直流磁场下工作 低碳（低碳（C0.015wt%)C0.015wt%)与低硅（与低硅（(Si+Al) 1wt%) (Si+Al) 1wt%) Si Si含量

16、在含量在0.5wt%0.5wt% 6.5wt%6.5wt%范围内的范围内的FeFeSiSi合金合金铁镍合金铁镍合金 ( (坡莫合金坡莫合金permalloy)permalloy)铁铝合金铁铝合金在较弱的磁场下，具有较高的磁导率在较弱的磁场下，具有较高的磁导率铁基非晶态软磁合金铁基非晶态软磁合金钴基非晶态软磁合金钴基非晶态软磁合金铁镍基非晶态软磁合金铁镍基非晶态软磁合金15Kv15Kv配电变压器的性能配电变压器的性能第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第五节第五节 磁性材料磁性材料第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第五节第五节 磁性材料磁性材料3.5.2 3.5.2 硬磁材料硬磁材料(

17、 (永磁材料）永磁材料）永久磁铁的空气隙永久磁铁的空气隙材料硬是指磁性材料经过外加磁材料硬是指磁性材料经过外加磁场磁化后能长期保留其强磁性，场磁化后能长期保留其强磁性，（Hc104 A/m)，剩余磁感应，剩余磁感应强度大于强度大于1T以上。以上。空气隙的磁场空气隙的磁场Hg为为第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第五节第五节 磁性材料磁性材料评价永磁材料的几个重要指标：评价永磁材料的几个重要指标：剩余磁感应强度剩余磁感应强度BrBr，矫顽力，矫顽力 HcHc，最大磁能积（最大磁能积（BH)maxBH)max以及突起以及突起系数系数永磁材料的退磁曲线和磁能积曲线永磁材料的退磁曲线和磁能积曲线

18、 （BH)m/BrHcBH)m/BrHc第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第五节第五节 磁性材料磁性材料分类：分类：铝镍钴系永磁合金铝镍钴系永磁合金特点：高的磁能积及剩余磁感应强度，适中的矫顽力特点：高的磁能积及剩余磁感应强度，适中的矫顽力稀土永磁合金稀土永磁合金稀土钴永磁材料稀土钴永磁材料第一代：第一代：SmCoSmCo5 5 PrCo PrCo5 5 (SmPr)Co (SmPr)Co5 5 第二代：第二代：Sm2Co17 Sm2(Co, Cu, F, Zr)17 NdNdFeFeB B系合金系合金优点：加工性能好，合金密度稀土钴合金低优点：加工性能好，合金密度稀土钴合金低1313

19、缺点：耐蚀性差，居里温度低（缺点：耐蚀性差，居里温度低（312312），磁感应强度），磁感应强度温度系数大，材料使用温度低（不超过温度系数大，材料使用温度低（不超过150150）第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第五节第五节 磁性材料磁性材料3.5.3 3.5.3 信息存储磁性材料信息存储磁性材料一、磁记录原理简介一、磁记录原理简介纵向记录示意图纵向记录示意图第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第五节第五节 磁性材料磁性材料三种最基本的磁记录信号三种最基本的磁记录信号第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第五节第五节 磁性材料磁性材料二、磁记录材料二、磁记录材料1 1、磁头材料、磁

20、头材料基本要求：基本要求：（1 1）高的磁导率）高的磁导率（2 2）高的饱和磁感应强度）高的饱和磁感应强度（3 3）低的）低的BrBr和和HcHc（4 4）高的电阻率和耐磨性）高的电阻率和耐磨性磁头基本结构磁头基本结构1 1后隙后隙 2 2线圈线圈3 3铁心铁心 4 4前隙前隙第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第五节第五节 磁性材料磁性材料金属磁头材料：金属磁头材料：非晶态合金：非晶态合金：铁基和钴基非晶态合金铁基和钴基非晶态合金薄膜磁头材料：薄膜磁头材料：NiFeNiFe合金合金Fe-Ni-Nb(Ta) Fe-Ni-AlFe-Ni-Nb(Ta) Fe-Ni-Al系系补充：补充：巨磁阻磁

21、头巨磁阻磁头磁性材料的电阻率随磁化状态而改变的现象称为磁性材料的电阻率随磁化状态而改变的现象称为磁致电阻效应磁致电阻效应2 2、磁记录介质材料、磁记录介质材料基本要求：基本要求：（1 1）剩余磁感应强度）剩余磁感应强度BrBr高高（2 2）矫顽力）矫顽力HcHc适当的高适当的高（3 3）磁致回线接近矩形）磁致回线接近矩形第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第五节第五节 磁性材料磁性材料（4 4）磁层均匀，厚度适当）磁层均匀，厚度适当（5 5）磁性粒子的尺寸均匀，呈单磁畴状态）磁性粒子的尺寸均匀，呈单磁畴状态 （6 6）磁致伸缩小）磁致伸缩小分类：分类：（1 1）颗粒（磁粉）涂布型介质）颗粒

22、（磁粉）涂布型介质（2 2）连续薄膜记录介质）连续薄膜记录介质第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第五节第五节 磁性材料磁性材料3.5.3 3.5.3 铁磁性测量方法及应用铁磁性测量方法及应用一、铁磁材料静态磁特性的测量一、铁磁材料静态磁特性的测量1、静态磁特性的冲击法测量、静态磁特性的冲击法测量(1)闭路试祥的冲击法测量闭路试祥的冲击法测量闭路试样示意图闭路试样示意图闭合磁路的试祥通常被做成圆环闭合磁路的试祥通常被做成圆环形或方框形，其截面为圆形成正形或方框形，其截面为圆形成正方形。当这种试祥沿环的轴线磁方形。当这种试祥沿环的轴线磁化时磁路是闭合的，没有退磁场，化时磁路是闭合的，没有退磁

23、场，漏磁通极小，因而试样的测试结漏磁通极小，因而试样的测试结果正确地体现了材料的磁性。果正确地体现了材料的磁性。注：冲击捡流计注：冲击捡流计G与一般检流与一般检流计不同，它不是测量流经捡流计不同，它不是测量流经捡流计的电流，而是测量在一个电计的电流，而是测量在一个电磁脉冲后流过的总电量。磁脉冲后流过的总电量。第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第五节第五节 磁性材料磁性材料冲击法测量原理图冲击法测量原理图在N线圈中通以电流i，则在N中产生磁场：试样被磁化，设其磁感应强度为B。试样中的磁通量为：第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第五节第五节 磁性材料磁性材料引起线圈引起线圈n(匝数为匝

24、数为n)中产生感生电动势中产生感生电动势:这个电动势在由这个电动势在由n、M、G、R3、R4所组成的测量回所组成的测量回路中产生的电流为路中产生的电流为:式中式中r为测量回路中总的折合电阻。此电流是瞬时电流，由冲为测量回路中总的折合电阻。此电流是瞬时电流，由冲击检流计测出其电量为：击检流计测出其电量为：第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第五节第五节 磁性材料磁性材料此此Q引起检流计指示部分偏转一个引起检流计指示部分偏转一个角，则角，则QC，C为冲击检为冲击检流计常数。故可写出：流计常数。故可写出：Cr叫测量回路的冲击常数，叫测量回路的冲击常数，M为互感器的互感系数。为互感器的互感系数。局

25、限性：局限性：只适用于测定软磁材料只适用于测定软磁材料(2)开路试样的冲击法测量开路试样的冲击法测量第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第五节第五节 磁性材料磁性材料硬磁材料用强磁场测量原理图硬磁材料用强磁场测量原理图静态磁性自动测量原理静态磁性自动测量原理(3)完全自动记录测量磁参数的磁性测量仪完全自动记录测量磁参数的磁性测量仪第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第五节第五节 磁性材料磁性材料二、铁磁材料动态磁特性的测量二、铁磁材料动态磁特性的测量1、伏安法、伏安法伏安法测交流曲线原理图伏安法测交流曲线原理图设磁化线圈设磁化线圈W1中的电流有中的电流有效值在安培计显示为效值在安培计显

26、示为I，那，那么，在电源为正弦波的条么，在电源为正弦波的条件下，样品中的峰值磁场件下，样品中的峰值磁场强度强度Hm计算为：计算为：第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第五节第五节 磁性材料磁性材料如果测得次级的感应电动势平均值如果测得次级的感应电动势平均值E2，则磁感应强度的，则磁感应强度的峰值为峰值为:在不同磁化电流下测得在不同磁化电流下测得Bm和和Hm，即得到动态磁化曲线，即得到动态磁化曲线Bm-Hm局限性：局限性：是一种准确度不高的方法，其测量误差一般是一种准确度不高的方法，其测量误差一般为为1015%，而且此法不能用来测量交流磁损耗。，而且此法不能用来测量交流磁损耗。第三章第三章

27、材料的磁性能材料的磁性能 第五节第五节 磁性材料磁性材料2、示波法、示波法 用示波器用示波器可以在较宽的频可以在较宽的频率范围（率范围（10Hz100kHz)，直接观察铁磁材料试样的磁直接观察铁磁材料试样的磁滞回线，也可以进行摄影。滞回线，也可以进行摄影。示波器法既适用于示波器法既适用于闭路试样，闭路试样，也适用于开路试样也适用于开路试样，所测定，所测定的基本磁化曲线和磁滞，回的基本磁化曲线和磁滞，回线的误差约为线的误差约为710示波法线路原理示波法线路原理第三章第三章 材料的磁性能材料的磁性能 第五节第五节 磁性材料磁性材料磁滞回线上任意点的磁场强度磁滞回线上任意点的磁场强度Hm可以表示为：可以表示为：在在Y轴上得到轴上得到B m的值为：的值为：交流磁化损耗决定于交流磁化损耗决定于Bm-H m包围磁滞回线面积。采用求积包围磁滞回线面积。采用求积仪测出回线面积仪测出回线面积5。后，样品的单位质量的损耗率可按下式。后，