磁化物理知识学习

磁化物理知识学习

什么是磁化？什么是磁化率？什么是磁导率？什么是磁化强度？什么是磁

感应强度？

目录

前言..............................................................................I

I.什么是磁化？.................................................................2

2.什么是碳化强度？什么是磁化率？..............................................2

3.磁化强度和磁感应强度有什么区别？...........................................7

4.什么是磁导率？...............................................................8

5.磁导率和磁化率有什么关系？.................................................12

6.磁屏蔽材料应该用高磁导率材料还是高磁化率材料？............................13

7.那么良好的磁屏蔽材料有哪些？...............................................13

8.那么磁化率高的材料有哪些？.................................................17

前言

相信很多朋友小时候都有这样的经历，如果钉子或者针掉了，可以拿一块

磁铁在掉落的地面附近晃几圈，很多时候钉子和针就吸在磁铁上了，这叫磁铁

寻物。

那么为什么磁铁可以吸引钉子和针这种东西？

其实是钉子被磁化了，磁化后钉子内部产生了磁场，这个磁场和磁铁的磁

场相互吸引。

那么什么叫磁化？怎么衡量磁化的大小？

什么是磁化强度？

什么是磁感应强度？

什么是磁导率？

什么是磁化率？

什么是磁滞？

什么是矫顽力？

什么是剩磁？

等等，问题太多。

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在上一篇关于《磁性的来源》中，我们有了对磁性的基本理解。

那么这篇，我们来看看这些基本的磁概念。

这有助于加深对磁场的理解，也有助于对磁铁生产过程的理解(后续要写

的)。

由于限于篇幅，本文先聊聊前面几个问题。

L什么是磁化？

磁化是指在外部磁场的作用下，磁性材料内部磁矩(点击查看)的重新排列

过程，使材料获得磁性或增强原有的磁性。

在非磁化状态下，磁性材料中的磁矩(即微观磁场的指向)通常是随机分布

的，导致整个材料没有宏观的磁性。

当外部磁场施加到磁性材料上时，磁矩会受到作用力，尝试重新排列并和

外部磁场的方向对齐，这种重新排列的过程就是磁化。

磁化过程可以分为两种情况：

磁矩与外部磁场方向相同：当外部磁场与材料中的磁矩方向一致时，磁矩

会趋向于与外部磁场保持对齐。这称为顺磁化(paramagnetization),顺磁性材

料的磁矩在外部磁场的作用下增强。

磁矩与外部磁场方向相反：当外部磁场与材料中的磁矩方向相反时，磁矩

会趋向于与外部磁场反向排列。这称为反磁化(diamagnetization),反磁性材料

的磁矩在外部磁场的作用卜.减弱。

磁化是磁性材料的基本特性，它决定了材料在磁场中的响应能力和磁性

质。

通过控制磁化过程，可以使磁性材料获得特定的磁性能，例如生成强大的

磁场、实现磁存储或磁传感器等应用。

2.什么是磁化强度？什么是磁化率？

上面我们知道了什么叫磁化，那么怎么衡量磁化的大小？

可以用3个物理量来衡量：

1.磁化强度(Magnetization)：磁化强度表示单位体积内磁性物质所具有的

磁矩。

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它是磁性材料对磁场的响应能力的度量。

磁化强度的大小可以通过单位体积内的磁矩总和来表示，磁化强度通常用

矢量M表示，单位是安培/米(A/m),它具有大小和方向，磁化强度的方向与

材料中磁矩的方向一致。

2.磁化率(MagneticSusceptibility)：磁化率是描述材料对磁场响应能力的

物理量。

它表示单位体积内的磁化强度与外部磁场强度之间的比例关系，用xm表

示，其大小可以衡量材料的磁化程度。

InducedMcqnetization

Forsomematerials,thenetmagneticdipole

momentperunitvolumeisproportionalto

theHfield

面=XmH

unitsof

MAGNETICbothMandH

SUSCEPTIBILITYareA/m.

(dimensionless)

Theeffectofanappliedmagneticfieldonamagneticmaterial

istocreateanetmagneticdipolemomentperunitVOIUT^品圮

磁化强度计算公式，其中xm表示磁化率，H表示外磁场，M表示材料的

磁化强度。

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MagneticA4ateria/s

magneticsusceptibilityXm

Allvaluesgivenforatemperatureof300K

DiamagneticIncaseofferromagneticmaterials:saturation

polarization

Paramagnetic

Ferromagneticnumberswithout():-10b

、心亨罗日•兄

numberswith():.]Q-9

不同元素磁化率的大小。

磁a化率定义为磁化强度与外部磁场强度H之间的比例关系:

xm=M/H

其中，M是磁化强度，H是外部磁场强度。磁化率表示单位体积内的磁化

强度与外部磁场强度的比例。

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FundamentalsofMagnetism

CategoriesofMagnetism

•Canutilizethesusceptibility/tocategorizetypesof

magnetism:

-Xissmallandnegative(*-105TO6):DIAMAGNETIC

•examples:gold,copper,silver,bismuth,silica,many

molecules(andsuperconductors)

6

Xissmallandpositive(~10&orw):PARAMAGNETIC

・examples:aluminum,platinum,manganese

Xislargeandpositive(»1;50-10,000):FERROMAGNETIC

•examples:iron,cobalt,gadolinium

WILLBEREVISITEDLATERINTHISINTRODUCTION

■zr.zsPL|

2015IEEESummerSchool-June14-19.UniversityofMinnesota37

磁化率定义抗磁性顺磁性和铁磁性：抗磁性材料的磁化率很小且为为负

（与外场反向），顺磁性材料的磁化率很小且为为正（与外场同向），铁磁性材料

的磁化率很大且为正。

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PERIODICTABLE

Pr6HoEr

UAmCmBkCfEaFm

TYPESOFMAGNETICMATERIALSWITHEXAMPLES

FerrimagneticsAntiferromagnetlcs

BclFdQ..MnO,FeO,CoO.FeMn,MO.

BoO-dFeyOj.SrO-OFe^O)MnS.MnF,

Paramagnetics

DiamagnetlcsFerromagnetics

Platinum.Akjmimffn,Ak.

Copper.Mercury.Bismuth,

Sodium.Tin,Oxygen.iron.CobaltNkM.

Zinc.MagneaM<n.Gold.

HydrogenGadolinium,Dysprosium.

Silicon.Phosphorus.Water.

ErtAm,Ho»nlum

Graphite.Proteins

SummaryofMagneticProperties

|HDiamagnetic|HParamagnetic|HFerromagnetic

InducedmagneficmomentInducedmagneticmoment

isverysmall,hisorientedisvwysmafl.ItisorientedBelowTf,spinsare

intfwoppositedirectionintheparalMdirectionalignedparaiMin

tothemagneticheld.tothemagneticLmagneticdomaE

FerrimagneticAntiferromagnetic

BetowTc.apinsarealigned6e<owTt,spinsarealigned

Bntlp«r»llelbu<donotawwel•nttparalMInmagneticnv-

磁性材料的5大类别。

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磁化率可以是正值、负值或零，如果xm为正，则该材料是顺磁性的。如

果xm为负，则该材料是抗磁性的。如果xm是可变的(并且非常大)，则该材

料是铁磁性或亚铁磁性的。分别对应于不同的磁性行为：

正磁化率(PositiveMagneticSusceptibility)：当磁化率为正时，材料对外部

磁场的响应表现为顺磁性(Paramagnetic)。顺磁性材料在外部磁场的作用F，

磁化强度与外部磁场强度同向增加。

负磁化率(NegativeMagneticSusceptibility)：当磁化率为负时，材料对外

部磁场的响应表现为反磁性(Diamagnetic)。反磁性材料在外部磁场的作用下，

磁化强度与外部磁场强度反向减小。

零磁化率(ZeroMagneticSusceptibility)：当磁化率为零时，材料对外部磁

场没有明显的响应，表现为无磁性(Nonmagnetic)。

3.磁饱和(MagneticSaturation)：磁饱和是指磁性材料在外部磁场的作用

下达到最大磁化强度的状态。当材料达到磁饱和时，进一步增加外部磁场将无

法再增加磁化强度，材料己充分磁化。

3,磁化强度和磁感应强度有什么区别？

如上面所说，磁化强度表示单位体积内磁性物质所具有的磁矩。磁化强度

是由磁性材料中的磁矩所引起的。磁矩是磁性材料内部微观电流环路产生的磁

场效应，它是导致材料对外部磁场作出响应的根本原因。当外部磁场作用于磁

性材料时，磁矩会重新排列，使材料磁化。

磁化强度的大小可以通过单位体积内的磁矩总和来表示。它通常用符号M

表示，单位是安培/米(A/m)。磁化强度的方向与磁矩的方向相同。

而磁感应强度，也叫磁通密度，通常用符号B表示，是指通过垂直于某个

面积的磁通量(磁场线)除以该面积的大小，即单位面积上的磁通量。磁通量密

度表示了磁场在单位面积上的分市情况，单位为特斯拉(T)。

磁通密度描述的是磁场的强度和方向，它表示磁场在给定点的分布情况。

也就是说磁感应强度(磁通密度)是由外部磁场和材料中的磁化强度共同决定

的。磁通密度通常用矢量B表示，它也具有大小和方向，磁通密度的方向表示

磁场的方向。

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MagneticSusceptibilityandPerrneabilitv

B=No(H+M)=/io(H+Xm甘)

Pr<hXm<0

DiamagnetismMagneticneutralmaterials

Linear(d.h.independentofH)Idealizedcase

temperaturedependency<<

Effect:veryweak

M=

Hr>l/Xm>0

Para-andantiferromagnetismFerro-andferrimagnetism

~Linear(exceptsaturation)Nonlinear/hysteresis

temperaturedependenttemperaturedependent

Effect:weakEffect:strong

9cbyMITOpcnCourscWore.

"丁=1+Xmistherelativepermeabilityofthematerial

•/r.羽笑

〃="必・isthepermeabilityofthematerial

磁感应强度B的计算公式。

磁感应强度B=uO(H+M)o

而磁化强度M=H*xmo

把M带入上式得到B=u0(H+H*xm)=u0*(1+xm)H=u0*ur*H

其中HO是真空中的磁导率。uo=4nX10-7H/mo

口r=(l+xm)是相对磁导率。

Pu0*nr=u0*(1+xm)就是材料的磁导率。

等等，什么是磁导率？

4.什么是磁导率？

材料的磁导率(Permeability)是指其自身与磁场对齐的能力。高磁导率表明

材料很容易将自身与磁场对齐。如果难以与磁场对齐，则称该材料具有低碳导

率。

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AppliedFieldH

Permeabilityp=1

InducedFieldB=0

B<H

AppliedFieldH

Permeability|i>1

InducedFieldB=|ixH

B>H

铝和钢的磁导率及磁感应强度（磁通密度）对比示意图，铝的磁导率为1,

磁感应强度小于外磁场，钢的磁导率大于1,磁感应强度大于外磁场。

磁导率也可以被认为是材料被磁化的难易程度。材料的导磁率越高，越容

易磁化，因此它具有高导磁率。

黑色金属材料会被永磁体吸引，因为永磁体会在黑色金属材料中感应出磁

性。永磁体的磁场和黑色金属材料中新感应的磁场相互吸引。

材料的磁导率表示外部磁场在材料中诱发内部场的难易程度。内场越强，

吸引力就越强。材料的磁导率不是恒定的，而是根据多种因素而变化的。这些

因素包括温度、处理方式、施加的驱动场强度和湿度等。

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低碳钢中感应出的磁场与施加的磁场相互作用，产生吸引力。在上面的图

中，可以观察到钢中的磁通线更密集，磁通线在合金钢中“弯曲”。

木材中的唯一场来自外部施加的磁场，不会感应出新的场，因此没有吸引

力。在图中，并且没有感应场，通量线不会在木材中“弯曲”，它们穿过木

材，就好像它不存在一样。

(»)Pr>1(b)%=1(C)/4r<1

DiamagneticMaterialParamagneticMaterialFerromaonetk:Material

&E."傍"内

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从磁通量（磁感应强度）角度来理解3种磁性：抗磁性：当抗磁性材料受到

外磁场作用时，会产生与外场方向相反的内场，使其内部的磁通密度略有降

低，例如水、汞、银和秘。顺磁性：当顺磁性材料受到外磁场作用时，会产生

与外场方向相同的内部磁场，使其内部的磁通密度略有增加，例如氧、锂、铝

和钛。铁磁：当铁磁性材料受到外磁场作用时.，会产生与外场同方向的很强的

内场，使其内部的磁通密度大大增加，例如铁、钻、银和轧。

磁导率可以分为绝对磁导率和相对磁导率两种。

绝对磁导率（AbsolutePermeability）：绝对磁导率是指材料在磁场中的磁化

程度与外部磁场强度之间的比例关系。绝对磁导率常用符号u来表示，单位是

亨利每米（H/m）。绝对磁导率是材料固有的物理特性，与外部磁场强度无关。

相对磁导率（RelativePermeability）：相对磁导率是指材料在磁场中的磁化

程度与真空中的磁化程度之比。相对磁导率常用符号ur表示，它是绝对磁导

率与真空磁导率的比值，相对磁导率是无量纲的。相对磁导率是介质相对于真

空的磁导率，用于描述介质中磁场传播的能力。真空磁导率是自然界中的一个

基本物理常数，通常用U0表示。其值约为4nxi0”-7）H/m（亨利/米）。

相对磁导率是一个无量纲量，它可以大于1（表示材料对磁场的增强响应）

或小于1（表示材料对磁场的减弱响应）。对于一些特殊的磁性材料，如铁磁材

料，其相对磁导率可以远远大于1,表示其在磁场中的磁化程度远高于真空c

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MaterialRelativePermeability

Iron(99.95%purity,

200,000.00

annealedinHydrogen)

Permalloy8,000.00

ElectricalSteel4,000.00

Ferrite640.00

NeodymiumMagnet1.05

Air1.00

Superconductors0二'"多日纪

几种材料的相对磁导率。

磁导率与磁场强度和磁通量密度之间存在以下关系：

B=PHo其中，B是磁通量密度，H是磁场强度，LX是磁导率。

通过磁导率，我们可以计算在给定磁场强度下介质中的磁通量密度，或者

在给定磁感应强度下介质中的磁场强度。不同的介质具有不同的相对磁导率，

它们对磁场的传播和相互作用具有不同的影响。

磁导率在电磁学、磁学、材料科学和工程等领域中具有重要的应用价值，

例如在电感器设计、磁路分析、电磁波传播等方面。

5.磁导率和磁化率有什么关系？

记住一句话就可以了：“磁化难易程度”不等于“磁化强度”。虽然某些

材料容易磁化，但并不意味着它们会展现出强大的磁性。

容易磁化的材料通常具有高的磁导率和较低的磁滞，这意味着它们在外部

磁场的作用下容易被磁化。然而，磁化强度取决于材料的磁化率和体积磁化强

度之间的乘积。

磁化率是描述材料对外部磁场响应的能力，它与材料的磁性特性相关。而

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体积磁化强度表示单位体积内的磁化程度。因此，即使材料容易磁化，如果它

的磁化率较低或体积磁化强度较小，它的总磁化强度可能仍然较低。

强磁体通常是指具有高磁化强度的材料，这意味着它们在外部磁场下能够

实现较高的磁化。一些强磁体材料，如永磁材料，具有高磁化率和较大的体积

磁化强度，使其能够实现强大的磁性。

因此，磁化难易程度和磁化强度之间的关系并不是简单的因果关系。材料

的磁化强度是由多个因素共同决定的，包括磁化率、体积磁化强度、晶体结构

等。只有在这些因素协同作用下，才能实现高磁化强度的材料，而磁化难易程

度只是其中的一个因素。

6.磁屏蔽材料应该用高磁导率材料还是高磁化率材料？

在磁屏蔽应用中，一般选择具有高磁导率的材料，而不是高磁化率的材

料。这是因为磁屏蔽的目标是吸收或偏转磁场，以减少外部磁场对特定区域的

影响，而不是产生强磁场。

高磁导率的材料对磁场具有较好的响应能力，可以吸收磁场并将其导引到

材料内部，从而减少磁场通过材料的传递。磁导率高的材料可以有效地吸收磁

能，减小磁场的传播和渗透。

相反，高磁化率的材料通常是指具有较高磁化强度的材料，它们在外部磁

场作用下能够实现较高的磁化。这种材料更适合用于制造强磁体或磁性元件，

而不是磁屏蔽应用。

因此，为了实现有效的磁屏蔽效果，选择具有高磁导率的材料是更合适的

选择。一些常用的高磁导率材料包括铁、银、钻和其合金等。这些材料具有良

好的磁导率，可以有效地吸收和导引磁场，从而实现磁屏蔽的目的。

总的来说，磁屏蔽材料需要具有高磁导率，以吸收和导引磁场，减少磁场

的传播。而磁铁或其他需要产生强磁场的应用则需要选择具有高磁化强度的材

料，以实现较高的磁化和产生强大的磁场。

7.那么良好的磁屏蔽材料有哪些？

良好的磁屏蔽材料应具有高磁导率、以及良好的磁滞特性。

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磁屏蔽层的厚度和磁屏蔽效果示意图，当厚度增大到一定的程度，可以完

全屏蔽磁场穿透到右边区域。

由空间磁场及采用磁屏蔽墙和磁屏蔽环时磁场示意图。

以下是一些常用的磁屏蔽材料：

铁：纯铁具有较高的磁导率，是常见的磁屏蔽材料。它可以有效地吸收和

屏蔽磁场。纯铁常用于制造磁屏蔽板和屏蔽外壳。

银铁合金（坡莫合金）：坡莫合金是一种特定类型的银铁合金，通常含有较

高百分比的银（约80-90%）和较低百分比的铁（约10-20%）。它以其高磁导率

和优异的软磁性能而闻名。由于坡莫合金能够有效地衰减和改变磁场方向，因

此通常用于磁屏蔽应用，常用于制造磁屏蔽箔、屏蔽外壳和电子元件。

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复杂形状的冲裁曲面的贴合卷绕

多罗日记

超薄坡莫合金箔，厚度从10um起。图尸来自：https：

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