磁性材料基礎(chǔ)知識(shí)

1、磁性材料基礎(chǔ)知識(shí)內(nèi)部交流報(bào)告內(nèi)部交流報(bào)告提綱提綱磁性材料的發(fā)展簡史磁性材料的發(fā)展簡史1 1 電磁學(xué)主要定律電磁學(xué)主要定律- -恒穩(wěn)恒穩(wěn)/ /交變磁場交變磁場3 32 2 磁學(xué)基本常識(shí)磁學(xué)基本常識(shí)4 4磁性材料性能分析磁性材料性能分析u 磁性來源磁性來源u 磁學(xué)基本概念磁學(xué)基本概念u 磁性材料分類磁性材料分類5 5 磁性材料應(yīng)用實(shí)例磁性材料應(yīng)用實(shí)例一、磁性材料發(fā)展簡史一、磁性材料發(fā)展簡史 磁性材料是最早被人類認(rèn)識(shí)和利用的功能材料，磁性材料是最早被人類認(rèn)識(shí)和利用的功能材料，伴隨了人類文明的發(fā)展。伴隨了人類文明的發(fā)展。指南針羅盤磁磁石頭、后記錄為磁鐵石頭、后記錄為磁鐵MagicMagicMagnet

2、Magnet具有魔力的具有魔力的一、磁性材料發(fā)展簡史一、磁性材料發(fā)展簡史指南針指南針 司馬遷司馬遷史記史記描述黃帝作戰(zhàn)用描述黃帝作戰(zhàn)用10861086年年 宋朝沈括宋朝沈括夢(mèng)溪筆談夢(mèng)溪筆談指南針的制造方法等指南針的制造方法等11191119年年 宋朝朱或宋朝朱或萍洲可談萍洲可談 羅盤，用于航海的記載羅盤，用于航海的記載 W. Gilbert W. Gilbert De MagneteDe Magnete磁石，最早的著作磁石，最早的著作1818世紀(jì)世紀(jì) 奧斯特奧斯特 電流產(chǎn)生磁場電流產(chǎn)生磁場 法拉弟效應(yīng)法拉弟效應(yīng) 在磁場中運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體產(chǎn)生電流在磁場中運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體產(chǎn)生電流 安培定律安培定律 構(gòu)成電磁學(xué)的基

3、礎(chǔ)構(gòu)成電磁學(xué)的基礎(chǔ), , 開創(chuàng)現(xiàn)代電氣工業(yè)開創(chuàng)現(xiàn)代電氣工業(yè)19071907年年 P. WeissP. Weiss的磁疇和分子場假說的磁疇和分子場假說19281928年年 海森堡模型，用量子力學(xué)解釋分子場起源海森堡模型，用量子力學(xué)解釋分子場起源19311931年年 BitterBitter在顯微鏡下直接觀察到磁疇在顯微鏡下直接觀察到磁疇19331933年年 加藤與武井發(fā)現(xiàn)含加藤與武井發(fā)現(xiàn)含CoCo的永磁鐵氧體的永磁鐵氧體19351935年年 荷蘭荷蘭SnoekSnoek發(fā)明軟磁鐵氧體發(fā)明軟磁鐵氧體19351935年年 LandauLandau和和LifshitzLifshitz考慮退磁場考慮退磁

4、場, , 理論上預(yù)言了磁疇結(jié)構(gòu)理論上預(yù)言了磁疇結(jié)構(gòu) 19461946年年 BioembergenBioembergen發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)NMRNMR效應(yīng)效應(yīng) 19481948年年 NeelNeel建立亜鐵磁理論建立亜鐵磁理論 1954-19571954-1957年年 RKKYRKKY相互作用的建立相互作用的建立 19581958年年 M Mssbauerssbauer效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn) 19601960年年 非晶態(tài)物質(zhì)的理論預(yù)言非晶態(tài)物質(zhì)的理論預(yù)言 19651965年年 MaderMader和和NowickNowick制備了制備了CoPCoP鐵磁非晶態(tài)合金鐵磁非晶態(tài)合金 19701970年年 SmCo

5、5SmCo5稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn)稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn) 19821982年年 掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡, Brining, Brining和和Rohrer,( 1986Rohrer,( 1986年年,AFM ),AFM ) 19841984年年 NdFeBNdFeB稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn)稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn) Sagawa(Sagawa(佐川佐川) ) 19861986年年 高溫超導(dǎo)體，高溫超導(dǎo)體，Bednortz-mullerBednortz-muller 19881988年年 巨磁電阻巨磁電阻GMRGMR的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)(M.N. Baibich)(M.N. Baibich)，法國，法國Paris-Su

6、dParis-Sud大大學(xué)的學(xué)的Albert FertAlbert Fert以及德國尤里希研究中心的以及德國尤里希研究中心的Peter GrnbergPeter Grnberg獲獲20072007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 19941994年年 CMRCMR龐磁電阻的發(fā)現(xiàn)，龐磁電阻的發(fā)現(xiàn)，JinJin等等LaCaMnOLaCaMnO3 3 19951995年年 隧道磁電阻隧道磁電阻TMRTMR的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn),T.Miyazaki,T.Miyazaki一、磁性材料發(fā)展簡史（續(xù)）一、磁性材料發(fā)展簡史（續(xù)）古老而年輕古老而年輕的的功能材料功能材料提綱提綱磁性材料的發(fā)展簡史磁性材料的發(fā)展簡史1 1

7、 電磁學(xué)主要定律電磁學(xué)主要定律- -恒穩(wěn)恒穩(wěn)/ /交變磁場交變磁場3 32 2 磁學(xué)基本常識(shí)磁學(xué)基本常識(shí)4 4磁性材料性能分析磁性材料性能分析u 磁性來源磁性來源u 磁學(xué)基本概念磁學(xué)基本概念u 磁性材料分類磁性材料分類5 5 磁性材料應(yīng)用實(shí)例磁性材料應(yīng)用實(shí)例二、磁學(xué)常識(shí)二、磁學(xué)常識(shí)- -磁性來源磁性來源粉紋法演示磁力線分布粉紋法演示磁力線分布磁極之間同性相斥、異性相吸磁極之間同性相斥、異性相吸磁鐵不論大小，都有唯一的磁鐵不論大小，都有唯一的N N極和極和S S極。極。磁偶極子和磁矩磁偶極子和磁矩2.1 2.1 磁性來源磁性來源 如果一個(gè)小磁體能夠用無限小的電流回路如果一個(gè)小磁體能夠用無限小的電

8、流回路來表示，我們就稱為來表示，我們就稱為磁偶極子磁偶極子。用磁偶極矩。用磁偶極矩j jm m表表示：示： 與磁偶極子等效的平面回路的電流和回路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面積的乘積定義為磁矩磁矩表征磁性物體磁性表征磁性物體磁性大小的物理量大小的物理量，用，用m m表示：表示：jm=mlm=iAi+m-ml磁偶極矩和磁矩具有相同的物理意義，存在關(guān)系：磁偶極矩和磁矩具有相同的物理意義，存在關(guān)系：jm=0m ，o=410-7Hm-1 ，真空磁導(dǎo)率真空磁導(dǎo)率磁化強(qiáng)度磁化強(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)度磁極化強(qiáng)

9、度J Jm m ； 單位體積磁體磁體內(nèi)磁偶極子的磁矩矢量和稱為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)度磁化強(qiáng)度M M2mmjJWb mV1mMA mVJ J m m和和M M亦有如下關(guān)系：亦有如下關(guān)系： Jm=0M W bm-2Am-12.1 2.1 磁性來源磁性來源 鐵磁材料之所以具有高導(dǎo)磁鐵磁材料之所以具有高導(dǎo)磁性，是因?yàn)樵谒鼈兊膬?nèi)部具有性，是因?yàn)樵谒鼈兊膬?nèi)部具有一種特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu)一種特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。2.1 2.1 磁性來源磁性來源 鐵磁材料內(nèi)部往往有相鄰的鐵磁材料內(nèi)部往往有相鄰的幾百個(gè)分子電流圈流向一致，因此在幾百個(gè)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(gè)個(gè)天這些

10、極小的區(qū)域內(nèi)就形成了一個(gè)個(gè)天然的磁性區(qū)域然的磁性區(qū)域。 鐵磁材料內(nèi)部的磁疇排列，因此對(duì)外不顯示磁性。磁疇是怎磁疇是怎么形成的么形成的？ 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(gè)很強(qiáng)的。2.1 2.1 磁性來源磁性來源- -磁疇和疇壁磁疇和疇壁磁疇和疇壁整體示意圖布洛赫壁示例布洛赫壁示例奈爾壁示例奈爾壁示例BHBHBHBH(A)(B)(C)(D)2.1 2.1 磁性來源磁性來源- -典型磁化過程典型磁化過程2.2 2.2 磁學(xué)基本概念磁學(xué)基本概念1 1、單位體積磁體磁體內(nèi)磁偶極子的磁矩矢量和稱為、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)度磁化強(qiáng)度M M；2

11、2、磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度(B ):(B ):物質(zhì)物質(zhì)在外磁場（在外磁場（H H）作用下，其內(nèi)部原子磁矩的有序排作用下，其內(nèi)部原子磁矩的有序排列還將產(chǎn)生一個(gè)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列還將產(chǎn)生一個(gè)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和, ,單位為單位為T T（特斯拉）。（特斯拉）。B B與與H H關(guān)系比較復(fù)雜。關(guān)系比較復(fù)雜。B=0（H+M）3 3、磁化率、磁化率 ：4 4、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)率0 0 ：在真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度：在真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度B B與磁場強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度H H間的關(guān)系為：間的關(guān)系為： B=0H = 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)

12、度之比：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： =B/H 0 0 : : 真空磁導(dǎo)率真空磁導(dǎo)率; : ; : 絕對(duì)磁導(dǎo)率，單位為絕對(duì)磁導(dǎo)率，單位為 H/mH/m，r: r: 相對(duì)磁導(dǎo)率相對(duì)磁導(dǎo)率 r =/0r =/05 5、磁通量、磁通量： =BS2.3 2.3 磁性材料分類磁性材料分類磁性材料按磁性分類：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，將磁性材料分為的性質(zhì)與強(qiáng)度，將磁性材料分為5 5類：類： 與外部無響應(yīng)（基本）：與外部無響應(yīng)（基本）： 抗磁性抗磁性 順磁性順磁性 X X 1 反鐵磁性反鐵磁性 與外部磁場有

13、強(qiáng)烈的相互作用：與外部磁場有強(qiáng)烈的相互作用： 鐵磁性鐵磁性 X X11 亞鐵磁性亞鐵磁性 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 2.3 磁性材料分類磁性材料分類按矯頑力分類按矯頑力分類軟磁材料軟磁材料半硬磁材料半硬磁材料硬（永）磁材料硬（永）磁材料H Hc c100A/m(1.25 Oe)1000A/m(12.5Oe)1000A/m(12.5Oe)按化學(xué)組成分類：按化學(xué)組成分類： 金屬（合金）；無機(jī)（氧化物）；有機(jī)化合物金屬（合金）；無機(jī)（氧化物）；有機(jī)化合物按維度分類：按維度分類： 納米（零維；一維；二維）；微晶；非晶；塊體納米（零維；一維；二維）

14、；微晶；非晶；塊體提綱提綱磁性材料的發(fā)展簡史磁性材料的發(fā)展簡史1 1 電磁學(xué)主要定律電磁學(xué)主要定律- -恒穩(wěn)恒穩(wěn)/ /交變磁場交變磁場3 32 2 磁學(xué)基本常識(shí)磁學(xué)基本常識(shí)4 4磁性材料性能分析磁性材料性能分析u 磁性來源磁性來源u 磁學(xué)基本概念磁學(xué)基本概念u 磁性材料分類磁性材料分類5 5 磁性材料應(yīng)用實(shí)例磁性材料應(yīng)用實(shí)例三、電磁學(xué)主要定律三、電磁學(xué)主要定律3.13.1畢奧畢奧薩伐爾定律薩伐爾定律奧斯特試驗(yàn)：奧斯特試驗(yàn)：IP* *lIdBdrlIdrBd( (1)1)電流元電流元：lId1. 1. 電流元產(chǎn)生的磁場電流元產(chǎn)生的磁場方向：方向：線元上電流的方向。線元上電流的方向。大?。捍笮。篒

15、dl200d4drrlIBrrr0單位矢量單位矢量表述表述: :電流元電流元 在空間在空間 點(diǎn)產(chǎn)生的磁場點(diǎn)產(chǎn)生的磁場 為為: :BdPlId問題：問題：電流產(chǎn)生磁場，如何計(jì)算？電流產(chǎn)生磁場，如何計(jì)算？畢奧畢奧薩伐爾定律的應(yīng)用薩伐爾定律的應(yīng)用1 1 一段一段有限長載流直導(dǎo)線有限長載流直導(dǎo)線, , 通有電流通有電流 I , , 求距求距 a 處處 P 點(diǎn)的點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁感應(yīng)強(qiáng)度。rBdaxoyllIdP21z2sin/dadl)ctg( alctgasin/ar daIsin4 0220sin/sin /4aIaddB 沿導(dǎo)線積分求總磁場沿導(dǎo)線積分求總磁場 B B：20sin4rIdldBLd

16、BB21sin40daI210coscos4 aI(1)(1)無限長無限長載流直導(dǎo)線的磁場載流直導(dǎo)線的磁場討論：討論： ,01; 2aIB20rBdaxoyllIdP21z(2)(2)半無限長半無限長載流直導(dǎo)線的磁場載流直導(dǎo)線的磁場,21aIB40; 2,1;2) 1(cos40aIB(3)(3)半無限長半無限長載流直導(dǎo)線的磁場載流直導(dǎo)線的磁場）（210coscos4aIB(4)(4)載流導(dǎo)線載流導(dǎo)線延長線上延長線上任一點(diǎn)的磁場任一點(diǎn)的磁場IaP0B,/ rlId0rlIdIaPIaP(1)(1)(2)(2)(3)(3)I Ix 真空中，半徑為真空中，半徑為R 的載流導(dǎo)線，通有電流的載流導(dǎo)線，

17、通有電流I , , 稱稱圓圓形形電流電流. . 求其求其軸線上一點(diǎn)軸線上一點(diǎn) p 的磁感強(qiáng)度的方向和大小的磁感強(qiáng)度的方向和大小. . 解解: : 根據(jù)對(duì)稱性分析根據(jù)對(duì)稱性分析20d4drlIB圓圓形電形電流流（圓環(huán)）（圓環(huán)）軸線上軸線上的磁場的磁場. .rBdBBlIdpRo*x畢奧畢奧薩伐爾定律的應(yīng)用薩伐爾定律的應(yīng)用2 2xxRp*20dsin4sindrlIdBBxlrlIB20dsin4222sinxRrrRRlrI2020dsin42/322202）（RxIR20d4drlIBoBdrlIdxdB畢奧畢奧薩伐爾定律的應(yīng)用薩伐爾定律的應(yīng)用2 2oI2R1R（5 5）* * Ad d（4

18、4）* *1010200444RIRIRIBdIBA40IRo（1 1）x0Bo（2 2R）I+ +RIB400( (教材教材p18p18) )半圓半圓RIB200圓環(huán)圓環(huán)討論：各種形狀電流的磁場討論：各種形狀電流的磁場R（3 3）oI2200RIB 任意圓弧任意圓弧3.2 3.2 磁場高斯定律磁場高斯定律BB1 1、內(nèi)容、內(nèi)容 通過任意閉合曲面的磁通量必等于零。通過任意閉合曲面的磁通量必等于零。 SSdB02 2、解釋、解釋磁感應(yīng)線是閉合的，因此磁感應(yīng)線是閉合的，因此有多少條磁感應(yīng)線進(jìn)入閉有多少條磁感應(yīng)線進(jìn)入閉合曲面，就一定有多少條合曲面，就一定有多少條磁感應(yīng)線穿出該曲面。磁感應(yīng)線穿出該曲面

19、。S S磁場是磁場是無源場無源場； 電場是有源場電場是有源場磁極相對(duì)出現(xiàn)，不存在磁單極；磁極相對(duì)出現(xiàn)，不存在磁單極； 單獨(dú)存在正負(fù)電荷單獨(dú)存在正負(fù)電荷3 3、說明、說明3.3 3.3 安培環(huán)路定理安培環(huán)路定理BiioLIl dB1I2IL LiI1nIn kI1 1、內(nèi)容、內(nèi)容在穩(wěn)恒電流的磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)在穩(wěn)恒電流的磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度度 沿任何閉合回路沿任何閉合回路L L的線積的線積分（環(huán)流），等于穿過這回路的分（環(huán)流），等于穿過這回路的所有電流強(qiáng)度代數(shù)和的所有電流強(qiáng)度代數(shù)和的0 0倍，數(shù)倍，數(shù)學(xué)表達(dá)式：學(xué)表達(dá)式：B2. 2. 驗(yàn)證：驗(yàn)證：lRIlBld2d0o oIRll 設(shè)設(shè) 與與 成成右

20、右螺旋螺旋關(guān)系關(guān)系Il0d2lIlRBldRIB20（1 1）設(shè)閉合回路）設(shè)閉合回路 l l 為圓形回路為圓形回路, ,載流長直導(dǎo)線位于其中心載流長直導(dǎo)線位于其中心3.3 3.3 安培環(huán)路定理安培環(huán)路定理dRNIRBlBl02dLNIB0求載流螺繞環(huán)內(nèi)的磁場求載流螺繞環(huán)內(nèi)的磁場 （已知（已知 n N In N I）RNIB202 2）選回路選回路( (順時(shí)針圓周順時(shí)針圓周) .) .1 1） 對(duì)稱性分析；環(huán)內(nèi)對(duì)稱性分析；環(huán)內(nèi) 線為同心圓，環(huán)外線為同心圓，環(huán)外 為零為零. . BBRL2令令即即0=BL H LnI3.3 3.3 安培環(huán)路定理安培環(huán)路定理- -應(yīng)用應(yīng)用3.3 3.3 法拉第定律法

21、拉第定律- -磁生電磁生電dtddtdNe當(dāng)磁通按正弦規(guī)律變化時(shí)，即當(dāng)磁通按正弦規(guī)律變化時(shí)，即: : tmsin則上式變?yōu)閯t上式變?yōu)? : )90sin(2)90sin(2)(00tEtfNtem 磁通與其磁通與其感應(yīng)電勢(shì)感應(yīng)電勢(shì)的參考方向的參考方向0mm為參考相量，則：為參考相量，則： mfNjE44. 44.44mEfN感應(yīng)電勢(shì)感應(yīng)電勢(shì)3.3 3.3 法拉第定律法拉第定律3.5 3.5 磁路的歐姆定律磁路的歐姆定律mmRSlBlHlNiFSlRm磁路的磁路的磁阻：磁阻：lSRmm1磁路的磁路的磁導(dǎo)：磁導(dǎo)： 通過任意閉合曲面通過任意閉合曲面S S 的凈磁通量必定恒為零。的凈磁通量必定恒為零。

22、 自然界不存在獨(dú)立的磁場源。自然界不存在獨(dú)立的磁場源。磁場中，磁力線通過任意閉合面后必然會(huì)從相反方向再次通過。磁場中，磁力線通過任意閉合面后必然會(huì)從相反方向再次通過。 磁力線是閉合的！磁力線是閉合的！0SBd S磁路的基爾霍夫第一定律（磁通連續(xù)性原理）磁路的基爾霍夫第一定律（磁通連續(xù)性原理）0321 0磁路由磁路由不同材料不同材料或或不同長度不同長度和和截面積截面積的的 n n 段段組成，則組成，則nn2211lHlHlHNI niiilHNI1 ,lH,lH2211磁路的基爾霍夫第二定律磁路的基爾霍夫第二定律 作用在任何閉合磁路的總磁動(dòng)勢(shì)恒等于各作用在任何閉合磁路的總磁動(dòng)勢(shì)恒等于各段磁路磁位

23、降的代數(shù)和。段磁路磁位降的代數(shù)和。回路：回路：H H1 1l l1 1+ +H H3 3l l3 3= =N N1 1i i1 1 回路：回路：- -H H2 2l l2 2- -H H3 3l l3 3= =-N-N2 2i i2 2 回路：回路：H H1 1l l1 1- -H H2 2l l2 2= =N N1 1i i1 1-N-N2 2i i2 2磁路的基爾霍夫第二定律磁路的基爾霍夫第二定律計(jì)算例計(jì)算例3.6 3.6 磁鏈、電感和能量磁鏈、電感和能量 磁通磁通(Wb)(Wb)：穿過曲面：穿過曲面S S的磁通是磁感應(yīng)密度的磁通是磁感應(yīng)密度B B的法線的法線分量的面積分分量的面積分 定義

24、：線圈交鏈的磁鏈定義：線圈交鏈的磁鏈 定義：電感定義：電感 NiLmmRNRiNiNiNiL2mmRSlBlHlNiF磁路的歐姆定律：磁路的歐姆定律：自感自感m2mm)()(NiNiNiFNiNiLN N 線圈匝數(shù)線圈匝數(shù) m m自感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)自感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)n自感的大小與匝數(shù)的平方和磁路的自感的大小與匝數(shù)的平方和磁路的磁導(dǎo)成正比；磁導(dǎo)成正比；n鐵心線圈的自感要比空心線圈的大鐵心線圈的自感要比空心線圈的大得多；得多； n鐵心線圈的電感不是常數(shù)，當(dāng)磁路鐵心線圈的電感不是常數(shù)，當(dāng)磁路飽和程度增加時(shí)，自感下降。飽和程度增加時(shí)，自感下降。mmRSlBlHlNiF磁路的歐姆定律：磁路的歐姆

25、定律：2122121m21 1m12m1111()()N NFNN iMN NiiiiN N1 1 -線圈線圈1 1的匝數(shù)的匝數(shù) N N2 2 -線圈線圈2 2的匝數(shù)的匝數(shù) m m-互感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)互感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)互感互感 互感的大小與兩線圈互感的大小與兩線圈匝數(shù)的乘積和互感磁通所匝數(shù)的乘積和互感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)成正比。經(jīng)磁路的磁導(dǎo)成正比。3.6 3.6 磁鏈、電感和能量磁鏈、電感和能量3.6 3.6 磁鏈、電感和能量磁鏈、電感和能量 磁場的能量密度磁場的能量密度( (單位體積磁場儲(chǔ)能單位體積磁場儲(chǔ)能) ) 電感儲(chǔ)能電感儲(chǔ)能221212121BHBHwVdvHBiLA21212提

26、綱提綱磁性材料的發(fā)展簡史磁性材料的發(fā)展簡史1 1 電磁學(xué)主要定律電磁學(xué)主要定律- -恒穩(wěn)恒穩(wěn)/ /交變磁場交變磁場3 32 2 磁學(xué)基本常識(shí)磁學(xué)基本常識(shí)4 4磁性材料性能分析磁性材料性能分析u 磁性來源磁性來源u 磁學(xué)基本概念磁學(xué)基本概念u 磁性材料分類磁性材料分類5 5 磁性材料應(yīng)用實(shí)例磁性材料應(yīng)用實(shí)例四、磁性材料性能分析四、磁性材料性能分析4.1 4.1 磁化曲線磁化曲線HBHmBmaBr剩磁剩磁-Hcbc-Hm-Bmd-Bref矯頑力矯頑力Hc鐵磁材料的磁滯回線鐵磁材料的磁滯回線4.1 4.1 磁化過程磁化過程4.1 4.1 磁化曲線分析磁化曲線分析4.1 4.1 磁化曲線分析磁化曲線分

27、析max0max1BH01BH0limrevH(1)(1)起始磁導(dǎo)率起始磁導(dǎo)率 (2)(2)增量磁導(dǎo)率增量磁導(dǎo)率 (3)(3)微分磁導(dǎo)率微分磁導(dǎo)率 (4)(4)最大磁導(dǎo)率最大磁導(dǎo)率001limiHBH B H max i0B / 0H4.2 4.2 磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率1 1 、起始磁導(dǎo)率、起始磁導(dǎo)率i ii i = L/(4.6N = L/(4.6N2 2hlg(D/d) hlg(D/d) 10107 7 ( (適用于環(huán)形磁芯適用于環(huán)形磁芯) ) 式中式中 N N 測(cè)試線圈匝數(shù)測(cè)試線圈匝數(shù)(N)(N)L L 裝有磁芯的線圈的自感量（裝有磁芯的線圈的自感量（mHmH）h h 磁芯高度磁芯高度(mm)(

28、mm)D D 磁芯外直徑磁芯外直徑(mm)(mm)d d 磁芯內(nèi)直徑磁芯內(nèi)直徑(mm)(mm)i i計(jì)算計(jì)算m2mm)()(NiNiNiFNiNiL2 2、有效導(dǎo)磁率有效導(dǎo)磁率e e 變壓器或電感器磁芯中常用非閉合的變壓器或電感器磁芯中常用非閉合的E E型、型、U U型型等配對(duì)磁芯，其磁路各部分形狀尺寸不同，而且等配對(duì)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；其配合面不可避免地仍有殘余氣隙；此時(shí)，必須用有效導(dǎo)磁率此時(shí)，必須用有效導(dǎo)磁率ee來表示磁芯的導(dǎo)磁來表示磁芯的導(dǎo)磁率；率；e e = LC = LC1 1/(4N/(4N2 2) ) 10107 7 C1 C1 磁

29、芯磁路常數(shù)磁芯磁路常數(shù)(cm-1)(cm-1)e e計(jì)算計(jì)算3 3 振幅導(dǎo)磁率振幅導(dǎo)磁率 作功率變換的開關(guān)電源變壓器磁芯是工作在高磁作功率變換的開關(guān)電源變壓器磁芯是工作在高磁通密度下通密度下, ,因此必須引入振幅磁導(dǎo)率參數(shù)才能真實(shí)反映出因此必須引入振幅磁導(dǎo)率參數(shù)才能真實(shí)反映出功率型磁芯在高磁通密度下的磁特性功率型磁芯在高磁通密度下的磁特性; ; = 1/= 1/0 0 * * B/H B/H ( (式中規(guī)定的式中規(guī)定的B B值比測(cè)時(shí)高出數(shù)百倍以上值比測(cè)時(shí)高出數(shù)百倍以上, ,例如例如:200mT) :200mT) aa計(jì)算計(jì)算磁導(dǎo)率溫度穩(wěn)定性磁導(dǎo)率溫度穩(wěn)定性 定義為：由于溫度的改變而引起的被測(cè)量

30、的相對(duì)變化定義為：由于溫度的改變而引起的被測(cè)量的相對(duì)變化與溫度變化之比。例：磁導(dǎo)率的溫度系數(shù)為：與溫度變化之比。例：磁導(dǎo)率的溫度系數(shù)為： = = 式中：式中：1 1是是T T1 1溫度時(shí)的磁導(dǎo)率，溫度時(shí)的磁導(dǎo)率，2 2是是T T2 2溫度時(shí)的磁導(dǎo)率溫度時(shí)的磁導(dǎo)率。因?qū)τ谕环N軟磁材料，其磁芯的。因?qū)τ谕环N軟磁材料，其磁芯的/i i值是一個(gè)值是一個(gè)常數(shù)。故常用常數(shù)。故常用/i i來表示溫度特性。來表示溫度特性。2 21 11 1（T T2 2T T1 1）居里溫度居里溫度TcTc 居里溫度居里溫度是磁性材是磁性材料從料從鐵磁性到順磁性鐵磁性到順磁性的的轉(zhuǎn)變溫度，在這個(gè)溫度轉(zhuǎn)變溫度，在這個(gè)溫度磁

31、性材料的磁性將變得磁性材料的磁性將變得很小或消失，它的表示很小或消失，它的表示方式有很多，我們一般方式有很多，我們一般按下圖進(jìn)行測(cè)量，即隨按下圖進(jìn)行測(cè)量，即隨著溫度升高，磁導(dǎo)率下著溫度升高，磁導(dǎo)率下降到最大值的降到最大值的80%80%及及20%20%時(shí)，兩點(diǎn)的聯(lián)線，延長時(shí)，兩點(diǎn)的聯(lián)線，延長到與溫度軸的交點(diǎn)即為到與溫度軸的交點(diǎn)即為居里溫度。居里溫度。TcTi80% i20% ii1 1） 磁致收縮：鐵磁體在磁場中磁化，形狀與尺寸都會(huì)發(fā)生變化。磁致收縮：鐵磁體在磁場中磁化，形狀與尺寸都會(huì)發(fā)生變化。 特性：（特性：（1 1）與磁場強(qiáng)度有關(guān)）與磁場強(qiáng)度有關(guān) （2 2）與磁化方向成角度時(shí)，有：）與磁化方

32、向成角度時(shí)，有： （3 3） 各向異性各向異性 2 2）磁彈性能：磁化時(shí)材料變化尺寸受限制，產(chǎn)生應(yīng)力，從而產(chǎn)生彈性能，物）磁彈性能：磁化時(shí)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。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磁致收縮與磁彈性能4.3 4.3 復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率- -衡量軟磁性能重要指標(biāo)衡量軟磁性能重要指標(biāo)設(shè)交變磁場為：設(shè)交變磁場為：i tmHH e磁化需要時(shí)間，磁磁化需要時(shí)間，磁感應(yīng)強(qiáng)度感應(yīng)強(qiáng)度B B落后落后H H相相角角 ，得：，得：()itmBB eB BB BH HH Ht tt t0 00 00 0B Bm

33、 mH Hm mT T/4/4T T/2/23 3T T/4/4T TT T/4/4T T/2/23 3T T/4/4T T/ /()000cossinitimmmi tmmmiB eBBeiH eHH00cossinmmmmBBHH，其中，其中，則則交變磁場中軟磁材交變磁場中軟磁材料料磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率 不再是不再是實(shí)數(shù)而是實(shí)數(shù)而是復(fù)數(shù)復(fù)數(shù) 品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q Q Q Q值值是是反映軟磁材料在交變磁化時(shí)能量的貯存和損耗的性能。反映軟磁材料在交變磁化時(shí)能量的貯存和損耗的性能。 磁導(dǎo)率中實(shí)部磁導(dǎo)率中實(shí)部正比于能量的正比于能量的存儲(chǔ)存儲(chǔ)而虛部而虛部 正比于磁能的正比于磁能的損耗損耗 Q 軟磁材料的軟磁材

34、料的Q Q值可以用交流電橋或值可以用交流電橋或Q Q表測(cè)量得到。表測(cè)量得到。通常要求：通常要求： Q Q值越大越好。值越大越好。材料的損耗材料的損耗材料的損耗材料的損耗 表示為：表示為：00(/tan)sin(/)cosmmmmBHBH相位角稱為損耗角，相位角稱為損耗角，tantan 稱為損耗正切稱為損耗正切 通常要求：通常要求： tantan 越小越好越小越好1tgQ4.4 4.4 鐵芯損耗鐵芯損耗P PP = Ph + Pe + PrP = Ph + Pe + Pr (Ph (Ph、PePe、PrPr表示磁滯、渦流、剩余損耗表示磁滯、渦流、剩余損耗) )磁性材料在高磁通密度下的單位體積損耗

35、。該磁通密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：度通常表示為：Bm =E/4.44fNAe Bm =E/4.44fNAe 10106 6（mTmT） 式中：式中：BmBm為磁通密度的峰值（為磁通密度的峰值（mTmT）E E為線圈兩端的電壓（為線圈兩端的電壓（V V）f f為頻率（為頻率（KHzKHz），），N N為匝數(shù)為匝數(shù)AeAe為磁芯的有效面積（為磁芯的有效面積（m m2 2） 鐵磁材料在交流磁場中反復(fù)磁化，磁疇會(huì)不停轉(zhuǎn)動(dòng)，相鐵磁材料在交流磁場中反復(fù)磁化，磁疇會(huì)不停轉(zhuǎn)動(dòng)，相互之間會(huì)不斷摩擦，產(chǎn)生功率損耗?；ブg會(huì)不斷摩擦，產(chǎn)生功率損耗。磁滯損耗磁滯損耗PhPh 若不計(jì)

36、線圈電阻，鐵心線圈從交流電源吸收的瞬時(shí)若不計(jì)線圈電阻，鐵心線圈從交流電源吸收的瞬時(shí)電功率電功率p p為為 損耗能量為損耗能量為dtdieip21212121BBBBttmHdBVNAdBNHlidpdtW 磁滯損耗就是消耗于鐵心中的平均功率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磁滯損耗與磁場交變頻率f f、鐵心體積、鐵心體積V V和磁滯回線的面和磁滯回線的面積成正比積成正比VfBKHdBVfTWmpmhh磁滯損耗磁滯損耗PhPh（續(xù)）（續(xù)）渦流損耗渦流損耗PePe 交變磁場在鐵心中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)交變磁場在鐵心中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì) 感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生渦流感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生渦流 渦流產(chǎn)生損耗渦流產(chǎn)

37、生損耗 n渦流渦流q鐵磁材料在交變磁場將鐵磁材料在交變磁場將有圍繞磁通呈渦旋狀的有圍繞磁通呈渦旋狀的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流產(chǎn)生，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流產(chǎn)生，簡稱渦流。簡稱渦流。n渦流損耗渦流損耗q渦流在其流通路徑上的渦流在其流通路徑上的等效電阻中產(chǎn)生的等效電阻中產(chǎn)生的I I2 2R R損損耗稱為渦流損耗。耗稱為渦流損耗。 渦流損耗與磁場交變頻率渦流損耗與磁場交變頻率f、厚度、厚度d和最大磁感應(yīng)強(qiáng)度和最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm的平方成正比，與材料的電阻率的平方成正比，與材料的電阻率 成反比。成反比。 要減少渦流損耗，首先應(yīng)減小厚度，其次是增加渦要減少渦流損耗，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

38、入適量的硅，制成流回路中的電阻。電工鋼片中加入適量的硅，制成硅鋼片，顯著提高電阻率。硅鋼片，顯著提高電阻率。 對(duì)于殘留損耗對(duì)于殘留損耗Pr，是由磁化延遲及磁矩共振等造成，是由磁化延遲及磁矩共振等造成，前兩項(xiàng)是主要的。前兩項(xiàng)是主要的。222/eempK d f B V渦流損耗渦流損耗PePe（續(xù)）（續(xù)）GBfKpppmFeehFe2 鐵耗鐵耗P P：鐵磁材料在交變磁場作用時(shí)，磁滯損耗和渦流：鐵磁材料在交變磁場作用時(shí)，磁滯損耗和渦流損耗是同時(shí)發(fā)生的。在電機(jī)和變壓器的計(jì)算中，當(dāng)鐵損耗是同時(shí)發(fā)生的。在電機(jī)和變壓器的計(jì)算中，當(dāng)鐵心內(nèi)的磁場為交變磁場時(shí)，常將磁滯損耗和渦流損耗心內(nèi)的磁場為交變磁場時(shí)，常將磁

39、滯損耗和渦流損耗合在一起來計(jì)算，并合在一起來計(jì)算，并統(tǒng)稱統(tǒng)稱為鐵心損耗，簡稱鐵耗。為鐵心損耗，簡稱鐵耗。 鐵耗鐵耗 p pFeFe f fB Bm m2 2G G。其中。其中1 12 2，與材料性質(zhì)有與材料性質(zhì)有關(guān)。關(guān)。鐵芯損耗鐵芯損耗P P提綱提綱磁性材料的發(fā)展簡史磁性材料的發(fā)展簡史1 1 電磁學(xué)主要定律電磁學(xué)主要定律- -恒穩(wěn)恒穩(wěn)/ /交變磁場交變磁場3 32 2 磁學(xué)基本常識(shí)磁學(xué)基本常識(shí)4 4磁性材料性能分析磁性材料性能分析u 磁性來源磁性來源u 磁學(xué)基本概念磁學(xué)基本概念u 磁性材料分類磁性材料分類5 5 磁性材料應(yīng)用實(shí)例磁性材料應(yīng)用實(shí)例五、磁性材料應(yīng)用實(shí)例五、磁性材料應(yīng)用實(shí)例5.1 5

40、.1 常見的軟磁材料常見的軟磁材料 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Ni5575%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：-Fe2O3、Co-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%)、F