第6章 磁性材料

磁滞回线所包围的面积表示磁化一周时所消耗的 功，称为磁滞损耗Q。
Q HdB




B=H+4πM μ=B/H 即在磁化曲线上任何点B和相应的H的比值称为磁 导率。在磁化曲线上一些特殊点的磁导率。 ①起始磁导率μi：相当于磁化曲线起始部分的斜率。 技术上规定在0.1~0.001Oe磁场的磁导率为起始磁 导率，它是软磁材料的重要技术参数。 ② 最大磁导率μm：是磁化曲线拐点K处的斜率 （见图6－2）。它也是软磁材料的重要技术参量。
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复数磁导率的模称为总磁导率或振幅磁导率。 μ’为弹性磁导率，代表了磁性材料中储存能量的 磁导率；把μ”称为粘性磁导率（或损耗磁导率）， 它与磁性材料磁化一周的损耗有关。 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 tanδ=μ”/μ’ tanδ的倒数称为软磁材料的品质因数。 综上所述，复数磁导率的实部μ’与铁磁材料在交 变磁场中储能密度有关，而虚部μ”却与材料在单 位时间内损耗的能量有关。

图6－3 硬磁材料和软磁材料的磁滞回线形状

更为确切的方法是用磁滞回线形状区分硬磁材料 和软磁材料，图6－3所示，磁性材料的软硬程度 可以用Br· Hc乘积来度量。
图6－4 永磁材料的磁化曲线和退磁曲线

一、硬磁材料特征值 永久磁铁受到的退磁场作用与外加磁场的方向相 反。因此，永磁体的工作点将从剩磁Br点移到磁滞 回线第二象限，即退磁曲线的某一点上，如图6－ 4所示，永久磁铁的实际工作点用D表示。



每磁化一周所消耗的能量正比于磁滞回线的面积， 这种能量损失称为磁滞损耗。 按照电磁感应定律，铁磁材料在交变磁场中磁化， 材料内磁通量发生变化时，在磁通的周围会产生 感应电动势，因铁磁材料是导电物质，感应电动 势将在垂直于磁通方向的截面上感应出闭合的涡 流电流。由它所引起的焦耳损失称为涡流损耗。 提高电阻率可降低涡流损耗。 剩余损耗是指磁滞损耗和涡流损耗外的其他损耗， 包括驰豫损耗、畴壁共振损耗和自然共振损耗。 6、矫顽力Hc 软磁材料在对称周期磁化条件下，磁感应强度 B=0时所相应的磁化场强度称为矫顽力Hc。





硬磁材料性能好坏，应该由退磁曲线上的有关物 理量来衡量，其特征值如下。 1、剩磁Br和表观剩磁BD 磁性材料被磁化到相应最大磁化场Hs后，再使该 磁化场为零时所剩留的磁感应强度称为剩余磁感 应强度，简称剩磁，用Br表示，单位T。在工作 状态下，永久磁铁的工作点在退磁场作用下将从 Br点移到D点，这时永磁体所具有的剩余磁感应 强度称为表观剩磁BD。 2、矫顽力Hc 永磁材料的矫顽力Hc有两种定义：一个是使磁感 应强度B=0所需的磁场值，用BHc或Hc表示；一个 是使磁化强度M=0所需的磁场值，常用MHc表示。



图6－1 五类磁体的磁化取向示意图
如按外磁场作用下物质磁行为的表现则可分为抗 磁、弱磁和强磁。抗磁性物质表现为抗磁，顺磁 性和反铁磁性物质表现为弱磁，亚铁磁性和铁磁 性物质表现为强磁。

本章所介绍的磁性材料是指常温下表现为强磁性 的亚铁磁性和铁磁性材料。

按其不同特点又可分为软磁、硬磁、铁氧体、 （非晶态磁性合金、有机高分子磁性材料、压磁 材料、磁性液体）等材料。而代表磁性材料性质 的基本参量是起始磁导率μi、最大磁导率μm、矫 顽力Hc、剩余磁感应强度Br、最大磁能积(BH)max 等等。不同的应用对材料的磁性有不同的要求。
6.1 软磁材料



所谓软磁材料就是矫顽力很低（Hc<0.8kA/m）的 磁性材料，亦即当材料在磁场中被磁化，移出磁 场后，获得的磁性便会全部或大部分丧失。软磁 材料的主要磁特性是： ①矫顽力和磁滞损耗低； ②电阻率较高，磁通变化时产生的涡流损耗小； ③高的磁导率，有时要求在低的磁场下具有恒定 的磁导率； ④高的饱和磁感应强度； ⑤某些材料的磁滞回线呈矩形，要求高的矩形比。

教学重点和难点


（1）软磁材料及其特征值
（2）硬磁材料及其特征值 （3）铁氧体及其三种晶体结构 （4）压磁效应及压磁材料的特征值 （5）磁滞回线
第六章 磁性材料

根据物质的磁化率，可以把物质的磁性分为抗磁 性（-10-5~-10-8）、顺磁性（10-3~10-6）、铁磁性 （10-3~10-5）、亚铁磁性（1~104）、反铁磁性 （1~105）等五类。按各类磁体磁化强度M与磁场 强度H的关系，可做出其磁化曲线。图6－1为它 们的磁化曲线示意图。 而按原子磁矩排列次序可分为有序排列和无序排 列。抗磁性和顺磁性物质为无序排列，其余三类 磁性物质为有序排列。
第六章


磁性材料


6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8
软磁材料 硬磁材料 铁氧体 非晶态磁性合金 有机高分子磁性材料 压磁材料 磁性液体 磁性材料的进展
教学目标及基本要求
掌握软磁材料的特征值、硬磁材料的特征 值；铁氧体及其三种晶体结构、压磁效应 及压磁材料的特征值。 熟悉非晶态磁性合金及其特性、磁性液体、 磁性材料的进展。 了解软磁材料、硬磁材料的种类和应用、 有机高分子磁性材料。
6.2 硬磁材料

硬磁材料是具有强的抗退磁能力和高的剩余磁感 应强度的强磁性材料，又称永磁材料。

表征硬磁材料性能的主要参数是剩余磁感应强度 Br、矫顽力Hc和最大磁面积(BH)max，三者愈高， 硬磁材料性能愈好。由此引起这类材料具有大的 磁滞损耗。
硬磁材料的硬和软，也可以是指机械手段，因为 任何提高磁性材料机械强度的手段往往产生出比 较硬的磁性材料。






二、软磁材料种类和应用 常用的软磁材料有纯铁、硅钢片、铁镍合金、软 磁铁氧体等。 1、电工用纯铁：一种含碳量低、含铁量99.95%以 上的软钢。 2、硅铁合金：在纯铁中加入0.38%~4.5%硅，使之 形成固溶体，可以提高材料电阻率，减少涡流损 耗，这种材料称为硅铁合金。 3、镍铁合金：主要是含镍量为30%~90%的镍铁合 金，通常称坡莫合金。 4、软磁铁氧体：铁氧体材料中的一种，是一种容 易磁化和退磁的铁氧体。常用的软磁铁氧体有镍 锌铁氧体和锰锌铁氧体。

3、μ值的温度系数αμ μ值的温度（T2>T1）系数αμ可用下式表示：
2 1 1 1 T2 T1

4、减落DA 在恒定温度下，经过一定的时间间隔，磁性材料 的磁导率相对减少，其减少值表示为
1 2 DA 1

5、铁损 铁损是指磁性材料在交变磁场中反复磁化所消耗 的功率。由磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗组成。Βιβλιοθήκη 6.3 铁氧体

铁氧体是铁元素与氧化合形成的各种类型的化合 物，属亚铁磁性材料中特别重要的一类。 实用的铁氧体大多数是软磁的，也有硬磁的。 铁氧体的晶体结构主要有尖晶石型、磁铅石型及 柘榴石型三种。 铁氧体的磁化强度比不上金属磁性材料，但其高 电阻率，大大降低了涡流损耗，使之在无线电、 高频、微波、脉冲等领域的应用得到迅速发展。 铁氧体还具有效率高、体积小、价格低等特点。 铁氧体的制备、基本磁性的研究和应用十分成熟。





一、软磁材料特征值 1、磁导率μ 一般希望μ值越高越好。但μ值高的磁性材料在 很低频率时出现自然共振、畴壁共振现象，在高 频使用时，将有很大的铁磁共振损耗。要根据磁 性材料的应用目的选用材料起始磁导率μi和最大 磁导率μm。μi值高的材料μm亦较高，μi值是软磁 材料的主要参数之一。 2、品质因数Q值 Q值是损耗角正切的倒数，即 Q=1/tanδ=μ’/μ” 一般用 μQ 或 tanδ / μi 来表示材料的质量指标或损 耗指标。







7、饱和磁感应强度Bs 在磁化场足够强的情况下，软磁材料可能达到的 最大磁感应强度称为饱和磁感应强度。 8、剩余磁感应强度Br 软磁材料经一定强度的磁场磁化后，再将磁场强 度减至零，此时材料内所剩的磁感应强度，称为 剩余磁感应强度，通常简称为剩磁Br。Br不仅与 材料本身有关，而且与材料的磁化过程有关。 9、复数磁导率μ 在交变电磁场中，磁导率μ既要反映导磁能力的 大小，还要表现出B和H间存在的相位差。 复数磁导率μ=μ’-jμ” ' 2 2
铁磁性和亚铁磁性材料的磁学特性与顺磁性和抗 磁性物质不同，主要特点表现在磁化曲线和磁滞 回线上。

图6－2 铁磁体的磁化曲线和磁滞回线

铁磁性物质的磁化曲线如图6－2OKB曲线所示。随 磁化场的增加，磁化强度M或磁感应强度B开始时 增加较缓慢，然后迅速增加，再转而缓慢增加，最 后磁化至饱和。Ms称为饱和磁化强度，Bs称为饱和 磁感应强度。磁化强度不再随外磁场的增加而增加。

如果循环地改变在M－M’之间的退磁场，永磁体 特性将按照回复曲线来改变。这时得到一个狭窄 的局部磁滞回线。因为回线的面积很小，通常可 用回复曲线来代替，并用仰角α的正切表示它的特 性，被称为回复磁导率μrev，以下式来表示： μrev=ΔB/ΔH=tanα 5、稳定性η 硬磁材料的稳定性是指它的有关磁性能在长时间 使用过程中或者受到温度、外磁场、冲击、振动 等外界因素影响时保持不变的能力。用变化率η来 表示：


γ=(BH)max/Br· Hc
图6－5 永磁体的Br在外磁场作用下的变化（回复曲线）
4、回复磁导率μrev 图6－5所示，如果一块永磁材料去掉磁化场之后， 剩磁Br在纵坐标轴上A点位臵上，当受外界各种因 素影响时，永磁体的剩磁沿着退磁曲线降到某一 位臵M。这些影响相当于退磁场的作用，当这些 退磁场除去之后，磁性不再回复到A位臵，而是到 一个新的位臵M’。