第4章软磁材料
第四章 电介质
第四章 电磁介质第一节 电介质一、电介质—绝缘介质1.电介质内没有可以自由移动的电荷 在电场作用下，电介质中的电荷只能在 分子范围内移动。
2.分子电矩·分子—电偶极子(模型)分子的正负电中心相对错开。
·分子电矩二、电介质的极化1.极性电介质的极化p 分+- 电介质分子(1) 极性分子·正常情况下，内部电荷分布不对称， 正负电中心已错开，有固有电矩p 分， ·极性分子：如HCl 、H 2O 、CO 等。
(2)无外电场时·每个分子p 分 ≠ 0·由于热运动，各p 分取向混乱·小体积∆V (宏观小、微观大，内有大量 分子)内 ∑ p 分= 0(3)有外电场时·各 p 分向电场方向取向(由于热运动，取向 并非完全一致)外有外电场 无外电场分 ·且外电场越强 ⇒ | ∑ p 分| 越大·这种极化称取向极化2.非极性电介质的极化(1)非极性分子·正常情况下电荷分布对称，正负电中心重 合，无固有电矩。
·非极性分子：如He 、 H 2、 N 2、 O 2、 CO 2等。
(2)无外电场时·每个分子 p 分 = 0·∆V 内∑ p 分 = 0 (3)有外电场时·正负电中心产生相对位移，p 分(称感应电矩) ≠ 0E 外分 ·且外电场越强 ⇒ | ∑ p 分| 越大·这种极化称位移极化三、电极化强度1.电极化强度·为描写电介质极化的强弱，引入电极化强度矢量。
·定义：单位体积内分子电矩的矢量和或·P 是位置的函数·单位： C/m 2·对非极性电介质，因各p 分相同，有 P = n p 分n ---单位体积内的分子数·综上，对极性、非极性电介质都有 无外电场时， P = 0 有外电场时，P ≠ 0且电场越强 ⇒ | P | 越大2.电极化强度和场强的关系·由实验，对各向同性电介质，当电介质中 电场E 不太强时，有·χe ：电极化率(χe ≥ 0)，决定于电介质性质。
2008 机械工程测试技术 第四章 [3]
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N
磁阻器
R
V S
外接电阻
处于磁场中的磁阻器件和一个外接电阻串联， 处于磁场中的磁阻器件和一个外接电阻串联，接在恒流源的分 压电路中，通过对R的调节可以调节磁阻器件中电流的大小， 压电路中 ，通过对 R 的调节可以调节磁阻器件中电流的大小，电 压表联接1或2可以分别监测外接电阻的电压和磁阻器件的电压。 压表联接1 可以分别监测外接电阻的电压和磁阻器件的电压。
2 磁敏三极管
（1）磁敏三极管的结构 在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、 在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、 基极和集电极。基区较长。基区结构类似磁敏二极管， 基极和集电极。基区较长。基区结构类似磁敏二极管，有高复 合速率的r区和本征I 长基区分为运输基区和复合基区。 合速率的r区和本征I区。长基区分为运输基区和复合基区。 c c HH+ N+ N+ (a)结构 (a)结构 e I r (b)符号 (b)符号 e P+ b b
第四章 常用传感器原理及应用
青岛大学机电工程学院
关于施密特触发器
施密特触发器的工作特点： 施密特触发器的工作特点：
施密特触发器属于电平触发器件，适用于缓慢变化的信号， ① 施密特触发器属于电平触发器件，适用于缓慢变化的信号， 当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。 当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。 电路有两个阈值电压。 输入信号增加和减少时， ② 电路有两个阈值电压。 输入信号增加和减少时，电路的阈 值电压不同， 值电压不同，电路具有如下图所示的传输特性 。
第四章 常用传感器原理及应用
青岛大学机电工程学院
7）铁磁材料裂纹检测 ）
金属学课程-第4章 习题答案
第4章 习题4-1 分析w C =0.2%、w C =0.6%、w C =1.2%的铁碳合金从液态平衡冷却至室温的转变过程，用冷却曲线和组织示意图说明各阶段的组织，并分别计算室温下的相组成物和组织组成物的含量。
解：在室温下，铁碳合金的平衡相是α-Fe （碳的质量分数是0.008%）和Fe 3C （碳的质量分数是6.69%），故（1） w C =0.2%的合金在室温时平衡状态下α相和Fe 3C 相的相对量分别为3 6.690.2%100%97.13%6.690.008%197.13% 2.87%Fe C α-=⨯=-=-= w C =0.2%的合金在室温下平衡态下的组织是α-Fe 和P ，其组织可近似看做和共析转变完时一样，在共析温度下α-Fe 碳的成分是0.0218%，P 的碳的成分为0.77%，故w C =0.2%的合金在室温时组织中P 和α的相对量分别为0.20.0218%100%23.82%0.770.0218%123.82%76.18%P α-=⨯=-=-= （2）w C =0.6%的合金在室温时平衡状态下α相和Fe 3C 相的相对量分别为3 6.690.6%100%91.14%6.690.008%191.14%8.86%Fe C α-=⨯=-=-= w C =0.6%的合金在室温下平衡态下的组织是α-Fe 和P ，在室温时组织中P 和α的相对量为0.60.0218%100%77.28%0.770.0218%177.28%22.72%P α-=⨯=-=-= （3）w C =1.2%的合金在室温时平衡状态下α相和Fe 3C 相的相对量分别为3 6.69 1.2%100%82.16%6.690.008%182.16%17.84%Fe C α-=⨯=-=-= w C =1.2%的合金在室温下平衡态下的组织是P 和Fe 3C ，在室温时组织中P 的相对量为3 6.69 1.2%100%92.74%6.690.77%192.74%7.3%P Fe C -=⨯=-=-=4-2 分析w C =3.5%、w C =4.7%的铁碳合金从液态平衡冷却至室温的平衡结晶过程，画出冷却曲线和组织变化示意图，并计算室温下的组织组成物和相组成物的含量。
材料物理性能部分课后习题
课后习题第一章1.德拜热容的成功之处是什么？答：德拜热容的成功之处是在低温下，德拜热容理论很好的描述了晶体热容，CV.M∝T的三次方2.何为德拜温度？有什么物理意义？答：HD=hνMAX/k 德拜温度是反映晶体点阵内原子间结合力的一个物理量德拜温度反映了原子间结合力，德拜温度越高，原子间结合力越强3.试用双原子模型说明固体热膨胀的物理本质答：如图，U1（T1）、U2（T2）、U3(T3）为不同温度时的能量，当原子热振动通过平衡位置r0时，全部能量转化为动能，偏离平衡位置时，动能又逐渐转化为势能；到达振幅最大值时动能降为零，势能打到最大。
由势能曲线的不对称可以看到，随温度升高，势能由U1(T1）、U2（T2）向U3（T3）变化，振幅增加，振动中心就由r0'，r0''向r0'''右移，导致双原子间距增大，产生热膨胀第二章1.300K1×10-6Ω·m4000K时电阻率增加5%由于晶格缺陷和杂质引起的电阻率。
解：按题意:p(300k) = 10∧-6 则: p(400k) = (10∧-6)* (1+0.05) ----(1)在400K温度下马西森法则成立，则: p(400k) = p(镍400k) + p(杂400k) ----(2) 又: p(镍400k) = p(镍300k) * [1+ α* 100] ----(3) 其中参数: α为镍的温度系数约= 0.007 ; p(镍300k)(室温) = 7*10∧-6 Ω.cm) 将(1)和(3)代入(2)可算出杂质引起的电阻率p(杂400k)。
2.为什么金属的电阻因温度升高而增大，而半导体的电阻却因温度的升高而减小？对金属材料，尽管温度对有效电子数和电子平均速率几乎没有影响，然而温度升高会使离子振动加剧，热振动振幅加大，原子的无序度增加，周期势场的涨落也加大。
这些因素都使电子运动的自由称减小，散射几率增加而导致电阻率增大而对半导体当温度升高时，满带中有少量电子有可能被激发到上面的空带中去，在外电场作用下，这些电子将参与导电。
电机拖动习题和答案++
7、并励直流发电机中电流I、Ia和If三者之间的关系为。
8、并励直流发电机自励建压的条件为：（1）、；（2）、；（3）、。
9、在直流电机的换向过程中，如果换向元件中的各种电动势∑e=0，元件电流将实现换向；如果∑e >0，将实现换向；如果∑e <0，将实现换向。
3、一台直流发电机数据： ，总导体数N=720， ，运行角速度 rad/s，每极磁通Φ=0.0392Wb。试计算：
（1）发电机的感应电动势；
（2）当转速n=900r/min，但磁通不变时的感应电动势；
（3）当磁通Φ=0.0435Wb，n=900r/min时的感应电动势。
4、一台并励直流电动机，额定数据为： ， ， ，电枢回路总电阻 ，励磁电路总电阻 。若将该电动机用原动机拖动作为发电机并入电压为 的电网，并忽略电枢反应的影响，试问：
4.磁路的磁阻如何计算？磁阻的单位是什么？
5.说明磁路和电路的不同点。
6.说明直流磁路和交流磁路的不同点。
7.基本磁化曲线与起始磁化曲线有何区别？磁路计算时用的是哪一种磁化曲线？
8.路的基本定律有哪几条？当铁心磁路上有几个磁动势同时作用时，磁路计算能否用叠加原理，为什么？
第2章变压器
一、填空题：
1、磁通交变会在绕组感应电势，磁通和电势E两者波形，相位，幅值。
A、有效值B、最大值C、平均值D、瞬时值
6、一台变比为kA，额定容量为SN的自耦变压器，电磁容量为（）
A、SNB、SN/kA
C、（1-1/kA）SND、（kA-1）SN
7、下述变压器变比表达式中，定义最准确的是（）
A、E1/E2B、U1/U2C、I2/I1D、Z1/Z2
第四章材料结构与磁学性能
第4章 材料的结构与磁学性能4.1 固体物质的磁性来源4.2 固体物质的磁性分类4.3磁畴与磁化曲线4.4 铁氧体的结构与性能4.5磁性材料的结构与性能4.6 磁性材料的物理效应第4章 材料的结构与磁学性能进入21世纪以来，新材料的重要性逐步被人们认知，磁性材料的理论、生产及其应用也得到了快速发展，已经成为信息、航空航天、通信、人体健康等领域的重要材料基础。
本章主要介绍固体物质磁性的基本知识，包括磁性来源、磁性分类、磁畴与磁化曲线、铁氧体的结构与性能、磁性材料的物理效应及磁性材料的主要应用等，重点阐述铁氧体磁性材料的结构与性能。
4.1 固体物质的磁性来源物质在不均匀磁场中受到磁力作用的性质，称为磁性，是物质的基本物理属性。
最直观的表现是两个磁体之间的吸引力和排斥力。
物质的磁性来源于原子，原子的磁性来源于核外电子和原子核。
原子结合起来产生宏观物质的磁性，因此任何物质均具有磁性，磁性强的一般称为磁性材料，习惯上的非磁性或者无磁性只是弱磁性不易被人们觉察而已。
具有广泛应用的磁性材料的性能则受到晶体结构和显微结构的显著影响，是理论研究和生产控制的重要内容。
4.1.1磁矩（magnetic moment ）磁体上磁性最强的部分称为磁极，磁极有N 、S 极，以正负对的形式存在，磁极的周围存在磁场。
磁极上带有的磁量叫磁荷或磁极强度，两个磁荷（磁极强度）q 1、q 2之间的相互作用力F 的大小为：221r q q k F = 4.1 式中r 为磁极间距，k 为常数。
紧密结合在一起的正负磁极称为元磁偶极子，尚没有观察到磁单极子的存在。
定义偶极子的磁偶极矩p:qr p = 4.2又称为磁偶极子的力矩，方向由S 极指向N 极。
任何一个封闭的电流都具有磁矩，其方向与环形电流法线的方向一致，其大小为电流与封闭环形的面积的乘积:S I m ∆= 4.3磁矩m 的单位为安培平方米A ·m 2，磁矩是表示磁体本质的一个物理量，与磁偶极矩的关系为：m p 0μ= 4.4μ0是真空的磁导率，μ0＝4π×10-7（H/m ）。
第四章 磁粉检测
（3）缺陷位置和形状： 缺陷位置和形状： 同样的缺陷，位于表面时漏磁通↑ 同样的缺陷，位于表面时漏磁通↑；若位于距表 面很深的地方，则几乎没有漏磁通泄漏于空间。 面很深的地方，则几乎没有漏磁通泄漏于空间。 缺陷的深宽比越大，漏磁场越强。 缺陷的深宽比越大，漏磁场越强。 缺陷垂直于工件表面（缺陷切割磁力线的角度接 缺陷垂直于工件表面（ 近正交） 近正交）时，漏磁场最强； 漏磁场最强； 缺陷与工件表面平行时，则几乎不产生漏磁通。 缺陷与工件表面平行时，则几乎不产生漏磁通。 缺陷夹角小于20度时， 缺陷夹角小于20度时，很难检出 度时
35000 NI = ( ± 10 %), L / D ≥ 3 L +2 D
（1）周向磁化——利用周向磁场进行磁化 周向磁化——利用周向磁场进行磁化 利用周向磁场
在工件周围建立垂直其轴向的闭合周向磁场，发现取向基本与电流方向 在工件周围建立垂直其轴向的闭合周向磁场，发现取向基本与电流方向 平行的缺陷 的缺陷。 平行的缺陷。
磁力线
I
I
B）电流通过中心导体 ） 磁痕 A）工件直接通电
优点： 优点： 可直观显示出缺陷的形状、位置与大小，并能大致确定缺陷的性能； 可直观显示出缺陷的形状、位置与大小，并能大致确定缺陷的性能； 检测灵敏度高，可检出宽度仅为 的表面裂纹； 检测灵敏度高，可检出宽度仅为0.1µm的表面裂纹； 的表面裂纹 应用范围广，不收工件大小及几何形状的限制； 应用范围广，不收工件大小及几何形状的限制； 工艺简单，检测速度快， 工艺简单，检测速度快，费用低廉
(4)辅助通电法 (4)辅助通电法
1）电缆平行磁化 法
2）铜板平行磁化法 某些工件夹持时易变形或尖端易烧损
二、磁化电流
磁粉检测使用的磁化电流有交流、直流及整流电等几种。 磁粉检测使用的磁化电流有交流、直流及整流电等几种。 交流 等几种 （1）交流磁化：应用最广 交流磁化： ☺ 交流电的趋肤效应能提高磁粉检测检验表面缺陷的灵敏度； 交流电的趋肤效应 提高磁粉检测检验表面缺陷的灵敏度； 趋肤效应能 磁粉检测检验表面缺陷 ☺ 只有使用交流电才能在被检工件上建立起方向随时间变化的 只有使用交流电才能在被检工件上建立起方向随时间变化 建立起方向随时间变化的 磁场，实现复合磁化； 复合磁化； 磁场，实现复合磁化 ☺ 与直流磁化相比，交流磁场在被检工件截面变化部位的分布 与直流磁化相比，交流磁场在被检工件截面变化部位 截面变化部位的 较为均匀 有利于对这些部位的缺陷的检测； 较为均匀，有利于对这些部位的缺陷的检测； 均匀，
物理性能复习题2014
物理性能复习题第一章 材料的电学性能1.简述金属材料电阻率与温度关系。
（正常，反常，铁磁性反常） 2.冷加工对金属材料电阻率的影响及其原因和消除方法。
3.合金有序化对电阻率的影响与原因。
4.超导体特性和评价指标。
5.铂线300K 时电阻率为1×10-7Ω·m ，假设铂线成分为理想纯。
试求1000K 时的电阻率。
6.试说明用电阻法研究金属的晶体缺陷（冷加工或高温淬火）时为什么电阻测量要在低温下进行？ 7. 试评述下列建议：因为银具有良好的导电性而且能够在铝中固溶一定的数量，为何不用银实施固溶强化，以供高压输电线使用？（1）这个建议是否正确；（2）阐述一下你想达到上述目的的方法及优势。
8. P95，N11-139.实验测出离子型电导体的电导率与温度的相关数据，经数学回归分析得出关系式为：TB A 1lg +=σ (1) 试求在测量温度范围内的电导活化能表达式。
(2) 若给定T 1=500K ，σ1=10-9（1).-ΩcmT 2=1000K ，σ2=10-6（1).-Ωcm计算电导活化能的值。
10. 本征半导体中，从价带激发至导带的电子和价带产生的空穴参与电导。
激发的电子数n 可近似表示为：)2/ex p(kT E N n g -=式中N 为状态密度，k 为波尔兹曼常数，T 为绝对温度。
试回答以下问题：（1）设N=1023cm -3时, Si(Eg=1.1eV),TiO 2(Eg=3.0eV)在室温（20℃）和500℃时所激发的电子数（cm -3）各是多少：（2）半导体的电导率σ（Ω-1.cm -1）可表示为μσne =式中n 为载流子浓度（cm -3），e 为载流子电荷（电荷1.6*10-19C ）,μ为迁移率（cm 2.V -1.s -1）当电子（e ）和空穴（h ）同时为载流子时，h h e e e n e n μμσ+=假定Si 的迁移率μe=1450（cm 2.V -1.s -1），μh=500（cm 2.V -1.s -1），且不随温度变化。
功能材料-磁性材料课件
第三章 磁性材料－§3.1 软磁材料
3、高斯织构硅钢片
结构特点：
➢ 易磁化方向[100]与轧制方向平行 ➢ 难磁化方向[111]与轧制方向成55角
轧 [100] 制 方 向
55
[111] [110]
➢ 中等磁化方向[110]与轧制方向成90角
横向
高斯织构硅钢片具有磁各向异性，沿[100](轧制方向)磁性能最佳。
3、主要用途
直流磁场下工作的磁性元件，如电磁铁和继电器的铁芯。
第三章 磁性材料－§3.1 软磁材料
电工用硅钢片
在纯铁中加入1.04.0%Si的铁碳硅合金。 Si的加入，提高了电阻率，从而减少涡流损耗。
1、电工用硅钢片的种类
硅钢片按生产方法、结晶织构和磁性能的分类：
电工用硅钢片
热轧非织构（无取向）硅钢片 冷轧非织构（无取向）硅钢片 冷轧高斯织构（单取向）硅钢片 冷轧立方织构（双取向）硅钢片
150·cm，为1J79铁镍合金的2～3倍。 ➢ 硬度、强度和耐磨性较高。
例如1J16的硬度和耐磨性比1J79合金高，适用于磁头等磁性器件。 ➢ 密度较低。
可以减轻磁性元件的铁芯质量。 ➢ 对应力敏感性小。
适于在冲击、振动等环境下工作。 ➢ 合金的时效性良好。
随着环境温度的变化和使用时间的延长，其磁性变化不大。
第三章 磁性材料－§3.1 软磁材料
2、铁铝合金的主要应用
铁和铝资源丰富、价格低廉，铁铝合金的磁性能与铁镍合金类似， 同时还具有一些独特的优点，因此是铁镍合金的一种替代材料，适用于 电子变压器、磁头和磁致伸缩换能器等方面。
铁铝合金的牌号、主要成分、特点和用途
牌号 铝含量 /%
特点
主要用途
1J6
第4章摩擦力磁力等显微镜
纳米科学与技术
第4章 摩擦力磁力等显微镜
摩擦力显微镜的总体系统组成
机械制造及自动化系
纳米科学与技术
第4章 摩擦力磁力等显微镜
摩擦力显微镜的结构系统组成, 和原子力显微 镜没有多少区别，只是作了如下更改： 1) 原来只能测Z向力的一维力敏微悬臂和探针, 换 成了能同时测 Z 向力和 X 向力的二维力敏微悬臂和 探针； 2) 原来测微悬臂受力形变量的一维检测系统，换 成了能同时检测检测微悬臂 Z 向和 X 向受力形变量 的二维力检测系统。
•
•
机械制造及自动化系
纳米科学与技术
第4章 摩擦力磁力等显微镜
从图中可知，磁感应强度 B 达到饱和值后，若将磁场强度 H减到零，磁感 应值并不为零而保留着一定的数值，这种保留的磁感应值 B，叫做剩磁。如果 要使剩磁Br部消失，必须改变磁场强度的方向，即从相反的方向加上一个磁场 强度 Hc，另加的磁场强度称为娇顽力。若相反方向的磁场强度继续增加，又 可以得到负的饱和磁感应强度。这样循环一周，所得到的封闭曲线叫磁化曲线。 磁化曲线所包围的面积，称为磁滞损失，即表示往复磁化依次所消耗的能量。 不同的磁性材料所测得的磁化曲线是不相同的；不同的磁化曲线，就有不同 的磁滞损失。工程上磁滞损失的大小将磁性材料分为两大类，此致损失大的 称为硬磁材料，此致损失小的称为软磁材料。 硬磁材料的娇顽力大，磁滞损失也大。这说明硬磁材料磁化和退磁均要加较 大的磁场强度，磁化和退磁依次消耗的能量较多。 软磁材料的娇顽力小，磁滞损失也小。这说明软磁材料既易于被磁化，也易 于被退磁，磁化和退磁依次所消耗的能量较小。
机械制造及自动化系
纳米科学与技术
1. 磁性材料的基本知识
第4章 摩擦力磁力等显微镜
习题答案(第4章～第6章)
《汽车机械基础》习题参考答案第4章金属材料的性能1．什么是金属的力学性能？根据载荷形式的不同，力学性能主要包括哪些指标？答：在外力作用下，材料所表现出来的一系列特性和抵抗破坏的能力称力学性能。
材料的力学性能指标分为强度、塑性、硬度，冲击韧性和疲劳强度等。
2．什么是弹性变形？什么是塑性变形？答：随着载荷的存在而产生、随着载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。
载荷卸掉后形变不能恢复的变形称为塑性变形。
3．什么是强度？什么是塑性？衡量这两种性能的指标有哪些？各用什么符号表示？答：金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。
根据载荷的不同，可分为抗拉强度b ，抗压强度bc、抗弯强度bb、抗剪强度b和抗扭强度t等几种。
断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性，用延伸率和断面收缩率来表示。
4．什么是硬度？HBS、HBW、HRA、HRB、HRC各代表什么方法测出的硬度？答：材料抵抗另一硬物压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。
HBS布氏硬度（当用淬火钢球压头时）、HBW布氏硬度（当用硬质合金球时）；HRA、HRB、HRC都是洛氏硬度，只是压头以及总载荷不同：压头分别是金刚石圆锥、1/16”钢球、金刚石圆；总载荷分别为60kgf、100kgf、150kgf。
5．下列硬度的写法是否正确？HBS150、HRC140、HRC70、HRB10、HRA79、474HBWHBS150错，改为150HBSHRC140错，HRC硬度范围为20～67HRB10错，HRB硬度范围为25～100HRA79错，改为79HRA474HBW对6．下列各种工件一般应采用何种硬度试验方法来测定其硬度值？（1）锉刀；（2）黄铜轴套；（3）硬质合金刀片；（4）渗碳合金钢；（5）供应状态的各种碳钢钢材。
答：（1）锉刀：用HRC试验测定；（2）黄铜轴套：用HRB试验测定；（3）硬质合金刀片：用HRA试验测定；（4）渗碳合金钢；用HRA试验测定；（5）供应状态的各种碳钢钢材：用HB试验测定；7．什么是冲击韧性？用什么符号表示？答：材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性。
第四章：磁场与电磁感应
自感电动势的方向应根据楞次定律判定。
二、互感 1.互感现象
互感实验电路
这种由一个线圈中的电流发生变化而在另一线圈中产生 电磁感应的现象称为互感现象,简称互感。由互感产生的感
应电动势称为互感电动势,用eM 表示。
为描述一个线圈电流的变化在另一个线圈中产生互感电动
蹄形磁铁的磁感线
条形磁铁的磁感线
在磁场的某一区域里,如果磁感线是一些方向相同分 布均匀的平行直线,则称这一区域为匀强磁场。
匀强磁场
二、电流的磁场 电流周围存在着磁场。电流产生磁场的这种现
象称为电流的磁效应。
通电导线使磁针偏转
通电长直导线及通电螺线管周围的磁场方向可用右手 螺旋定则(也称安培定则)来确定。
N 匝线圈的感应电动势的大小为
感应电动势的方向需要根据楞次定律进行判定,在电路 计算中,应根据实际方向与参考方向的关系确定其正负。
四、直导线切割磁感线产生感应电动势
导体切割磁感线产生感应电动势
感应电动势的方向可用右手定则判断。如图所示,平伸右手, 大拇指与其余四指垂直,让磁感线穿入掌心,大拇指指向导体运 动方向,则其余四指所指的方向就是感应电动势的方向。
当一个线圈的结构、形状、匝数都已确定时,线圈中的磁
通Φ 随电流I 变化的规律可用Φ—I 曲线来表示,称为磁化
曲线。它反映了铁心的磁化过程。
利用电流产生的磁场磁化铁心
磁化曲线
磁化实验与磁化曲线
磁化曲线
曲线Oa段较为陡峭,Φ 随I 近似成正比增加。
b点以后的部分近似平坦,这表明即使再增大线圈中的电流
当电流方向与磁场方向垂直时,电流所受的电磁力最大。
二、通电平行直导线间的作用
(完整版)电工基础四版习题册答案第四章磁场与电磁感应
电工基础四版习题册答案第四章磁场与电磁感8.如图4-1所示, 导体ad的磁感应强度B的方向为N极穿出纸面,导体的电流方向是_由a→b__.二.判断题1.每个磁体都有两个磁极,一个叫N极,另一个叫S极,若把磁体分成两端,则一段为N极,另一段叫S 极.( × )2.磁场的方向总是由N极指向S极.(×)3.地球是一个大磁体.( √)4.磁场总是由电流产生的.(×)5.由于磁感线能想象地描述磁场的强弱和方向,所以它存在于磁极周围的空间里.( × )三.选择题1.在条形磁铁中,磁性最强的部位在(B )A.中间B. 两极 c.整体2.磁感线上任意点的( B )方向,就是该点的磁场方向.A.指向N极的B.切线 c.直线3.关于电流的磁场,正确说法是(C )A.直线电流的磁场只分布在垂直与导线的某一平面上B.直线电流的刺伤是一些同心圆,距离导线越远,磁感线越密.C. 直线电流,环形电流的磁场方向都可用安培定则判断.四.综合分析题1.有两位同学,各自在铁棒上绕一些导线制成电磁铁,照后按照从右段流入,从左段流出的顺序通入电流.甲同学制成的电磁铁,左端是N极,右端是S极;而乙同学制成的电磁铁,恰好左端是S 极,右端是N极.那么,它们各自是怎样绕导线的?请用简图表示出来.2.判断图4-2中各小磁针的偏转方向.§4—2磁场的主要物理量一.填空题1.描述磁场在空间某一范围内分布情况的物理量称为磁通，用符号表示，单位为____Wb________;描述磁场中各点磁场强弱和方向的物理量称为磁感应强度，用符号 B 表示，单位为特斯拉（T）。
在均匀磁场中,两者的关系可用公式Φ=B S表示。
2.用来表示媒介质导磁性的物理量叫磁导率，用符号 u 表示,单位是B.顺磁物质、顺磁物质、铁磁物质C.顺磁物质、铁磁物质、铁磁物质2.下列与磁导率无关的量是( B ).A.磁感应强度B.磁场强度C.磁通四、问答题1.试总结磁感线的特点.答：①磁通越密磁场越强，磁力线越疏磁场越弱。
软磁材料
五、稳定性
• 高科技特别是高可靠工程技术的发展，要求软磁 材料不但要高µ i ,低损耗等，更重要的是高稳定性。
• 软磁材料的高稳定性是指磁导率的温度稳定性要高， 减落要小，随时间的老化要尽可能地小，以保证其 长寿命工作于太空、海底、地下和其他恶劣环境。 • 影响软磁材料稳定工作的因素有低温、潮湿、电磁 场、机械负荷、电离辐射等，在这些因素的影响下， 软磁材料的基本特性参数发生变化，从而导致性能 的变化。
4.2 提高起始磁导率的途径
• 必要条件：提高Ms并降低K1、λs ：的值. • 充分条件：降低杂质浓度，提高密度， 增大晶粒尺寸，结构均匀化，消除内应 力和气孔的影响。这都与配方的选择和 工艺条件密切相关。
提高起始磁导率µ i的途径
一、提高Ms降低磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩系数λs • 材料的起始磁导率µ i 与Ms的平方成正比。 • 最有效方法是从配方和工艺上使K1→0，λs →0. 例如：CoFe2O4、Fe3O4Ms虽高，但K1和λs太大。
4.3.1 电工纯铁
• 纯度：电工纯铁是指纯度在99.8％以上。冶炼时，
首先用氧化渣除之碳、硅、锰等元素，再用还原 渣除去磷和硫，出钢时在钢包中添加脱氧剂获得。 • 软磁性能：经过退火热处理，起始磁导率µi 为 3, Hc为 300—500，最大磁导率µ 为 (6~12) × 10 max 39.8～95.5 A/m。(0.5~1.2Oe) 1 A/m =4/ 103 Oe
二、矫顽力 Hc
• 软磁材料的基本性能要求是，能快速地响应 外磁场变化，这就要求材料具有低矫顽力值。 • 图为在低磁场时就表现出灵敏的响应。
软磁材料典型的磁滞回线示意图
影响矫顽力Hc的因素
• 软磁材料的矫顽力较低: 通常约为0.1-100 A/m 数量级。 • 软磁材料的反磁化过程主要是通过畴壁位移来 实现的，因此材料内部应力起伏和杂质的含量 与分布成为影响矫顽力Hc的主要因素。对于内 应力不易消除的材料，应着重考虑降低 λs；对 于杂质含量较多的材料应着重考虑降低Kl值。 • 对于软磁材料，在提高µ i 的同时可以实现降低 Hc的目的。
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能够迅速响应外磁场的变化，且能低 耗损地获得高磁感应强度的材料。
本章讲述的主要内容：
☞衡量软磁材料的重要指标
☞提高起始磁导率的途径
☞金属软磁材料
☞铁氧体软磁材料
☞非晶及纳米晶软磁材料
1
4.1 衡量软磁材料的重要指标
起始磁导率高
顽力HC 小 饱和磁感应强度MS 高 磁损耗小 稳定性好
26
非晶态材料的制备方法
气体 （平衡） 液体
非晶材料制备方法通常有： 气相沉积； 液相急冷；
非晶体
晶体
高能粒子注入
高能粒子注入
（获得非晶态的途径用空心箭头标出）
非晶材料的制备方法
27
非晶软磁材料的应用
铁基非晶带的损耗仅为硅钢的1/3，在电力工业中应 用可以显著地降低损耗，但由于成本较高，目前尚难 以大量取代传统的材料
30
晶粒尺寸与矫顽力的关系
纳米晶软磁发明之后，才全面认识到 晶粒尺寸与矫顽力的关系
31
纳米晶与铁氧体、非晶性能对比
Finemet FT-1KM MnZn 铁氧体
5300 5300 0.44 8.0 0.23 1200 150
Co基 非晶
90000 18000 0.53 0.32 0.50 300 180 ~0
此外，由于铁钴合金具有较高的饱和磁致伸缩系数，
也是一种很好的磁致伸缩合金。
20
4.4 铁氧体软磁材料
发展最早，应用最广的一类铁氧体材料 软磁铁氧体最早由Snock于1935年研制成功的 这类材料具有窄而长的磁滞回线，矫顽力HC小，既容易 获得磁性，也容易失去磁性。 软磁铁氧体的磁性来源于亚铁磁性，故饱和磁化强度MS 较金属低，但比金属软磁的电阻率要高得多，因此具有 良好的高频特性。 在弱电高频技术领域，软磁铁氧体具有独特的优点，广 泛地应用于有线通讯、无线通讯、广播、电视、航天技 术及其它电子科技中用作电感元件和变压器等。 其应用频率从几百赫的音频范围到千兆赫的微波频段。
磁学特性优于硅钢
价格贵于硅钢
14
合金成分与磁学特性
急冷是防止Ni3Fe相析出
15
典型成分
在Ni为75%~83%的范围内，具有最佳的综合软磁性能：
Ni在81％附近，磁致伸缩系数s＝0 Ni在76％附近，磁各向异性常数K＝0 但是，饱和磁通密度较低，Ni又是高价金属材料
所以通常采用Ni为40％～50％的坡莫合金
► 3d过渡金属（T）－金属系。
其中 T为 Fe，Co， Ni等；金属为 Ti， Zr， Nb， Ta 等。例 如， Co-Nb-Zr系溅射薄膜， Co-Ta-Zr 系溅射薄膜（ VTR 磁头，薄膜磁头）。
►过渡金属（T）－稀土类金属（R）系。
其 中 T 为 Fe ， Co ； R 为 Gd ， Tb ， Dy ， Nd 等 。 例 如 ， GdTbFe，TbFeCo等（光磁记录材料）。
0.5
0.2
33
纳米晶软磁的制备和应用
制备纳米晶软磁材料的主要方法是非晶晶化法： 先利用溶体急冷法（RS）获得非晶条带，而后在略高 于非晶晶化温度下退火一定时间，使之纳米晶化。 纳米晶软磁材料正沿着高频、多功能方向发展，其应用 领域遍及软磁材料应用的各方面 如：功率变压器、脉冲变压器、高频变压器、可饱和电 抗器、互感器、磁屏蔽、磁头、磁开关和传感器等
c增加（↑）
8
电工纯铁的主要用途
电工用纯铁主要用于制造：
磁铁的铁芯和磁极
继电器的磁路和各种零件 感应式和电磁式测量仪表的各种零件 扬声器的磁路 电话中的振动膜 电机中用以导引直流磁通的磁极 冶金原料 …………
9
4.3.2 硅钢
电工纯铁只能在直流磁场下工作， 在交变磁场中，涡流损耗大
在纯铁中加入硅，形成固溶体，这样
☞加热具有结晶化倾向； ☞电阻率比晶态材料高； ☞机械强度较高且硬度较高； ☞作为磁性材料，磁导率高，矫顽力低。 电阻率高，涡流损耗小。 所以，非晶态材料拥有优良的综合软磁性能
25
典型的非晶态磁性材料
►3d过渡金属（T）－非金属系。
其中 T 为 Fe ， Co ， Ni 等；非金属为 B ， C ， Si ， P 等。例如 Co-Fe-B-Si 非晶薄带（音频磁头等）， Fe-Si （磁芯材 料），Fe78Si10B12（高磁致伸缩材料）。
在该成分时，合金的磁致伸缩系数s和磁各向异性常数
K1几乎同时趋于零，并且具有高磁导率和低矫顽力。 同时，不需要高价的Co和Ni，而且电阻率高、耐磨性好， 所以作为磁头磁芯材料材料比较理想。
19
铁钴合金
铁钴合金具有高的饱和磁化强度，在Co为35％时，
最大饱和磁化强度达到2.45T。
在Co为50％左右的铁钴合金，具有高的饱和磁化强 度，高的初始磁导率和最大磁导率。 铁钴合金通常用作直流电磁铁铁芯、极头材料、航 空发电机定子材料以及电话受话器的振动膜片等。
改善材料的显微结构
降低杂质和气孔的含量，增大晶粒尺寸，材料的织构化 （MnZn合金）
降低内应力σ
3
4.3 金属软磁材料
电工纯铁 硅钢 坡莫合金 其它软磁合金 铁铝合金 铁硅铝合金
铁钴合金
4
4.3.1电工纯铁
指纯度在99.8％以上的铁 是最早，最常用的纯金属软磁材料
升温、加压
降温、降压 体心立方 面心立方
高的磁导率 高的电阻率 高的饱和磁致伸缩系数 高的硬度、强度和耐磨性 ………… 铁铝合金价格低廉，常作为铁镍合金的替代品。其主要 用于磁屏蔽，小功率变压器，继电器，微电机，讯号放 大铁芯，超声波换能器元件，磁头等
18
铁硅铝合金
又称仙台斯特合金，是1932年在日本仙台被开发出来的 成分为Fe-9.6Si-5.4Al
37
38
与MS平方成正比；与K1和λ S成反比； 与内应力σ 和杂质浓度β 成反比 降低HC的方法与提高μi的方法相一致 调节配方
2
4.2提高起始磁导率的途径
提高饱和磁化强度MS
MS很难调整，效果不明显
降低磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩系数λ
S
是最有效的方法，从配方和工艺上使K1→0，λS→0 （FeNi合金）
21
软磁铁氧体材料类别
软磁铁氧体材料主要包括MnZn，NiZn，MgZn等尖晶石 型铁氧体以及Co2Y，Co2Z等平面六角型铁氧体 。 在1MHz频率下，锰锌铁氧体应用极广。其磁滞损耗低， 在相同高磁导率的情况下居里温度较NiZn高，起始磁导率 i高，且价格低廉。 在1～100MHz范围内，镍锌铁氧体应用最广。因为Ni2+不 易变价，电阻率高，适用于作高频软磁材料，且频带宽。 由于镍的价格较高，在频率低于30MHz的情况下，可以 用价格便宜的镁锌铁氧体来代替，只是性能稍差一些。
kW/m3 ℃ 10-6 m Mg/m3
350 570 +2.3 1.110-6 7.4
0.20 4.85
1.310-6 7.7
32
各类软磁材料性能比较
×104 50 20 10 5 μi 2 坡莫合金 1 纳米微晶 Fe-Si-B-Nb-Cu合金 Fe基非晶合金 Mn-Zn铁氧体 0.1 0 0.5 1.0 1.5 BS（T） 2.0 2.5 3.0 硅钢 纳米微晶 Fe-M-B基合金 Co基非晶合金
☞高饱和磁感应强度低功耗材料（又称功率铁氧体）。 用于开关电源、电视机偏转磁芯及U型磁芯
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4.5 非晶及纳米晶软磁材料
晶态与非晶态
En C E2 B
E1 A
晶态
D
晶态与非晶的原子排布
晶态与非晶的能垒模型
24
4.5.1非晶态软磁材料
非晶态材料的特征：
☞原子排布为长程无序、短程有序； ☞不存在位错及晶粒边界；
主要用于： 各种形式的电动机、发电机和变压器 扼流圈 电磁机构 继电器 测量仪表 …………
13
4.3.3坡莫合金
坡莫合金源于英文permalloy 是指镍的质量分数为30％～90％的镍铁合金 坡莫合金具有很高的磁导率，成分范围宽 而且磁性能可以通过改变成分和热处理工艺等进行调节 坡莫合金中含有Ni，因此
通过退火除杂后，具有高磁通，较高磁导率 可以满足实用要求
16
坡莫合金的用途
坡莫合金主要用于：
高磁导率的铁芯材料
磁屏蔽材料 恒磁导率脉冲变压器 各种矩磁合金 热磁合金
磁致伸缩合金
…………
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4.3.4其他软磁合金
铁铝合金
铁铝合金是以铁和铝为主要成分的软磁材料
通过调解铝的含量，可以获得满足不同要求的软磁材料：
22
软磁铁氧体主要应用方向
由于晶体结构的限制，立方晶系铁氧体的使用频 率大体上仅能在数百兆赫之下。 几百兆赫到数千兆赫的高频软磁材料基本上是以 平面型六角晶系铁氧体为主 现代软磁铁氧体材料发展的主要方向 ：
☞高磁导率材料，i>104，用于宽频带变压器、低频变 压器、小型环形脉冲变压器和微型电感器等。
Fe基 非晶
4500 4500 1.56 5.0 0.65 2200 415 +27 1.410-6 7.18
饱和磁通密度BS 矫顽力HC 矩磁比（Br/BS） 磁芯损耗PC 居里温度TC 饱和磁致伸缩常 数 S 电阻率 密度dS
10kHz 100kHz T A/m
50000 1600030% 1.35 1.3 0.60
电阻率（↑），涡流损耗（↓） 硅钢也称硅钢片或电工钢片
碳的质量分数c在0.02％以下，硅的质量分数
为1.5％～4.5％的Fe合金
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硅钢的性能
60Hz，B=1T,厚度为0.35mm
11
冷轧无取向硅钢片
12
评价和用途
添加适量硅，K（↓），s（↓），铁损（↓）