永磁材料磁学基础

体积磁致伸缩：铁磁体被磁化时其体积大小的相对变化。 SPINEL
磁学基础－基本磁性参量
磁致伸缩
磁致伸缩效应与磁化过程有一定的联系：
磁致伸缩的讨论将主要限于线磁致伸缩（简称为磁致伸缩）。
3 磁弹性能： E sin 2 s 2
磁致伸缩效应将使材料内部产生拉（或压）应力，因而产生 磁弹性能。 SPINEL
磁畴壁的种类
布洛赫(Bloch) 畴 磁畴壁 奈耳（Neel） 磁畴壁 畴壁两侧的原子磁矩的旋转平面与畴壁 平面平行，两个畴的磁化方向相差180 畴壁内原子磁矩的旋转平面与两磁畴的 磁矩在同一平面平行于界面
壁
（a）
180°
90°ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（SPINEL b）
（c）
90°
磁学基础－基本磁性参量 磁化曲线
它表示磁场强度H与所感生的B或M之间的关系（非线性）
SPINEL
磁学基础－基本磁性参量 磁滞回线
H从正的最大到负的最大，再回到正的最大时，B—H或 M—H形成一封闭的曲线——磁滞回线。（磁材的重要特性之
一)
磁滞回线的第二象限为退磁曲线（依据此考察永磁材
料性能），退磁曲线上每一点所对应的B和H的乘积BH为磁能 积，表征永磁材料中能量大小。 最大磁能积(BH)max 是永磁 的重要特性参数之一。
技术磁化与反磁化过程
技术磁化与反磁化过程
2）技术磁化的两种机制
畴壁的迁移磁化（壁移磁化）
磁畴的旋转磁化（畴转磁化）
Ms
θ
H
易轴方向
Ms
θ θ0
H
壁移磁化
转动磁化
技术磁化与反磁化过程
技术磁化与反磁化过程
磁能积（BH） ：磁铁在气隙空间所建立的磁能量密度。 永磁体均在开路状态下使用，作为磁场源或动作源。主要作用 是在磁铁的两磁极空间(或称空气隙)产生磁场Hg。
jm H
（1）当 ＝0°，jm与H方向一致，
FHmin＝－0MH，处于能量最低状态
（2）当 逐渐增大时，需要外力来克服 磁场做功，磁体在磁场中的能量增加
（3）当 ＝180 °，能量密度达到最大
值＋ 0MH
SPINEL
磁学基础－基本磁性参量
磁晶各向异性能
SPINEL
磁感应强度(B ):物质在外磁场作用下，其内部原子磁矩的
有序排列还将产生一个附加磁场。在磁性材料内部外加磁场 与附加磁场的和,单位为T（特斯拉）或Wb/m2。
磁化强度(M ):单位体积磁体内各磁畴磁矩的矢量和，单[A/m]
B = μ0 (H+M) B = μ0 H+4πM)
SI CGS B单位是[T]或[Wb/m2]） B单位是高斯（Gauss）
SPINEL
磁性的分类
①抗磁性 ②顺磁性 ③反铁磁性 ④铁磁性 ⑤亚铁磁性
弱磁性
强磁性
SPINEL
磁性的分类
SPINEL
矫顽力与矫顽力理论
S L M HC 0 MS S M HC 0 MS L
铁磁体内部的应力 阻碍畴壁运动。
材料内部周期性分布的内应力对180°畴壁位移的公式：
SPINEL
磁学基础－基本磁性参量
磁性材料的磁导率(μ):定义为磁感应强度与磁场强度之比
μ=B/H μ0 : 真空磁导率; μ: 绝对磁导率，单位为 H/m， μr: 相对磁导率 μr =μ/μ0
磁化率(χ):定义为磁化强度与磁场强度之比.
χ= M/H
χ 反映物质磁化的难易程度。
SPINEL
磁学基础－基本磁性参量
0 0
对于均匀材料制成的椭球样品，容易得出;
Fd 0
M
0
1 NMdM 0 NM 2 2
N 是磁化方向的退磁因子。对于非球形样品，沿不同方向
磁化时退磁场能大小不同，这种由形状造成的退磁场能随 磁化方向的变化，通常也称形状各向异性能。退磁能的存 SPINEL 在是自发磁化后的强磁体出现磁畴的主要原因。
磁学基础－基本磁性参量
磁畴壁与磁畴能 磁畴：未加磁场时铁磁体内部已经到饱 和状态的小区域。 磁畴结构包括磁畴和畴壁两部分。磁畴 的体积为10-1～10-6cm3。畴壁是指磁 畴交界处原子磁矩方向逐渐转变的过 渡层 特征：磁矩同方向。 磁畴壁：相邻磁畴的界限。 180°畴、90°畴
SPINEL
磁学基础－基本磁性参量
从饱和磁化状态开始，再使磁场H减小，B或M不再沿原始曲线 返回。当H＝0时，仍有一定的剩磁Br或Mr。
为使B（M）趋于零，需反向 加一磁场，此时H=Hc称为矫 顽力。 BHC ：使B＝0的Hc (磁感矫 顽力）。 MHC ： M＝0时的Hc（内禀矫 顽力） 一般| BHC | < | MHC |
SPINEL
对于单畴体或单畴体的集合体，其磁化与反磁化过程都是 磁矩的可逆与不可逆的转动过程，而不存在壁移过程。
技术磁化与反磁化过程
铁磁材料的基本磁化曲线
技术磁化与反磁化过程
磁化的三个阶段 在第 I 阶段，外磁场H 较小，磁感应强度B 和磁化强度M 随H 增大缓慢上升，B 与H 基本上是线性关系，磁化是可 逆的。称为起始磁化阶段。 在这一阶段，与外磁场方向成锐角的磁畴能量低，磁畴 扩大；而与外磁场成钝角的磁畴缩小。磁畴大小的变化 通过磁畴壁的迁移实现。 在第 II 阶段：随H 增大，B 和H 都迅速增大，μ 增加很 快，并出现最大值。这个阶段是不可逆的，去掉外磁场 还保留部分磁化。
永磁材料磁学基础
潘仲彬 2013年3月22日
内

容




磁基本参量 技术磁化与反磁化过程 矫顽力与矫顽力理论 磁性材料的稳定性 永磁材料的基本要求 提高永磁性能途径
SPINEL
磁学基础－基本磁性参量
磁矩:μm= iS (A· m 2)
磁矩是表示磁体本质的一个物理量。任何一个封闭的电
流都具有磁矩ｍ=IS。其方向与环形电流法线的方向一
退磁场
当铁磁体由于磁化，在表面具有面磁极( 荷 )或体磁( 荷 ) 时，在铁磁体内将产生与磁化强度方向相反的退磁场Hd。如 果磁化均匀，则退磁场也是均匀磁场，且与磁化强度成比例 而方向相反，因此
H d N M
N 称作退磁因子，它的大小与M无关，只依赖于样品的几
磁学基础－基本磁性参量 磁滞回线
NOTE: Hc是表征材料在磁化后保持磁化状态的能力。
通常以Hc划分软磁、永磁、半永磁材料：
软磁
硬磁
B B
H C 8 10 ~ 8 10 A / m
2
H C 8 10 ~ 8 10 A / m
3 5
半硬磁 介于10 3 ～10 5 A / m之间
O点：H＝0、B＝0、M＝0，磁中性或原始退磁状态
OA段：近似线性，起始磁化阶段 AB段：较陡峭，表明急剧磁化
H<Hm时，二曲线基本重合。
H>Hm后，M逐渐趋于一定值 MS（饱和磁化强度），而B 则仍不断增大(原因?) 由B－H（M－H）曲线可求
出或
SPINEL
磁学基础－基本磁性参量 磁滞回线
技术磁化与反磁化过程
在第二阶段磁畴壁随磁畴的增大而快速移动，称磁畴壁跳 跃（巴克豪生跳跃）。与磁场夹角比较大的难磁化磁畴转 向夹角较小的易磁化方向。当磁场增大到很大时，所有自 旋磁矩通过磁畴壁的跳动来实现，转动到与磁畴成最小夹 角的易磁化方向。 在第 III 阶段：随H 进一步增大，B 和M 逐渐变缓，μ 变 小，并趋向于μ 0。当磁场强度达到Hs 时达到磁饱和，这 时随着H 增大，M 不变。称为饱和磁化阶段。 在这一阶段发生磁畴转动。磁畴由易磁化方向转动到与外 磁场一致的方向。这时去除外磁场，磁畴由与外磁场一致 的方向转动到易磁化方向。
SPINEL
技术磁化与反磁化过程
技术磁化的本质：外加磁场对磁畴的作用过程即外加磁场 把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向（和）或近似外磁 场方向的过程。 磁化过程：磁性材料受外磁场作用，发生磁畴转动或畴壁 位移，原有磁畴消失，代之以新的磁畴结构，使材料从磁 中性状态变到所有磁畴都取外磁场方向的磁饱和状态过程， 称之为磁化过程。反之，从磁饱和状态回到退磁状态的过 程称为反磁化过程。 技术磁化过程的描述：磁化曲线与磁滞回线。
M
mi
i 1
n
m是一个面积为
s 的电流为 i 的环形电
V
流的磁矩。单位是 A﹒m2,因此磁化强 度的单位是 A﹒m-1, 它和磁场强度 H 的单位是一样的。
磁极化强度 Jm 定义为物质单位体积的磁偶极矩：
Jm
j
i
mi
jm 是一个长度为 l , 磁荷为±qm的磁偶
极子，其单位是：Wb﹒m，因此磁极化强 度的单位是：Wb﹒m-2 (和磁感应强度 B 单位 T 一致)
SPINEL
技术磁化与反磁化过程
由C点的磁化状态（+MS）到C′点的磁化状态（-MS），称为反磁化过程。 与反磁化过程相对应的B－H或M－H曲线称为反磁化曲线 。两条反磁化曲线 组成的闭合回线为磁滞回线。
（I）区：晶粒的磁矩转动到最靠近外 磁场的易磁化方向；也可能产生新的反 磁化畴。
（II）区：可能是磁矩的转动过程；也 可能是畴壁的小巴克豪森跳跃；也可能 产生新的反磁化畴。 （III）区：不可逆的大巴克豪森跳跃。 （IV）区：磁矩转动到反磁化场方向的 过程。
V
两个物理量之间的关系为：
J 0 M SPINEL
磁学基础－基本磁性参量
磁场强度（H）：电流为 I 的电流在一个每米有N匝线圈的
无限长螺旋管轴线中央产生的磁场强度 H 为： H = n × I A/m （安/米） 无限长载流直导线的磁场强度 H 为： H= I/（2πr）
磁学基础－基本磁性参量 静磁能
静磁能：强磁性物质的磁化强度与外磁场的相互作用能。
任何磁体被臵于外磁场（稳恒磁场or交变磁场）中 将处于磁化状态，此时磁体具有静磁能量 说明：
FH
U
V V J H 0 M H 0 MH cos
致，其大小为电流与封闭环形的面积的乘积IΔS。
磁偶极矩:jm= ml (Wb· m) , 其中m为磁偶极子的磁极强
度. 两个磁极间作用力：F =（m1m2）/（4πμ0 r2)

jm = μ0 μm , 其中μ0= 4π×10-7 H/m
SPINEL
磁学基础－基本磁性参量
磁化强度 M 定义为物质单位体积的磁矩：
矫顽力的掺杂理论
畴壁位移的矫顽力公式：
K1 3 2 R M HC 2 0 M S K1 3 2 M HC 2 0 M S R
Hg=(BmHmVm/μ0Vg)1/2
式中Vm、Bm和Hm分别是磁铁的体积、磁感强度和磁场强度，Vg 、Hg是气隙的体积和磁场强度。磁场强度（ Hg）除与磁体的体 积及气隙体积有关外，主要取决于磁体的磁能积（BH） 。 最大磁能积（BH）max：退磁曲线上磁能积最大的一点，工程应
用中通常将(BH)max称为磁能积。
磁学基础－基本磁性参量
磁晶各向异性能 磁晶各向异性能：饱和磁化强度矢量在铁磁体中取不同方
向而改变的能量。 只与磁化强度矢量在晶体中相对的取向有关。在易磁 化轴上，磁晶各向异性能最小，Ms与磁畴取向它最稳定。
磁化功：铁磁体磁化时所需要的磁化能。
沿铁磁晶体不同的晶轴方向上，磁化到饱和时所需要 的磁化能不同。磁化功小的晶体方向称为易磁化方向，磁化功 大的晶体方向称为难磁化方向。
何形状及所选取的坐标，一般情况下它是一个二阶张量。
这时磁性体内部的有效磁场为： H eff H ex H d
SPINEL
磁学基础－基本磁性参量 退磁场能
退磁场能：它是在磁化强度逐步增加的过程中逐步积累
起来的，单位体积内
J M
Fd Hd dJ 0 Hd dM
W
Ms
0
HdM
SPINEL
磁学基础－基本磁性参量
磁致伸缩 磁致伸缩：铁磁体在磁场中被磁化时，形状和尺寸都发生变
L 磁致伸缩系数： L
原因：当原子磁矩有序排列时，电子间的相互作用导致原子 间距的自发调整引起的。
磁致伸缩的四种表现：
化的现象。

线磁致 伸缩

纵向磁致伸缩：沿磁场方向尺寸大小的相 对变化。 横向磁致伸缩：垂直于磁场方向尺寸大小 的相对变化。
（L<<时） （L>>时）
当应力波长L与畴壁相当时，有最大的矫顽力。
由于材料的内应力不可能超过其断裂强度，因此通过提 高内应力来提高矫顽力是有限的。
该理论适于描述软磁合金的矫顽力。
为降低软磁合金的矫顽力，应设法降低材料内部的内应 力，同时应选择磁致伸缩系数S低的材料（最好S0 ）。 当S很大时，只要微小的内应力都会引起矫顽力的提高。 SPINEL