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1、磁性材料基础知识课件,提纲,磁学基本常识,4,磁性材料性能分析,磁性来源 磁学基本概念 磁性材料分类,磁性材料应用实例,一、磁性材料发展简史,磁性材料是最早被人类认识和利用的功能材料，伴随了人类文明的发展。,指南针,罗盘,磁,石头、后记录为磁铁,MagicMagnet,具有魔力的,一、磁性材料发展简史,指南针 司马迁史记描述黄帝作战用1086年 宋朝沈括梦溪笔谈指南针的制造方法等1119年 宋朝朱或萍洲可谈 罗盘，用于航海的记载 W. Gilbert De Magnete磁石，最早的著作18世纪 奥斯特 电流产生磁场 法拉弟效应 在磁场中运动导体产生电流 安培定律 构成电磁学的基础, 开创现代
2、电气工业1907年 P. Weiss的磁畴和分子场假说1928年 海森堡模型，用量子力学解释分子场起源1931年 Bitter在显微镜下直接观察到磁畴1933年 加藤与武井发现含Co的永磁铁氧体1935年 荷兰Snoek发明软磁铁氧体1935年 Landau和Lifshitz考虑退磁场, 理论上预言了磁畴结构,1946年 Bioembergen发现NMR效应1948年 Neel建立亜铁磁理论1954-1957年 RKKY相互作用的建立1958年 Mssbauer效应的发现1960年 非晶态物质的理论预言1965年 Mader和Nowick制备了CoP铁磁非晶态合金1970年 SmCo5稀土永磁
3、材料的发现1982年 扫描隧道显微镜, Brining和Rohrer,( 1986年,AFM )1984年 NdFeB稀土永磁材料的发现 Sagawa(佐川)1986年 高温超导体，Bednortz-muller1988年 巨磁电阻GMR的发现(M.N. Baibich)，法国Paris-Sud大学的Albert Fert以及德国尤里希研究中心的Peter Grnberg获2007年诺贝尔物理学奖1994年 CMR庞磁电阻的发现，Jin等LaCaMnO31995年 隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki,一、磁性材料发展简史（续）,古老而年轻的功能材料,提纲,磁学基本常识,4,磁性材料性
4、能分析,磁性来源 磁学基本概念 磁性材料分类,磁性材料应用实例,二、磁学常识-磁性来源,粉纹法演示磁力线分布,磁极之间同性相斥、异性相吸磁铁不论大小，都有唯一的N极和S极。,磁偶极子和磁矩,2.1 磁性来源,如果一个小磁体能够用无限小的电流回路来表示，我们就称为磁偶极子。用磁偶极矩jm表示：,与磁偶极子等效的平面回路的电流和回路面积的乘积定义为磁矩表征磁性物体磁性大小的物理量，用m表示：,jm=ml,m=iA,磁偶极矩和磁矩具有相同的物理意义，存在关系：,jm=0m ，o=410-7Hm-1 ，真空磁导率,磁化强度M,单位体积磁体内磁偶极子的磁偶极矩矢量和称为磁极化强度Jm ； 单位体积磁体磁
5、体内磁偶极子的磁矩矢量和称为磁化强度M,J m和M亦有如下关系： Jm=0M,W bm-2,Am-1,2.1 磁性来源,铁磁材料之所以具有高导磁性，是因为在它们的内部具有一种特殊的物质结构磁畴。,2.1 磁性来源,铁磁材料内部往往有相邻的几百个分子电流圈流向一致，因此在这些极小的区域内就形成了一个个天然的磁性区域磁畴。,铁磁材料内部的磁畴排列杂乱无章，磁性相互抵消，因此对外不显示磁性。,磁畴是怎么形成的？,磁畴因受外磁场作用而顺着外磁场的方向发生归顺性重新排列，在内部形成一个很强的附加磁场。,（a）无外磁场情况,（b）有外磁场情况,2.1 磁性来源-磁畴和畴壁,磁畴和畴壁整体示意图,布洛赫壁示
6、例,奈尔壁示例,B,H,B,H,B,H,(A),(B),(C),(D),2.1 磁性来源-典型磁化过程,2.2 磁学基本概念,1、单位体积磁体磁体内磁偶极子的磁矩矢量和称为磁化强度M；2、磁感应强度(B ):物质在外磁场（H）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。在磁性材料内部的磁场为外加磁场与附加磁场的和,单位为T（特斯拉）。B与H关系比较复杂。,B=0（H+M）,3、磁化率 ：4、磁导率0 ：在真空中磁感应强度B与磁场强度H间的关系为： B=0H,= M/H,磁性材料的磁导率定义为磁感应强度与磁场强度之比： =B/H 0 : 真空磁导率; : 绝对磁导率，单位为 H/m，r
7、: 相对磁导率 r =/0,5、磁通量： =BS,2.3 磁性材料分类,磁性材料按磁性分类： 根据固体中电子与外部磁场之间交互作用的性质与强度，将磁性材料分为5类： 与外部无响应（基本）： 抗磁性 顺磁性 X 1 反铁磁性 与外部磁场有强烈的相互作用： 铁磁性 X1 亚铁磁性,物质内部原子磁矩的排列a:顺磁性 b:铁磁性 c:反铁磁性 d:亚铁磁性,2.3 磁性材料分类,按矫顽力分类,软磁材料,半硬磁材料,硬（永）磁材料,Hc100A/m(1.25 Oe),Hc :1001000A/m(1.2512.5Oe),Hc1000A/m(12.5Oe),按化学组成分类： 金属（合金）；无机（氧化物）；
8、有机化合物按维度分类： 纳米（零维；一维；二维）；微晶；非晶；块体,提纲,磁学基本常识,4,磁性材料性能分析,磁性来源 磁学基本概念 磁性材料分类,磁性材料应用实例,三、电磁学主要定律,3.1毕奥萨伐尔定律,奥斯特试验：,(1)电流元：,1. 电流元产生的磁场,(2) 毕奥萨伐尔定律：,方向：线元上电流的方向。,大小：,单位矢量,表述:电流元 在空间 点产生的磁场 为:,问题：电流产生磁场，如何计算？,毕奥萨伐尔定律的应用1,一段有限长载流直导线, 通有电流 I , 求距 a 处 P 点的磁感应强度。,沿导线积分求总磁场 B：,(1)无限长载流直导线的磁场,讨论：,(2)半无限长载流直导线的磁
9、场,(3)半无限长载流直导线的磁场,(4)载流导线延长线上任一点的磁场,(1),(2),(3),I,真空中，半径为R 的载流导线，通有电流I , 称圆形电流. 求其轴线上一点 p 的磁感强度的方向和大小.,解: 根据对称性分析,圆形电流（圆环）轴线上的磁场.,p,*,毕奥萨伐尔定律的应用2,毕奥萨伐尔定律的应用2,圆环,讨论：各种形状电流的磁场,3.2 磁场高斯定律,1、内容,通过任意闭合曲面的磁通量必等于零。,2、解释,磁感应线是闭合的，因此有多少条磁感应线进入闭合曲面，就一定有多少条磁感应线穿出该曲面。,磁场是无源场； 电场是有源场磁极相对出现，不存在磁单极； 单独存在正负电荷,3、说明,
10、3.3 安培环路定理,1、内容,在稳恒电流的磁场中，磁感应强度 沿任何闭合回路L的线积分（环流），等于穿过这回路的所有电流强度代数和的0倍，数学表达式：,2. 验证：,设 与 成右螺旋关系,（1）设闭合回路 l 为圆形回路,载流长直导线位于其中心,3.3 安培环路定理,求载流螺绕环内的磁场 （已知 n N I）,2）选回路(顺时针圆周) .,1） 对称性分析；环内 线为同心圆，环外 为零.,令,即,3.3 安培环路定理-应用,3.3 法拉第定律-磁生电,当磁通按正弦规律变化时，即:,则上式变为:,磁通与其感应电势的参考方向,为参考相量，则：,感应电势,3.3 法拉第定律,3.5 磁路的欧姆定律
11、,磁路的磁阻：,磁路的磁导：,通过任意闭合曲面S 的净磁通量必定恒为零。 自然界不存在独立的磁场源。磁场中，磁力线通过任意闭合面后必然会从相反方向再次通过。 磁力线是闭合的！,磁路的基尔霍夫第一定律（磁通连续性原理）,磁路由不同材料或不同长度和截面积的 n 段组成，则,称为磁路各段的磁压降,磁路的基尔霍夫第二定律,作用在任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁位降的代数和。,回路：H1l1+H3l3=N1i1 回路：-H2l2-H3l3=-N2i2 回路：H1l1-H2l2=N1i1-N2i2,磁路的基尔霍夫第二定律计算例,3.6 磁链、电感和能量,磁通(Wb)：穿过曲面S的磁通是磁感应密度B的
12、法线分量的面积分定义：线圈交链的磁链定义：电感,磁路的欧姆定律：,自感,N 线圈匝数 m自感磁通所经磁路的磁导,自感的大小与匝数的平方和磁路的磁导成正比；铁心线圈的自感要比空心线圈的大得多； 铁心线圈的电感不是常数，当磁路饱和程度增加时，自感下降。,磁路的欧姆定律：,N1 -线圈1的匝数 N2 -线圈2的匝数 m-互感磁通所经磁路的磁导,互感,互感的大小与两线圈匝数的乘积和互感磁通所经磁路的磁导成正比。,3.6 磁链、电感和能量,3.6 磁链、电感和能量,磁场的能量密度(单位体积磁场储能)电感储能,提纲,磁学基本常识,4,磁性材料性能分析,磁性来源 磁学基本概念 磁性材料分类,磁性材料应用实例
13、,四、磁性材料性能分析,4.1 磁化曲线,磁滞性：磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变化的性质。,磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一条回形闭合曲线，称为磁滞回线。,H,B,Hm,Bm,a,Br,剩磁,-Hc,b,c,-Hm,-Bm,d,-Br,e,f,矫顽力,Hc,铁磁材料的磁滞回线,4.1 磁化过程,4.1 磁化曲线分析,4.1 磁化曲线分析,(1)起始磁导率 (2)增量磁导率 (3)微分磁导率 (4)最大磁导率,B,H,max,i,4.2 磁导率,1 、起始磁导率i,i = L/(4.6N2hlg(D/d) 107 (适用于环形磁芯) 式中 N 测试线圈匝数(N)
14、L 装有磁芯的线圈的自感量（mH）h 磁芯高度(mm)D 磁芯外直径(mm)d 磁芯内直径(mm),i计算,2、有效导磁率e,变压器或电感器磁芯中常用非闭合的E型、U型等配对磁芯，其磁路各部分形状尺寸不同，而且其配合面不可避免地仍有残余气隙；此时，必须用有效导磁率e来表示磁芯的导磁率；e = LC1/(4N2) 107 C1 磁芯磁路常数(cm-1),e计算,3 振幅导磁率,作功率变换的开关电源变压器磁芯是工作在高磁通密度下,因此必须引入振幅磁导率参数才能真实反映出功率型磁芯在高磁通密度下的磁特性; = 1/0 * B/H (式中规定的B值比测时高出数百倍以上,例如:200mT),a计算,磁导
15、率温度稳定性,定义为：由于温度的改变而引起的被测量的相对变化与温度变化之比。例：磁导率的温度系数为：,= 式中：1是T1温度时的磁导率，2是T2温度时的磁导率。因对于同一种软磁材料，其磁芯的/i值是一个常数。故常用/i来表示温度特性。,居里温度Tc,居里温度是磁性材料从铁磁性到顺磁性的转变温度，在这个温度磁性材料的磁性将变得很小或消失，它的表示方式有很多，我们一般按下图进行测量，即随着温度升高，磁导率下降到最大值的80%及20%时，两点的联线，延长到与温度轴的交点即为居里温度。,1） 磁致收缩：铁磁体在磁场中磁化，形状与尺寸都会发生变化。 特性：（1）与磁场强度有关 （2）与磁化方向成角度时，
16、有： （3） 各向异性 2）磁弹性能：磁化时材料变化尺寸受限制，产生应力，从而产生弹性能，物体内部的缺陷，杂质都可能增加其磁弹性能。,磁致收缩与磁弹性能,4.3 复数磁导率-衡量软磁性能重要指标,设交变磁场为：,磁化需要时间，磁感应强度B落后H相角 ，得：,其中，,则,交变磁场中软磁材料磁导率不再是实数而是复数,品质因数Q,Q值是反映软磁材料在交变磁化时能量的贮存和损耗的性能。,磁导率中实部正比于能量的存储而虚部 正比于磁能的损耗,软磁材料的Q值可以用交流电桥或Q表测量得到。,通常要求： Q值越大越好。,材料的损耗,材料的损耗 表示为：,相位角称为损耗角，tan称为损耗正切,通常要求： tan
17、越小越好,4.4 铁芯损耗P,P = Ph + Pe + Pr (Ph、Pe、Pr表示磁滞、涡流、剩余损耗)磁性材料在高磁通密度下的单位体积损耗。该磁通密度通常表示为：Bm =E/4.44fNAe 106（mT） 式中：Bm为磁通密度的峰值（mT）E为线圈两端的电压（V）f为频率（KHz），N为匝数Ae为磁芯的有效面积（m2）,铁磁材料在交流磁场中反复磁化，磁畴会不停转动，相互之间会不断摩擦，产生功率损耗。,磁滞损耗Ph,若不计线圈电阻，铁心线圈从交流电源吸收的瞬时电功率p为损耗能量为,磁滞损耗就是消耗于铁心中的平均功率磁滞损耗与磁场交变频率f、铁心体积V和磁滞回线的面积成正比,磁滞损耗Ph（
18、续）,涡流损耗Pe,交变磁场在铁心中产生感应电势感应电势产生涡流涡流产生损耗,涡流铁磁材料在交变磁场将有围绕磁通呈涡旋状的感应电动势和电流产生，简称涡流。涡流损耗涡流在其流通路径上的等效电阻中产生的I2R损耗称为涡流损耗。,涡流损耗与磁场交变频率f、厚度d和最大磁感应强度Bm的平方成正比，与材料的电阻率成反比。 要减少涡流损耗，首先应减小厚度，其次是增加涡流回路中的电阻。电工钢片中加入适量的硅，制成硅钢片，显著提高电阻率。对于残留损耗Pr，是由磁化延迟及磁矩共振等造成，前两项是主要的。,涡流损耗Pe（续）,铁耗P：铁磁材料在交变磁场作用时，磁滞损耗和涡流损耗是同时发生的。在电机和变压器的计算中
19、，当铁心内的磁场为交变磁场时，常将磁滞损耗和涡流损耗合在一起来计算，并统称为铁心损耗，简称铁耗。 铁耗 pFe fBm2G。其中12，与材料性质有关。,铁芯损耗P,提纲,磁学基本常识,4,磁性材料性能分析,磁性来源 磁学基本概念 磁性材料分类,磁性材料应用实例,五、磁性材料应用实例,5.1 常见的软磁材料 铁、坡莫合金、电工钢和MFe2O4、MFeO3、M3Fe2O5、MFe12O19（M为金属离子）等铁氧体都是软磁材料。按用途分类具体包括： 铁芯材料：工业纯铁、电工硅钢片、铁钴合金、坡莫合金、高导磁合金（主要是高镍含量的铁镍合金）、恒导磁率合金（含Ni5575%的铁镍合金）、中磁饱和中磁导率
20、合金（低镍和中镍的铁镍合金）； 磁记录介质材料：-Fe2O3、Co-Fe2O3、CrO2、Fe60Co40粉末、Co-Ni-P连续膜； 磁记录磁头材料：高镍含量的铁镍基耐磨高导磁合金、FeSiAl合金和高导磁铁氧体(Mn-Zn和Ni-Zn铁氧体)； 超声波发声器用磁致伸缩材料：纯镍(w(Ni)99.9%)、Fe-w(Al)13%合金、Fe49Co49V2、Fe-w(Ni)50%； 磁屏蔽材料：纯铁、坡莫合金或FeSiAl合金，非晶态合金； 非晶态、微晶与纳米晶软磁合金,5.2 软磁材料的主要应用,滤波器 环形电感滤波器 谐波电流抑制器,变压器 磁条贴 防盗磁条,5.3 软磁材料的性能比较,5.
21、4 主要软磁材料生产工艺比较,铁氧体,硅钢,非晶/纳米晶,5.4 软磁材料性能趋势,软磁材料追求：器件高频化、小型化和性能最大化,5.5 软磁材料应用分析举例,1、变压器,低损耗的获得：,1、磁滞损耗：低Hc/磁滞回线面积,2、涡流损耗：低叠片厚度/高电阻率,小型化的获得：1、高Bs; 2、高叠片系数,2、漏电保护器,工作原理,材料性能要求：a、较高磁导率m. 要求在很小的漏电电流时在副边感应较高的电压值，因此须有较高的磁导率m。b. 低的矫顽力 Hc. Hc的影响有两个方面，其一，低的Hc才能确保高的m，更为重要的是Hc直接影响电磁式剩余电流保护断路器耐大电流冲击的能力。其二，导致动作电流升高，其数值主要与铁芯的矫顽力Hc有关。因此，若要使铁芯大电流冲击时性能变化小，就必须尽量降低矫顽力Hc.c .高Br/Bs AC型-交流流 低Br/Bs A型-直流脉冲,高Br/Bs,低Br/Bs,
