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1、磁性材料基础知识 内部交流报报告 提纲纲 磁性材料的发发展简简史 1 电电磁学主要定律-恒稳稳/交变变磁场场 3 2 磁学基本常识识 4 磁性材料性能分析 u 磁性来源 u 磁学基本概念 u 磁性材料分类类 5 磁性材料应应用实实例 一、磁性材料发发展简简史 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 Magic Magnet 具有魔力的 一、磁性材料发发展简简史 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 Magne
2、te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 M
3、ssbauer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-muller 1988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
4、，Jin等LaCaMnO3 1995年 隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki 一、磁性材料发发展简简史（续续） 古老而年轻的 功能材料 提纲纲 磁性材料的发发展简简史 1 电电磁学主要定律-恒稳稳/交变变磁场场 3 2 磁学基本常识识 4 磁性材料性能分析 u 磁性来源 u 磁学基本概念 u 磁性材料分类类 5 磁性材料应应用实实例 二、磁学常识识-磁性来源 粉纹纹法演示磁力线线分布 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
5、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 i +m - m l 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
6、在 这些极小的区域内就形成了一个个天 然的磁性区域磁畴磁畴。 铁磁材料内部 的磁畴排列杂杂乱无章乱无章 ，磁性相互抵消磁性相互抵消，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 附加磁附加磁场场。 （a a）无外磁场情况）无外磁场情况 （b b）有外磁场情况）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 布洛赫壁示例 奈尔壁示例 B H B H B H B H (A) (B) (C) (D) 2.1 磁性来源-典型磁化过过程 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
7、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: 相对磁导率 r =/0 5、磁通量： =BS 2.3 磁性材料分类类 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
8、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 磁性材料分类类 按矫顽力分类 软磁材料 半硬磁材料 硬（永）磁材料 Hc1000A/m(12.5Oe) 按化学组成分类： 金属（合金）；无机（氧化物）；有机化合物 按维度分类： 纳米（零维；一维；二维）；微晶；非晶；块体 提纲纲 磁性材料的发发展简简史 1 电电磁学主要定律-恒稳稳/交变变磁场场 3 2 磁学基本常识识 4 磁性材料性能分析 u 磁性来源 u 磁学基本概念 u 磁性材料
9、分类类 5 磁性材料应应用实实例 三、电电磁学主要定律 3.1毕毕奥萨萨伐尔定律 奥斯特试验试验 ： P * (1)电电流元： 1. 电流元产生的磁场 (2) (2) 毕毕毕毕奥奥萨萨萨萨伐伐尔尔定律：定律： 方向：线线元上电电流的方向。 大小： 单单位矢量 表述:电电流元 在空间间 点产产生的磁场场 为为: 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场 (3)半无限长载流直导线的磁场 (4)载流导线延长线上
10、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 p * 毕奥萨伐尔定律的应用2 o I （5） * A d （4） * I R o （1） x o （2 R ）I + (教材p18) 半圆圆 圆环圆环 讨论：各种形状电流的磁场 R （3） o I 任意圆圆弧 3.2 磁场场高斯定律 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
11、感应线穿出该曲面。 S 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 3.3 安培环环路定理 L 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： o 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 安培环环路定理-应应用 3.3 法拉第定律-磁生电电
12、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 磁路的磁阻 ： 磁路的磁导 ： 通过过任意闭闭合曲面S 的净净磁通量必定恒为为零。 自然界不存在独立的磁场场源。 磁场场中，磁力线线通过过任意闭闭合面后必然会从相反方向再次通过过 。 磁力线线是闭闭合的！ 磁路的基尔霍夫第一定律（磁通连续连续 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 称称为为为为磁路各段的磁磁路各段的磁压压压压降降 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：H1l
13、1+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 磁链链、电电感和能量 磁通(Wb)：穿过曲面S的磁通是磁感应密度B的法线 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 n自感的大小与匝数的平方和磁路的 磁导成正比； n铁心线圈的自感要比空心线圈的大 得多； n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
14、 匝数的乘积和互感磁通所 经磁路的磁导成正比。 3.6 磁链链、电电感和能量 3.6 磁链链、电电感和能量 磁场的能量密度(单位体积磁场储能) 电感储能 提纲纲 磁性材料的发发展简简史 1 电电磁学主要定律-恒稳稳/交变变磁场场 3 2 磁学基本常识识 4 磁性材料性能分析 u 磁性来源 u 磁学基本概念 u 磁性材料分类类 5 磁性材料应应用实实例 四、磁性材料性能分析 4.1 磁化曲线 磁滞性：磁滞性：磁性材磁性材 料中料中磁感应强度磁感应强度 B B 的变的变 化总是滞后于外磁场化总是滞后于外磁场 变化的性质。变化的性质。 磁性材料在交变磁性材料在交变 磁场中反复磁化，其磁场中反复磁化，
15、其B B -H-H关系曲线是一条回关系曲线是一条回 形闭合曲线，称为形闭合曲线，称为磁磁 滞回线滞回线。 H B Hm Bm a Br 剩磁 -Hc b c -Hm -Bmd -Br e f 矫顽矫顽 力 Hc 铁铁磁材料的磁滞回线线 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 0 B /0 H 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) 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,
