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磁性材料测量(5)—磁化强度M、磁极化强度J、磁导率μ

  磁性材料测量(5)—磁化强度M、磁极化强度J、磁导率μ_材料科学_工程科技_专业资料。本文秒速了磁性材料的三个磁特性参数: 磁化强度M、磁极化强度J、磁导率μ

  0 磁化强度 M、磁极化强度 J、磁导率 μ 1. 磁化强度 M 除式 B=μ0H 描述的真空介质外, 其他介质的关系为: B=μ( ……….…(2.15), 0 H+M) 式中,M 是磁化强度矢量。在这种关系中,μ0H 代表外部源的贡献,μ0M 代表了磁性材 料内部的贡献。由此可得,即使外部磁场强度等于零,材料本身依然可以产生磁感应强 度,因为它已被磁化(自生的或因之前被磁化) 。 假定每种磁化材料包括大量的基本磁偶极子, 磁偶极子由电子围绕原子核转动或自 旋转动产生。这些磁偶极子由磁矩 m 表示。在材料完全退磁的情况下,平均磁矩平衡, 由此产生的磁化为零。如果材料被磁化,其磁化强度 M 等 M= ? V mi …………………………………………(2.16) 磁化强度定义为单位体积内分子磁矩的矢量和,单位和磁场强度同为 A/m。 2. 磁极化强度 J 早期的文献中,磁性材料由磁感应强度 B 描述。最近,许多标准推荐磁场极化强度 J 替代磁感应强度 B: J = B-μ0H………………………………(2.17) 所以,磁场极化强度等于 μ0M。因此在软磁材料典型应用中,磁场强度的值通常是 不大于 1kA/m,μ0 为 4π×10-7Wb/Am,所以磁感应强度 B 和极化强度 J 之间区别极小。 在硬磁性材料方面,这种区别确实显著的,通常给出 B=f(H)和 J=f(H)这两种关系。 3. 磁导率 μ 磁性材料磁感应强度 B 与磁场强度 H 之间的关系为 B=μH………………..…(2.18), 在实践中,用这个关系描述材料属性很不方便,通常采用材料磁导率与真空磁导率比值 关系,即相对磁导率 μr=μ/μ0,因此式 (2.18)可改为:B=μrμ0H……..……………(2.19)。 从理论上讲,磁导率 μ 是描述磁性材料属性的最好参数,因为它预示两个主要的材 料参数磁感应强度 B 和磁场强度 H 的直接关系,但事实上,情况要复杂的多,因为: (1)B 和 H 之间的关系几乎总是非线性,因此磁导率取决于工作点(磁场强度的值) 。 图 2.5 给出电工硅钢的一个典型曲线 B=f(H) 。可以看出,相对磁导率最大值达到约 4000,但是,在高磁感应强度时其低得多(对于深度饱和时其值非常小,实际上不像是 铁磁材料) 。类似地,对于非常小的磁场,初始磁导率也大大减小,因此,固定值磁导 率给出的信息仅仅是一个固定工作点。 (2) 材料磁化受其形状的影响——磁体的磁导率与原材料磁导率可以完全不同。 通常, 不均匀磁化的磁体我们只能确定其平均值。 (3)大多数磁性材料是多晶的,材料的磁化方向不同(材料各向异性) ,磁导率也不同。 因此,磁导率应该描述成张量形式: 0 ……………………..….…(2.20) ? y? ? ? Bz ? ? 通常我们限定这一稳定在二维(2D)情况,但即使 2D 的磁化也非常复杂。 (4)磁导率取决于许多其他因素:频率和谐波(正弦波磁感应强度偏差)等。对于更 高的频率,应该考虑磁导率的实部和虚部(复数磁导率) ,两者的关系为 μ=μ’+jμ’’。因 此,从物理学角度来看尽管磁导率是一个非常有用的参数,但在技术应用方面,应用磁 化曲线作为磁化过程的描述更加合理。尽管如此,在某些应用过程中,磁导率还是最重 要的因素。例如,电磁屏蔽设计(磁导率值越高,屏蔽效果越好) 、磁选矿机设计。在 这些设备上,尽可能使用最高磁导率的磁性材料。目前,铁磁材料的相对磁导率可高达 100 万。表 2.2 给出了一些相对磁导率大的典型工业用铁磁材料。 表 2.2 相对磁导率值大的典型工业用铁磁材料 材料 铁 纯度 99.9 的铁 硅钢(无取向) 硅钢(有取向) 硅钢(立方结构) 镍铁导磁合金 78Ni-22Fe 镍铁钼超导磁合金 79Ni-16Fe-5Mo 镍铬钴高导磁率合金 43Ni-34Fe-23Co 非晶态合金 Fe40-Ni38-Mo4-B18 非晶态合金 Co66-Fe4-B14-Si15-Ni1 纳米晶毫微坡莫材料 Fe86-Zr7-Cu1-B6 μrmax 6,000 350,000 8,000 40,000 100,000 100,000 1,000,000 400,000 800,000 1,000,000 50,000(1kHz)