材料的磁性能ppt课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 材料的磁性能,第四节 磁性材料的动态特性,3.4.1交流磁化过程与交流回线,交流磁化过程，由于磁场强度是周期对称变化的，所以磁感应强度也跟着周期性对称地变化，变化一周构成一曲线称为,交流磁滞回线,。,交流回线顶点的轨迹-,交流磁化曲线,（B,m,H,m,曲线）,B,m-,幅值磁感应强度,第三章 材料的磁性能 第四节 磁性材料的动态特性3.4.1交,1,第三章 材料的磁性能,第三节 磁性材料的动态特性,ai,am,B,ra,H,cs,第三章 材料的磁性能 第三节 磁性材料的动态特性ai,2,第三章 材料的磁性能,第四节 磁性材料的动态特性,动态磁滞回线的特点：,交流回线形状除与磁场强度有关外，还与磁场变化的频率f和波形有关。,在一定频率下，交流幅值磁场强度不断减少时，交流回线逐渐趋于成椭圆形状。,当频率升高时，呈现椭圆回线的磁场强度的范围会扩大， 且各磁场强度下回线的矩形比B,ra,B,m,会升高。,第三章 材料的磁性能 第四节 磁性材料的动态特性动态磁滞回线,3,第三章 材料的磁性能,第四节 磁性材料的动态特性,钼坡莫合金带不同频率下的磁滞回线,第三章 材料的磁性能 第四节 磁性材料的动态特性钼坡莫合金带,4,第三章 材料的磁性能,第四节 磁性材料的动态特性,3.4.2 复数磁导率,在交变磁场作用下，各向同性铁磁材料的磁性与它在静磁场作用下的磁性的不同：,首先，在静磁场中材料的磁导率是一常数。但在交变磁场中由于存在磁滞效应、涡流效应、磁后效、畴壁共振等，材料在交变磁场中的磁感应强度落后于外加磁场一个相位，因而其磁导率为一复数。,其次，各向同性的铁磁材料在交变磁场(特别是在高频的交变磁场)中，往往处于交变磁场和交变电场的同时作用下，而铁磁材料又往往也是电介质(例如铁氧体)，因而处在交变场中的铁磁材料常常同时显示其铁磁性和介电性。,第三章 材料的磁性能 第四节 磁性材料的动态特性3.4.2,5,第三章 材料的磁性能,第四节 磁性材料的动态特性,设样品在弱交变场磁化且B和H具有正弦波形，并以复数形式表示，B与H存在的相位差为,，则,从而由磁导率定义得复数磁导率：,第三章 材料的磁性能 第四节 磁性材料的动态特性设样品在弱交,6,第三章 材料的磁性能,第四节 磁性材料的动态特性,令：,则,复数磁导率的模为,称为,总磁导率或,振幅磁导率，, ,定义为,弹性磁导率，,代表了磁性材料中储存能量的磁导率，,“,称为,损耗磁导率,，它与磁性材料磁化一周的损耗有关。,第三章 材料的磁性能 第四节 磁性材料的动态特性令：则复数磁,7,第三章 材料的磁性能,第四节 磁性材料的动态特性,磁感应强度相对于磁场强度落后的相位角的正切称为损耗角正切，即,倒数称为,软磁材料的,品质因数,。,处于均匀交变磁场中的单位体积铁磁体，单位时间的平均能量损耗：,对于矫顽力较小的软磁材料，总是希望Q值和, ,越高越好,。,第三章 材料的磁性能 第四节 磁性材料的动态特性磁感应强度相,8,第三章 材料的磁性能,第四节 磁性材料的动态特性,3.4.3 交变磁场作用下的能量损耗,磁芯在不可逆交流磁化过程中所消耗的能量，统称铁芯损耗，简称铁损。,总的磁损耗功率为：,剩余损耗功率,磁滞损耗功率,涡流损耗功率,一、趋肤效应和涡流损耗,如果交变磁场的频率较高，铁磁导体的电阻率又较小，则可能使得材料内部几乎完全没有磁场，这时的 磁场只存在于铁磁体的表面一层里，这就是“集肤效应”。,第三章 材料的磁性能 第四节 磁性材料的动态特性3.4.3,9,第三章 材料的磁性能,第四节 磁性材料的动态特性,二、磁滞损耗,瑞利磁滞回线的上升支和下降支,第三章 材料的磁性能 第四节 磁性材料的动态特性二、磁滞损耗,10,第三章 材料的磁性能,第四节 磁性材料的动态特性,磁感应强度的解析式：,称为瑞利常数，,表示磁化过程中不可逆部分的大小,样品单位体积中磁化一周所消耗的磁滞损耗：,第三章 材料的磁性能 第四节 磁性材料的动态特性磁感应强度的,11,第三章 材料的磁性能,第四节 磁性材料的动态特性,在交变场中每秒内的磁滞损耗(功率)为：,品质因数Q和波形失真系数：,第三章 材料的磁性能 第四节 磁性材料的动态特性在交变场中每,12,第三章 材料的磁性能,第四节 磁性材料的动态特性,三、剩余损耗及磁导率减落现象,在低频和弱磁场条件下，剩余损耗主要是,磁后效,引起的。,磁后效,-处于外磁场为H,t,0,。的磁性材料，突然受到外磁场的阶跃变化到H,t,1,则磁性材料的磁感应强度并不是立即全部达到稳定位，而是一部分瞬时到达，另一部分缓慢趋近稳定值。,李希特后效-由于杂质原子的扩散引起的可逆后效。,约旦后效-由于热起伏引起的不可逆后效。,与温度和频率关系密切,几乎与温度和磁化场的频率无关,第三章 材料的磁性能 第四节 磁性材料的动态特性三、剩余损耗,13,第三章 材料的磁性能,第四节 磁性材料的动态特性,磁后效示意图,第三章 材料的磁性能 第四节 磁性材料的动态特性磁后效示意图,14,第三章 材料的磁性能,第四节 磁性材料的动态特性,假定材料在完全退磁后时间t,1,(s)测得的起始磁导率为,i1,，时间t,2,(s)测得的为,i2,。，为了描述这一现象将减落系数DA定义为：,磁导率减落,第三章 材料的磁性能 第四节 磁性材料的动态特性假定材料在完,15,Mn-Zn铁氟体的磁导率减落曲线,第三章 材料的磁性能,第四节 磁性材料的动态特性,Mn-Zn铁氟体的磁导率减落曲线第三章 材料的磁性能 第四节,16,第三章 材料的磁性能,第四节 磁性材料的动态特性,机制,：由于铁磁材料中电子或离子的扩散后效所造成的。电子或离子扩散后效的弛豫时间为几分钟到几年，其激活能为几个电子伏特。由于磁性材料退磁时处于亚稳状态，随着时间的推移，为使磁性体的自由能达到最小值电子或离子将不断向有利的位置扩散，把畴壁稳定在势阱中，导致了磁中性化后铁氧体材料起始磁导率随时间的减落。如果时间足够长，扩散趋于完成，起始磁导率也就趋于稳定值。,第三章 材料的磁性能 第四节 磁性材料的动态特性机制：由于铁,17,MnZn铁氧体的减落系数DA随温度T的变化,第三章 材料的磁性能,第四节 磁性材料的动态特性,峰1就是对应于这种电子跳跃运动所引起的减落峰。,峰2则是由于存在不同价的Mn离子引起的，,峰3则是由于铁氧体中Fe离子通过经常存在的点阵空位移动而形成的。,峰4是对应于杂质磁性Co离子通过空位的移动所形成的,MnZn铁氧体的减落系数DA随温度T的变化第三章 材料的磁,18,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,1、特点：,软磁材料磁致回线细长，磁导率高，矫顽力低，铁芯损耗低，容易磁化，也容易去磁。,软磁合金的磁化曲线,3.5.1 软磁材料,2、组织结构与性能关系,通过使用高纯的原料、改善熔炼铸造工艺条件及其后的加工过程，提高材料的均匀性降低矫顽力，提高磁导串，降低铁芯损耗。,通过降低磁各向异性，增加纯度-改善初始磁导率，降低磁滞损耗。,通过增加电阻率，减低芯片的厚度-降低涡流损耗。,第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材料1、特点：软磁材料磁致,19,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,3、分类：,金属软磁材料,软磁铁氧体,电工用纯铁,电工用硅钢片（FeSi合金）,合金,非晶态合金,含碳量极低，其纯度在99.95以上,只能在直流磁场下工作,低碳（C0.015wt%)与低硅（(Si+Al) 1wt%),Si含量在0.5wt% 6.5wt%范围内的FeSi合金,铁镍合金,(坡莫合金permalloy),铁铝合金,在较弱的磁场下，具有较高的磁导率,铁基非晶态软磁合金,钴基非晶态软磁合金,铁镍基非晶态软磁合金,第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材料3、分类：金属软磁材料,20,15Kv配电变压器的性能,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,15Kv配电变压器的性能第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材,21,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,3.5.2 硬磁材料(永磁材料）,永久磁铁的空气隙,材料硬是指磁性材料经过外加磁场磁化后能长期保留其强磁性，（Hc10,4,A/m)，剩余磁感应强度大于1T以上。,空气隙的磁场H,g,为,第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材料3.5.2 硬磁材料(,22,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,评价永磁材料的几个重要指标：,剩余磁感应强度Br，矫顽力 Hc，最大磁能积（BH)max以及突起系数,永磁材料的退磁曲线和磁能积曲线, （BH)m/BrHc,第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材料评价永磁材料的几个重要,23,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,分类：,铝镍钴系永磁合金,特点：高的磁能积及剩余磁感应强度，适中的矫顽力,稀土永磁合金,稀土钴永磁材料,第一代：SmCo,5,PrCo,5,(SmPr)Co,5,第二代：Sm,2,Co,17,Sm,2,(Co, Cu, F, Zr),17,NdFeB系合金,优点：加工性能好，合金密度稀土钴合金低13,缺点：耐蚀性差，居里温度低（312），磁感应强度温度系数大，材料使用温度低（不超过150）,第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材料分类：铝镍钴系永磁合金,24,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,3.5.3 信息存储磁性材料,一、磁记录原理简介,纵向记录示意图,第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材料3.5.3 信息存储磁,25,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,三种最基本的磁记录信号,第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材料三种最基本的磁记录信号,26,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,二、磁记录材料,1、磁头材料,基本要求：,（1）高的磁导率,（2）高的饱和磁感应强度,（3）低的Br和Hc,（4）高的电阻率和耐磨性,磁头基本结构,1后隙 2线圈,3铁心 4前隙,第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材料二、磁记录材料1、磁头,27,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,金属磁头材料：,非晶态合金：,铁基和钴基非晶态合金,薄膜磁头材料：,NiFe合金,Fe-Ni-Nb(Ta) Fe-Ni-Al系,补充：,巨磁阻磁头,磁性材料的电阻率随磁化状态而改变的现象称为,磁致电阻效应,2、磁记录介质材料,基本要求：,（1）剩余磁感应强度Br高,（2）矫顽力Hc适当的高,（3）磁致回线接近矩形,第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材料金属磁头材料：非晶态合,28,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,（4）磁层均匀，厚度适当,（5）磁性粒子的尺寸均匀，呈单磁畴状态,（6）磁致伸缩小,分类：,（1）颗粒（磁粉）涂布型介质,（2）连续薄膜记录介质,第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材料（4）磁层均匀，厚度适,29,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,3.5.3 铁磁性测量方法及应用,一、铁磁材料静态磁特性的测量,1、静态磁特性的冲击法测量,(1)闭路试祥的冲击法测量,闭路试样示意图,闭合磁路的试祥通常被做成圆环形或方框形，其截面为圆形成正方形。当这种试祥沿环的轴线磁化时磁路是闭合的，没有退磁场，漏磁通极小，因而试样的测试结果正确地体现了材料的磁性。,注：冲击捡流计G与一般检流计不同，它不是测量流经捡流计的电流，而是测量在一个电磁脉冲后流过的总电量。,第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材料3.5.3 铁磁性测量,30,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,冲击法测量原理图,在N线圈中通以电流i，则在N中产生磁场：,试样被磁化，设其磁感应强度为B。,试样中的磁通量为：,第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材料冲击法测量原理图在N线,31,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,引起线圈n(匝数为n)中产生感生电动势:,这个电动势在由n、M、G、R,3,、R,4,所组成的测量回路中产生的电流为:,式中r为测量回路中总的折合电阻。此电流是瞬时电流，由冲击检流计测出其电量为：,第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材料引起线圈n(匝数为n),32,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,此Q引起检流计指示部分偏转一个,角，则QC,，C为冲击检流计常数。故可写出：,C,r,叫测量回路的冲击常数，M为互感器的互感系数。,局限性：,只适用于测定软磁材料,(2)开路试样的冲击法测量,第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材料此Q引起检流计指示部分,33,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,硬磁材料用强磁场测量原理图,第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材料硬磁材料用强磁场测量原,34,静态磁性自动测量原理,(3)完全自动记录测量磁参数的磁性测量仪,静态磁性自动测量原理(3)完全自动记录测量磁参数的磁性测量仪,35,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,二、铁磁材料动态磁特性的测量,1、伏安法,伏安法测交流曲线原理图,设磁化线圈W,1,中的电流有效值在安培计显示为I，那么，在电源为正弦波的条件下，样品中的峰值磁场强度H,m,计算为：,第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材料二、铁磁材料动态磁特性,36,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,如果测得次级的感应电动势平均值E,2,，则磁感应强度的,峰值为:,在不同磁化电流下测得B,m,和H,m,，即得到动态磁化曲线,B,m,-H,m,局限性：,是一种准确度不高的方法，其测量误差一般为1015%，而且此法不能用来测量交流磁损耗。,第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材料如果测得次级的感应电动,37,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,2、示波法,用示波器,可以在较宽的频率范围（10Hz100kHz)，,直接观察铁磁材料试样的磁滞回线，也可以进行摄影。,示波器法既适用于,闭路试样，也适用于开路试样,，所测定的基本磁化曲线和磁滞，回线的误差约为710,示波法线路原理,第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材料2、示波法 用示波器可,38,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,磁滞回线上任意点的磁场强度H,m,可以表示为：,在Y轴上得到B m的值为：,交流磁化损耗决定于Bm-H m包围磁滞回线面积。采用求积仪测出回线面积5。后，样品的单位质量的损耗率可按下式计算：,第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材料磁滞回线上任意点的磁场,39,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,3、电桥法,交流电桥法是测量软磁材料复磁导率的有效方法。,交流四臂测磁性能的原理图,一般由三部分组成：,电源、指示仪和桥体,。图中Z,x,为被测磁芯线圈的等效阻抗，Z,2,和Z,4,为标准量具(标准电阻、电容、电感等)构成的固定臂阻抗，Z,3,为可调的标准电容和电阻等的组合阻抗。电桥平衡时，即指零仪D两端处于相同电位时，则有:,第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材料3、电桥法交流电桥法是,40,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,用于测量复磁导率的交流电桥，都是把磁芯线圈等效为电感L,x,和电阻R,x,串联的阻抗形式，并且与复磁导率,和,的关系是:,该频率下的损耗角正切：,第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材料用于测量复磁导率的交流,41,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,麦克斯韦电桥原理图,电桥平衡条件：,试样中的交流磁化损耗为：,第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材料麦克斯韦电桥原理图电桥,42,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,小结,磁性的产生及磁学基本参量,磁性的分类,抗磁性,顺磁性,铁磁性,反铁磁性,亚铁磁性,特性,内禀参数,磁化曲线和磁滞回线,磁致伸缩和磁弹性能,自发磁化,技术磁化,第三章 材料的磁性能 第五节 磁性材料小结磁性的产生及磁学基,43,软磁材料,硬磁材料,磁记录原理和材料,磁性材料,铁磁材料静态磁特性的测量,铁磁材料动态磁特性的测量,铁磁材料磁,性测量方法,第三章 材料的磁性能,第五节 磁性材料,软磁材料硬磁材料磁记录原理和材料磁性材料铁磁材料静态磁特性的,44,