磁铁的基本常识

磁铁的基本常识古希腊人和中国人发现自然界中有种天然磁化的石头，称其为“吸铁石”。这种石头可以魔术般的吸起小块的铁片，而且在随意摆动后总是指向同一方向。早期的航海者把这种磁铁作为其最早的指南针在海上来辨别方向。经过千百年的发展，今天磁铁已成为我们生活中的强力材料。通过合成不同材料的合金可以达到与吸铁石相同的效果，而且还可以提高磁力。在18世纪就出现了人造的磁铁，但制造更强磁性材料的过程却十分缓慢，直到20世纪20年代制造出铝镍钴(Alnico)。随后，20世纪50年代制造出了铁氧体(Ferrite),70年代制造出稀土磁铁[RareEarthmagnet包括钕铁硼(NdFeB)和钐钴(SmCo)]。至此，磁学科技得到了飞速发展，强磁材料也使得元件更加小型化。什么是磁化（取向）方向？大多数磁性材料可以沿同一方向充磁至饱和，这一方向叫做“磁化方向”（取向方向）。没有取向方向的磁铁（也叫做各向同性磁铁）比取向磁铁（也叫各向异性磁铁）的磁性要弱很多。什么是标准的“南北极”工业定义？“北极”的定义是磁铁在随意旋转后它的北极指向地球的北极。同样，磁铁的南极也指向地球的南极。在没有标注的情况下如何辨别磁铁的北极？很显然只凭眼睛是无法分辨的。可以使用指南针贴近磁铁，指向地球北极的指针会指向磁铁的南极。如何安全的处理和存放磁铁？要始终十分小心，因为磁铁会自己吸附到一起，可能会夹伤手指。磁铁相互吸附时也有可能会因碰撞而损坏磁铁本身（碰掉边角或撞出裂纹）。将磁铁远离易被磁化的物品，如软盘，信用卡，电脑显示器，手表，手机，医疗器械等。磁铁应远离心脏起搏器。较大尺寸的磁铁，每片之间应加塑料或硬纸垫片以保证可以轻易地将磁铁分开。磁铁应尽量存放在干燥，恒温的环境中。如何做到隔磁？只有能吸附到磁铁上的材料才能起到隔断磁场的作用，而且材料越厚，隔磁的效果越好。什么是最强的磁铁？目前最高性能的磁铁是稀土类磁铁，而在稀土磁铁中钕铁硼是最强力的磁铁。但在200摄氏度以上的环境中，钐钴是最强力的磁铁。怎样来定义磁铁的性能？主要有如下3个性能参数来确定磁铁的性能：剩磁Br:永磁体经磁化至技术饱和，并去掉外磁场后，所保留的Br称为剩余磁感应强度。矫顽力Hc:使磁化至技术饱和的永磁体的B降低到零，所需要加的反向磁场强度称为磁感矫顽力，简称为矫顽力磁能积BH:代表了磁铁在气隙空间（磁铁两磁极空间）所建立的磁能量密度，即气隙单位体积的静磁能量。由于这项能量等于磁铁的Bm和Hm的乘积，因此称为磁能积。磁场:对磁极产生磁作用的空间为磁场表面磁场:永磁体表面某一指定位置的磁感应强铁氧体磁性材料一种复合氧化物烧结体非金属磁性材料。在电性上属于半导体范畴，所以又称磁性半导体。磁铁矿(主要成分是Fe3O4)是一种最简单的铁氧体。国际上早在20世纪初已合成铁氧体，在30年代，法、日、德、荷相继进行了系统研究。荷兰从1946年就开始铁氧体软磁材料工业生产。中国在1956年前后开始铁氧体的工业生产。铁氧体已在通信广播、计算技术、自动控制、雷达导航、宇宙航行、卫星通信、仪表测量、印刷显示、污染处理、生物医学、高速运输等方面广泛应用。铁氧体是由铁和其他一种或多种金属组成的复合氧化物。如尖晶石型铁氧体的化学式为MeFe2O4或MeO·Fe2O3，其中Me是离子半径与二价铁离子(Fe2+)相近的二价金属离子(如Mn2+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Mg2+、Co2+等)或平均化学价为二价的多种金属离子组。铁氧体分软磁铁氧体和永磁铁氧体。软磁铁氧体有锰铁氧体(MnO·Fe2O3)、锌铁氧体(ZnO·Fe2O3)、镍锌铁氧体(Ni-Zn·Fe2O4)、锰镁锌铁氧体(Mn-Mg-Zn·Fe2O4)等单组分或多组分铁氧体。电阻率比金属磁性材料大得多，而且有较高的介电性能，因此出现兼有铁磁性和铁电性以及铁磁性和压电性的铁氧体。在高频下具有比金属磁性材料（包括铁镍合金、铝硅铁合金）高得多的磁导率，适用于几千赫到几百兆赫频率下工作。加工铁氧体属于一般陶瓷工艺，因而工艺简单，且节省大量贵金属，成本低。铁氧体的饱和磁通密度Bs低，通常只有铁的1/3～1/5。铁氧体在单位体积中储存的磁能低，限制了它在要求有较高磁能密度的低频、强电和大功率领域中的应用。它较适于高频小功率，弱电场合中应用。镍锌铁氧体可用作收音机里的天线磁棒和中频变压器磁心，锰锌铁氧体可用作电视接收机中的行输出变压器铁心。此外，软磁铁氧体还用于通信线路中的增感器及滤波器的磁心等。近年来还应用作高频磁记录换能器（磁头）。永磁铁氧体有钡铁氧体(BaO·6Fe2O3)和锶铁氧体(SrO·6Fe2O3)。电阻率高，属于半导体类型，故涡流损耗小，矫顽力大，能有效地应用在大气隙的磁路中，特别适于作小型发电机和电动机的永磁体。它不含有贵金属镍、钴等，原材料来源丰富，工艺不复杂，成本低，可代替铝镍钴永磁体。它的最大磁能积(B＋H)m较低，因此在相等磁能的情况下，比金属磁体体积大。它的温度稳定性差，质地较脆、易碎，不耐冲击震动，不宜作测量仪表及有精密要求的磁性器件。永磁铁氧体产品主要为各向异性系列。它们可用于制作永磁点火电机、永磁电机、永磁选矿机、永磁吊头、磁推轴承、磁分离器、扬声器、微波器件、磁疗片、助听器等。永磁材料（这里主要介绍钕铁硼）一、分类及性质永磁材料主要有铝镍钴(AlNiCo)系金属永磁，第一代SmCo5永磁体(称为1:5型钐钴合金)，第二代Sm2Co17(称为2:17型钐钴合金)永磁体，第三代稀土永磁合金NdFeB(称作钕铁硼合金)。随着科学技术的发展，钕铁硼永磁材料的性能不断提高，应用领域不断扩大。高磁能积（50兆高奥≈400kJ/m3）、高矫顽力（28EH、32EH）和高使用温度（240C）的烧结钕铁硼已产业化生产。钕铁硼永磁铁的主要原材料有稀土金属钕（Nd）32%、金属元素铁（Fe）64%和非金属元素硼（B）1%（少量添加镝（Dy）、铽（Tb）、钴（Co）、铌（Nb）、镓（Ga）、铝（Al）、铜（Cu）等元素）。钕铁硼三元系永磁材料是以Nd2Fe14B化合物作为基体的，其成分应与化合物Nd2Fe14B分子式相近。但完全按Nd2Fe14B成分配比时，磁体的磁性能很低，甚至无磁。只是实际的磁体当中钕和硼的含量比Nd2Fe14B化合物的钕和硼含量多时才能获得较好的永磁性能。二、钕铁硼的加工工艺烧结：配料（配方）→熔炼→制粉→压制（成型取向）→烧结及时效→磁性能检验→机械加工→表面涂层处理（电镀）→成品检验粘结：原料→粒度调整→与粘结剂混练→成型（压缩、挤压、注塑）→烧成处理（压缩）→再加工→成品检验三、钕铁硼的质量标准主要有三个参量：剩磁Br（ResidualInduction）,单位Gauss，从饱和状态去除磁场后，剩余的磁通密度，代表了磁铁对外所能提供磁场强弱；矫顽力Hc（CoerciveForce），单位Oersteds，就是把磁体放在一个反向外加磁场中，当外加磁场增加到一定强度时磁体的磁性就会消失，把这个抵抗外加磁场的能力称为矫顽力，代表了衡量抗退磁能力；磁能积BHmax,单位Gauss-Oersteds,就是单位体积材料所产生的磁场能量，是磁铁所能存储能量多少的一个物理量。四、钕铁硼的应用与用途目前主要应用领域有：永磁电动机、发电机、核磁共振成像仪、磁选机、音响扬声器、磁悬浮系统、磁力传动、磁力起重、仪器仪表、液体磁化、磁疗设备等等，已成为汽车制造、通用机械、石油化工、电子信息产业和尖端技术不可缺少的功能材料。五、钕铁硼与其它永磁材料的比较钕铁硼永磁材料是目前世界上磁性最强的永磁材料，其磁能积比广泛应用的铁氧体高十倍，比第一代、第二代稀土磁体（钐钴永磁）高约一倍，被誉为“永磁之王”。用他代替其他永磁材料，可使器件的体积和重量成倍下降。由于钕资源丰富，与钐钴永磁相比，以铁取代了昂贵的钴，使产品物美价廉，从而获得了极为广泛的应用。