磁性材料基础知识

磁性材料基础知识内部交流报告提纲磁性材料的发展简史1电磁学主要定律-恒稳/交变磁场32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5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《DeMagnete》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Mössbauer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AlbertFert以及德国尤里希研究中心的PeterGrünberg获2007年诺贝尔物理学奖•1994年CMR庞磁电阻的发现，Jin等LaCaMnO3•1995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性材料的发展简史1电磁学主要定律-恒稳/交变磁场32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5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µm表示：jm=mlµm=i·Ai+m-ml磁偶极矩和磁矩具有相同的物理意义，存在关系：jm=µ0µm，µo=4π×10-7H·m-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；单位体积磁体磁体内磁偶极子的磁矩矢量和称为磁化强度M2mmjJWbmV1mMAmVJm和M亦有如下关系：Jm=µ0MWb·m-2A·m-12.1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例奈尔壁示例BHBHBHBH(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=µ0（H+M）3、磁化率χ：4、磁导率μ0：在真空中磁感应强度B与磁场强度H间的关系为：B=μ0Hχ=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：μ=B/Hμ0:真空磁导率;μ:绝对磁导率，单位为H/m，μr:相对磁导率μr=μ/μ05、磁通量Φ：Φ=BS2.3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X≥1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(1.25Oe)Hc:100～1000A/m(1.25～12.5Oe)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；块体提纲磁性材料的发展简史1电磁学主要定律-恒稳/交变磁场32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5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：IP*lIdBdrlIdrBd(1)电流元：lId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：Idl200dπ4drrlIBrrr0单位矢量表述:电流元在空间点产生的磁场为:BdPlId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。rBdaxoyllIdP21z2sin/dadl)ctg(alctgasin/ardaIsin40220sin/sin/4aIaddB沿导线积分求总磁场B：20sin4rIdldBLdBB21sin40daI210coscos4aI(1)无限长载流直导线的磁场讨论：,01;2aIB20rBdaxoyllIdP21z(2)半无限长载流直导线的磁场,21aIB40;2,1;2)1(cos40aIB(3)半无限长载流直导线的磁场）（210coscosπ4aIB(4)载流导线延长线上任一点的磁场IaP0B,//rlId0rlIdIaPIaP(1)(2)(3)Ix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20dπ4drlIB圆形电流（圆环）轴线上的磁场.rBdBBlIdpRo*x毕奥—萨伐尔定律的应用2xxRp*20dsinπ4sindrlIdBBxlrlIB20dsinπ4222sinxRrrRRlrIπ2020dsinπ42/322202）（RxIR20dπ4drlIBoBdrlIdxdB毕奥—萨伐尔定律的应用2oI2R1R（5）*Ad（4）*1010200π444RIRIRIBdIBAπ40IRo（1）x0Bo（2R）IRIB400(教材p18)半圆RIB200圆环讨论：各种形状电流的磁场R（3）oI2200RIB任意圆弧3.2磁场高斯定律BB1、内容通过任意闭合曲面的磁通量必等于零。SSdB0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。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安培环路定理BiioLIldB1I2ILiI1nInkI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μ0倍，数学表达式：B2.验证：lRIlBldπ2d0oIRll设与成右螺旋关系Il0d2πlIlRBldRIBπ20（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dRNIRBlBl0π2dLNIB0求载流螺绕环内的磁场（已知nNI）RNIBπ20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.BBRLπ2令即0=BLHLnI3.3安培环路定理-应用3.3法拉第定律-磁生电dtddtdNe当磁通按正弦规律变化时，即:tmsin则上式变为:)90sin(2)90sin(2)(00tEtfNtem磁通与其感应电势的参考方向0mm为参考相量，则：mfNjE44.44.44mEfN感应电势3.3法拉第定律3.5磁路的欧姆定律mmRSlBlHlNiFSlRm磁路的磁阻：lSRmm1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！0SBdS磁路的基尔霍夫第一定律（磁通连续性原理）03210磁路由不同材料或不同长度和截面积的n段组成，则nn2211lHlHlHNIniiilHNI1,lH,lH2211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①：H1l1+H3l3=N1i1回路②：-H2l2-H3l3=-N2i2回路③：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Φ(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NiLmmRNRiNiNiNiL2mmRSlBlHlNiF磁路的欧姆定律：自感m2mm)()(NiNiNiFNiNΦiΨLN——线圈匝数Λm——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。mmRSlBlHlNiF磁路的欧姆定律：2122121m211m12m1111()()ΨNΦNFNNiMNNiiiiN1----线圈1的匝数N2----线圈2的匝数Λm----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221212121BHBHwVdvHBiLA21212提纲磁性材料的发展简史1电磁学主要定律-恒稳/交变磁场32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5磁性材料应用实例四、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。HBHmBmaBr剩磁-Hcbc-Hm-Bmd-Bref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max0max1BH01BH0limrevH(1)起始磁导率(2)增量磁导率(3)微分磁导率(4)最大磁导率001limiHBHBHmaxi0B/0H4.2磁导率1、起始磁导率μiμi=