§3铁磁质的磁化规律 铁磁质是制造永久磁体、电磁铁、变压器及各种电机不可缺少的材料,研究 磁性材料的学科称之为磁学。不同的铁磁质其性质可能很不相同,对于磁性材料 研究B~H关系十分重要。 对于铁磁质成立的关系为:H B M,若使用B=p0p,则需注意不 是常量,它与磁场H有关。下面首先研究铁磁质的磁化规律,其中用到磁通计G 或冲击电流计,由测得q或vn而推算出B。 铁磁质的磁化规律 1、B~H关系的测定 (1)H:可由励磁电流I决定。如图7-8,样品做成环状,外面密绕M匝 线圈,有 H=Ho=nlo 其中l0由电流表测出,n已知,则可知H;而R、ε决定lo,故改变R、E即改变H (包括改变电源的极性连接)。 原 副 R 图7-8 (2)B:副线圈匝数N2少些,外接磁通计,因为
7－3－1 §3 铁磁质的磁化规律 铁磁质是制造永久磁体、电磁铁、变压器及各种电机不可缺少的材料，研究 磁性材料的学科称之为磁学。不同的铁磁质其性质可能很不相同，对于磁性材料 研究 B H ~ 关系十分重要。 对于铁磁质成立的关系为： M B H = − 0 ，若使用 B H = 0 ，则需注意 不 是常量，它与磁场 H 有关。下面首先研究铁磁质的磁化规律，其中用到磁通计 G 或冲击电流计，由测得 q 或 m 而推算出 B 。 一、铁磁质的磁化规律 1、 B H ~ 关系的测定 (1) H ：可由励磁电流 0 I 决定。如图 7-8，样品做成环状，外面密绕 N1 匝 线圈，有 H = H0 = nI 0 其中 0 I 由电流表测出，n 已知，则可知 H ；而 0 R、 决定I ，故改变 R、 即改变H （包括改变电源的极性连接）。 图 7-8 (2) B ：副线圈匝数 N2 少些，外接磁通计，因为 R K 原 副 G N1 N2 I0 ε
故 B 测得磁通,再由已知副线圈匝数、截面积,便可得B。 由以上给定→H→测B;若改变l(即改变R、E)→改变H→ 测各对应的B,描点作图即可研究样品铁磁质的磁化规律。 2、起始磁化曲线 开始应使样品处于未磁化状态:因磁化与历史有关,为方便研究,要求在研 究前应除去已有磁性,方法为 (1)样品被加热到居里温度之上,磁性消失,然后冷却至居里温度之下研究 (2)反复逐渐退磁法使样品处于未磁化状态。 调R↓,使H↑,测出数组(H,B),描点作曲线,如图7-9所示 [解释]起始磁化曲线非线性:B=μH+山。M(H)。 因为M是H的非线性函数,所以 H↑,引起B个/直接项:A山日 ; 间接项:0M(H)。 当H小时(HH(一般为02~10°倍, B~H非线性,而有B≈M; 当H大时(H,):M→M,B∝H,线性 非线性 线性区 图7-9
7－3－2 = N2BS 故 N S B 2 = 测得磁通，再由已知副线圈匝数、截面积，便可得 B 。 由以上给定 I 0 → H → 测B ；若改变 I（即改变 0 R、 ）→改变H → 测各对应的B ，描点作图即可研究样品铁磁质的磁化规律。 2、起始磁化曲线 开始应使样品处于未磁化状态：因磁化与历史有关，为方便研究，要求在研 究前应除去已有磁性，方法为: (1) 样品被加热到居里温度之上，磁性消失，然后冷却至居里温度之下研究； (2) 反复逐渐退磁法使样品处于未磁化状态。 调R ，使H ，测出数组（H，B） ，描点作曲线，如图 7-9 所示。 [解释]起始磁化曲线非线性： ( ) B 0H 0M H = + 。 因为 M H 是 的非线性函数，所以 间接项： 非线性项 。 直接项： 线性项 ； 引起 ( ) , 0 0 M H H H B → 当 大时（ 〉 ）： ， ，线性。 非线性，而有 ； 当 小时（ ）： 段， 一般为 倍 ， H H H M M B H B H B M H H H s M H s S s 0 2 6 ~ 0 ~ ( 10 ~ 10 ) 图 7-9 B O A 非线性 线性区 S C HS H
[注]至于M~H关系可在B~H关系基础上研究,如图7-10(a)所示。 铁磁质B=A不成立,若使用,则0=B非常量。图7101)给出磁导 率随H变化的关系曲线。 B 图7-10(a) Hs H 图7-10(b) 3、磁滞回线 H正向增大,达M→M:当H↓(即R↑)→B亦↓,但不沿起始曲线回, 也不能复原,即当H→O时,B不趋于0,而有剩磁:B,若要B→0,则需H 反 B R BI 退磁段 反向磁化 正向磁化
7－3－3 [注] 至于M ~ H关系可在B ~ H关系基础上研究 ，如图 7-10(a)所示。 铁磁质 不成立，若使用，则 非常量 H B B = 0H 0 = 。图 7-10(b)给出磁导 率 随 H 变化的关系曲线。 图 7-10 (a) 图 7-10 (b) 3、磁滞回线 H 正向增大，达 M → M S；当H （即R ）⎯→B亦 ，但不沿起始曲线回， 也不能复原，即当 H → 0时，B 不趋于 0，而有剩磁： BR，若要B → 0 ，则需 H 反 M O A C B S H MS B O )α HS H µOµ{I µOµM µ0 µ H Qˊ Sˊ C HC O B R BR B1ˊ B1 H1 S HS 退磁段 反向磁化 正向磁化
图7-11 向磁化:“矫枉过正”。对应B=0的H=H称之为矫顽力。如图7-11,其中s 点及上、下支曲线关于原点对称,此曲线为磁化一周的情况,闭合曲线被称为磁 滞回线 [说明] (1)“磁滞”的含义指:H由H减至H,B不减至B,而是高于B成为B1, 这种“跟不上”并非时间上滞后,是非线性、非单值所致。 (2)上述回线为对应顶点s,s'之最大磁滞回线,当H达不到H,而即减小时 回线也小,如图7-12所示。 B 图7-12 (3)当回线对应顶点s,s'为磁饱和时,若H趋近H时(对一定材料磁饱和 定),则上升、下降沿同一虚线,如SQ段的变化 综上可见:铁磁质的M、B与H的关系不但非线性,而且非单值。或曰:M、B 的数值除了与H数值有关外,还决定于该介质的磁化历史 二、磁滞损耗 铁芯在交变磁场中有能量损耗一一铁损。铁损包括两个方面 涡流损耗:电磁感应一章已论, 磁滞损耗:起因于铁芯被外场反复磁化所耗能 [论证]B~H图中磁滞回线所包围“面积”代表在一个反复磁化循环中单位 体积的铁芯内损耗的能量 7-3-4
7－3－4 图 7-11 向磁化：“矫枉过正”。对应 B = 0 的H = Hc 称之为矫顽力。如图 7-11，其中 s, s 点及上、下支曲线关于原点对称，此曲线为磁化一周的情况，闭合曲线被称为磁 滞回线。 [说明] (1)“磁滞”的含义指： H Hs H1 B B1 B1 B1 由 减至 ， 不减至 ，而是高于 成为 ， 这种“跟不上”并非时间上滞后，是非线性、非单值所致。 (2) 上述回线为对应顶点 s, s 之最大磁滞回线，当 H达不到Hs 而即减小时， 回线也小，如图 7-12 所示。 图 7-12 (3) 当回线对应顶点 s, s 为磁饱和时，若 H 趋近Hs时 （对一定材料磁饱和 一定），则上升、下降沿同一虚线，如 SQ 段的变化。 综上可见：铁磁质的 M、B与H 的关系不但非线性，而且非单值。或曰： M、B 的数值除了与 H 数值有关外，还决定于该介质的磁化历史。 二、磁滞损耗 铁芯在交变磁场中有能量损耗——铁损。铁损包括两个方面 磁滞损耗：起因于铁芯被外场反复磁化所耗能。 涡流损耗：电磁感应一章已论， [论证] B H ~ 图中磁滞回线所包围“面积”代表在一个反复磁化循环中单位 体积的铁芯内损耗的能量。 S B H S 0
考虑样品做成铁环—一螺绕环实验电路:参见图7-8 设原边线圈N匝(副边可不考虑),截面为S,励磁电流L,则 N H=nlo 2TR 设某时刻t介质处于某一磁化状态p点(见图7-13),这里H>0,B>0。 当l增大时,在d时间内,使p→p’,则B→B+dB,从而磁通增量v=NSdB, B D R H 图7-13 线圈产生电动势来阻碍电流的增加 as出 为维持电流的数值不变(即不减小),则电源需做额外的功 NS dA=-loandt=lo NSdB=--HdB= Hdb 式中用到l0 H N=2丌Rn,而T=S=S·2πR为铁芯体积。故对于单位体积铁 芯,电源所做的额外功为 dA da=-= HdB 此恰为图7-13中阴影部分的面积。因此,磁化一周,对于单位体积铁芯,电源 需做额外功为 a=fd=「HB=磁滞回线所围“面积” [注]考虑一周循环时,有时dB>0,有时dB<0,因而面积有正有负,但 最终结果如上。电源额外所做之功,这些能量最终以热量的形式耗散掉。 铁磁质分类及微观结构简介 1、分类 7-3-5
7－3－5 考虑样品做成铁环——螺绕环实验电路：参见图 7-8。 设原边线圈 N 匝（副边可不考虑），截面为 S，励磁电流 0 I ，则 0 0 2 I R N H nI = = 设某时刻 t 介质处于某一磁化状态 p 点（见图 7-13），这里 H 0, B 0 。 当 0 I 增大时，在 dt 时间内，使 p → p ，则B → B + dB，从而磁通增量 = NSdB， 图 7-13 线圈产生电动势来阻碍电流的增加 dt dB NS dt d L = − = 为维持电流的数值不变（即不减小），则电源需做额外的功 HdB HVdB n NS dA = −I 0 L dt = I 0NSdB = = 式中用到 N Rn V Sl S R n H I 0 = , = 2 , 而 = = 2 为铁芯体积。故对于单位体积铁 芯，电源所做的额外功为 HdB V dA da = = 此恰为图 7-13 中阴影部分的面积。因此，磁化一周，对于单位体积铁芯，电源 需做额外功为 磁滞回线所围“面积” 回线 回线 a = da = HdB = [注] 考虑一周循环时，有时 dB 0 ，有时 dB 0 ，因而面积有正有负，但 最终结果如上。电源额外所做之功，这些能量最终以热量的形式耗散掉。 三、铁磁质分类及微观结构简介 1、分类 B D R dB O Rˊ S H P ˊ P C ˊ “ S
按矫顽力H的大小划分: (1)软磁质:H~1A/m,磁滞回线狭长,磁滞损耗小,适于交变磁场。 (2)硬磁质:H~104-10°A/m,如永磁体,剩磁大,指标有:最大磁能 积 2、微观结构 磁性主要来源与电子自旋磁矩。 在无外场时,电子自旋磁矩形成一个个小的“自发磁化区”一一磁畴,形成 磁畴是因电子之间存在一种交换作用(纯量子效应),它使电子自旋在平行排列 时能量最低。未磁化时,各磁畴内自发磁化方向不同,宏观不显磁性;加外磁场 则显示宏观磁性——磁畴扩大疆界,磁饱和时M,等于每个磁畴中原有磁化强度。 7-3-6
7－3－6 按矫顽力 Hc 的大小划分： (1) 软磁质： Hc ~ 1A/ m ，磁滞回线狭长，磁滞损耗小，适于交变磁场。 (2) 硬磁质： Hc ~ 10 10 A/ m 4 6 − ，如永磁体，剩磁大，指标有：最大磁能 积。 2、微观结构 磁性主要来源与电子自旋磁矩。 在无外场时，电子自旋磁矩形成一个个小的“自发磁化区”——磁畴，形成 磁畴是因电子之间存在一种交换作用（纯量子效应），它使电子自旋在平行排列 时能量最低。未磁化时，各磁畴内自发磁化方向不同，宏观不显磁性；加外磁场 则显示宏观磁性——磁畴扩大疆界，磁饱和时 Ms 等于每个磁畴中原有磁化强度