磁性基本测量方法

1 磁性基本测量方法 磁性测量 组织结构不敏感量（内禀参量、本征参量） 组织结构敏感量（非本征参量） 物质结构与相关现象 交变磁场条件下的磁参数测量 MS、TC、K1、S等 Mr、Br、HC、、等 磁畴结构、磁矩取向、各种磁效应（磁热、磁光、磁电、磁致伸缩、磁共振等） 2 冲击法测磁性材料参数

O：标准环形试样； N：磁化线圈； n：测量线圈；G：冲击检流计； A：直流电流表；M：标准互感器； K1、K2：双掷开关；R1、R2：可变电阻 NiH在N线圈中通以电流i，则在N中产生磁场： N：磁化线圈匝数 ：试样平均周长 试样被磁化，磁感应强度为B K1突然换向(在极短时间秒内) HHHBBB：-：-BS磁通量： S：试样的截面积 冲击法测磁原理图 （磁化曲线和磁滞回线）

3 r：测量回路中的总折合电阻 磁通量的变化，引起线圈n（匝数为n）中产生感生电动势： ddBnnSdd在测量回路（由n、M、G、R3、R4组成）中产生瞬时电流： 0ir由冲击检流计测出其电量Q： B000BnSQidddB2nSB/rrrQCCrB2nS：冲击检流计的偏转角； C：冲击检流计常数 4 Cr的求法： diMdK2合上标准互感器M的线路，M主线圈上的电流i： 其副线圈两端产生的感应电动势为： 0iM：互感器的互感系数 测量回路中的感生电流： 0ir通过检流计的电量（相应偏转角为0）： i00000MMQCidddirrr0MiCrCr：测量回路的冲击常数 在不同H条件下，测出B，可绘出磁化曲线。 测量磁滞回线的基本原理与此相同。 5 利用环形试样测定磁化曲线或磁滞回线的方法，只适用于测定软磁材料。因为线圈N产生的磁场较小，只有软磁材料才能在小磁场条件下磁化达到饱和。 硬磁材料须用强磁场测定： 硬磁材料用强磁场测磁原理图 6 热磁仪 热磁仪，又称阿库洛夫仪，磁转矩仪。 原理：将磁学量转换成力学量进行测量。 1VMHsin热磁仪原理示意图 通磁后，试样磁化，其磁化强度为M，则试样将受到力矩1的作用，使试样转动。 试样转动角，则： V：试样体积； H：磁场强度； ：试样与磁场夹角 1VMHsin()弹性系统产生的反力矩： 2C平衡时： 12则： CCMVHsin()VHsin主要用于测定M的动态变化。 (CGS) 7 实验参数 试样的标准尺寸： 3mm30mm （长径比10） 工作空间内的磁场强度： 24 104A/m(3000Oe) <20，<2～3

8 饱和磁化强度与过冷奥氏体的转变产物的数量成正比。 测量时首先将试样放在磁极之间的高温炉中加热至奥氏体化温度，通上强磁场。由于奥氏体是顺磁体，试样在磁场作用下不发生偏转。然后通过专门机构，很快将加热炉取出，换上等温炉使试样等温淬火，此时过冷奥氏体将分解，其分解产物珠光体、贝氏体、马氏体都是铁磁相。随着等温时间的延长，分解产物增多，试样磁化强度增加，试样的偏转角增大。连续记录试样的转角，换算为奥氏体转变量，绘出奥氏体等温分解曲线。 9 热磁仪及其电测系统 10 矫顽力的测定（甩脱法） 将待测试样先磁化至饱和，然后转移到一个退磁螺管线圈内（所产生的磁场方向，正好使试样退磁）。若螺管线圈的电流选择合适，则其H正好等于试样的HC，试样的磁化强度为零（退磁）。此时将试样从测量线圈中拉出来，测量线圈中无磁通变化，冲击检流计不会偏转，故可以用螺管线圈的电流大小来衡量HC的大小。 NiH11 常用退磁方法 热退磁 直流换向退磁法  交流退磁法 将欲退磁试样，放在退磁螺管线圈内，螺管线圈通过变阻器及换向开关与直流电源相接。退磁时，使通过螺管线圈的电流从零增到最大，然后再降为零，同时利用换向开关改变电流方向，如此反复一、二次，试样即可退磁。 将螺管线圈经过调压变压器与交流电源相接，同样使交流电压从零增到最大，然后再降为零，试样即可退磁。 加热至居里点以上，再缓慢冷却至室温。 12 磁秤示意图 磁秤（磁天平） 主要用来测量弱磁质（顺磁质、抗磁质）的磁化率。 磁秤法是通过测量试样在非均匀磁场中所受的力来确定其饱和磁化强度的。 xdHdHFVMVHdxdx若试样为一小长条形，并平行于x轴 放置，则： 2121xxxVH2212HdHdHFdFHdVHSdxdxdx1SHdHS(HH)2V：试样的体积； S：试样的截面积； H1、H2：试样两端的磁场强度 13 测定Fx可以用天平来解决： xFmgm：砝码的质量 天平平衡时： 221222121S(HH)mg22mgS(HH)称之为戈尤（Gouy）法 14 磁性材料的分类  金属磁性材料  铁氧体磁性材料  有机高分子磁性材料  软磁材料  硬磁材料  矩磁材料  压磁材料（磁致伸缩材料）  旋磁材料 15 软磁材料 矫顽力很低的磁性材料，亦即当材料在磁场中易磁化，移出磁场后，获得的磁性便会全部或大部丧失。 (HC < 0.8kA/m) 软磁材料主要用于制作磁导体，增加磁路的磁通量，降低磁阻。如： 变压器、继电器的磁芯（铁芯）； 电动机转子、定子； 磁路中的连接元件； 磁屏蔽材料； 计算机中的开关元件、存储元件； …… 16 主要性能参数 起始磁导率 磁损耗（涡流损耗、磁滞损耗、剩余损耗） 温度稳定性 减落（可逆） 磁老化（不可逆） 截止频率 17 温度稳定性 软磁材料的温度稳定性用温度系数表示，定义为由于温度的改变而引起的被测量的相对变化与温度变化之比。 最常用的是磁导率的温度系数： 00TTT0(TT)在实际应用中，也常用比温度系数/ i来表征软磁材料的温度特性。 对某一软磁材料而言，比温度系数/ i与形状、尺寸无关，为一常数。该值越小越好。 18 磁导率的减落 软磁材料尤其是铁氧体软磁材料在受到电、磁、热和机械等冲击后，畴壁易于移动，表现出较高的磁导率，当冲击停止后一段时间内，离子或空位在自发磁化的影响下，将逐渐向低能态的稳定状态迁移，从而导致磁导率下降。称为磁导率的减落。 减落是一种可逆变化，是材料的不稳定性之一。 （1）减落D （2）减落系数d （3）减落因子DF 121D21Ddtlgt1dDF恒定温度下经过一定时间间隔（t1-t2）后材料磁导率的相对减小。 19 磁老化 12a1I软磁材料的磁性能随时间增长而不断下降，其原因除减落之外，还可能由于材料结构变化而引起的不可逆变化，称为磁老化。用老化系数Ia表示。 老化系数的大小跟材料的值和制造工艺有关。 一般而言，高材料的老化系数较大。 20 截止频率 i软磁材料畴壁共振及自然共振的影响，使软磁材料的 值下降为起始值的一半，且 达到峰值时的频率，称为截止频率fr，它与材料的组成和显微结构有关。 各类软磁材料的截止频率fr不同，其应用频率上限显然与fr有关，fr越高，则应用频率的上限越高。 21 几种主要的软磁材料

22 工业纯铁 最早被使用的金属软磁材料。 具有优良的软磁特性，加工（机加、锻造）性能好，并且价格便宜。 但其电阻率较低，不能用于交变磁场，只能用于直流磁场。 可用于制造直流电磁铁芯、磁极头、继电器铁芯、衔铁等。

23 硅钢片 硅在铁中的固溶体合金，具有较大的电阻率和较高的磁性能。 主要缺点：比纯铁硬而脆，饱和磁感应强度比纯铁低。 各向同性硅钢片（热轧硅钢片、冷轧硅钢片），主要用于制造电机转子、定子，称为电机硅钢片。 方向性硅钢片（单取向、双取向硅钢片），主要用于制造变压器铁芯，称为变压器硅钢片。 Fe  Si合金

24 坡莫合金 坡莫合金(Permalloy)为铁镍合金，是有名的优良软磁材料。 在弱磁场中具有很高的磁导率，很小的矫顽力。 主要缺点： (1)材料磁性对应力极为敏感； (2)饱和磁感应强度稍低； (3)生产过程中常以Mo、Cr等元素作为添加剂，价格昂贵； (4)制成器件后必须在氢气或真空中退火，增加了工艺复杂性。 Fe  Ni合金 25 硬磁材料 （永磁 恒磁） 材料被外磁场磁化后，去掉外磁场仍然保持着较强的剩磁的磁性材料。 有气隙磁铁示意图 永磁材料用作磁场源，主要是利用在空气隙中产生的磁场。 设Sm、Lm、Bm、Hm和Sg、Lg、Bg、Hg分别表示磁铁与气隙的截面积、长度、磁感应强度和磁场强度。 根据安培环路定律： iiHL0即： mmggHLHL(1)如果不考虑漏磁通，根据磁通连续性原理： mmg0gSBSH(2)（1）、（2）相乘： 1mmm2g0gBHVH()VHg除了与Vm、Vg有关外，主要取决于磁铁内部的Bm和Hm的乘积。 Hm就是磁铁的退磁场 (HC > 0.8kA/m)

26 退磁曲线上每一点的B和H的乘积（BH）。表征材料内部储存的能量大小。 最大磁能积(BH)max是衡量材料性能的重要参数。 maxrBC(BH)BH凸出系数（极限隆起度）： 回复磁导率 磁能积 磁铁的最大磁能积 D点是指永磁材料去掉磁场后，由于退磁场的作用，剩磁B所处的位置（称为磁体工作点） Bd：表观剩磁 Br的极限值：0MS BHC的极限值： 0Mr= 0MS maxS1(BH)M4理论20()27 recBtgH回复磁导率：

28 对永磁材料特性的要求 高Br； 高HC； 高(BH)max 1； rec 1； 稳定性好（包括温度、磁场、时间）

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30 永磁材料应用领域 31 磁信息材料 利用磁学原理存储和记录信息的磁载体材料。 磁记录 磁光记录 磁泡存储 矩磁存储 磁记录 磁存储 32 磁记录材料 利用磁头气隙中随信息变化的磁场将经过气隙的磁记录介质磁化，就把随时间变化的信息磁场转化为磁记录介质中按空间变化的强度分布，经过相反的过程可将记录的信息经磁头重放出来。 磁头材料 磁记录介质 磁光记录介质

33 磁记录包括两个过程： 磁头中流过信号电流，介质磁化将信息写入介质 用磁头检测介质磁状态，将信号读出

34 磁头材料 磁头铁芯用的高密度软磁材料。 用磁头材料做成记录（写入）或重放（读出）信息的换能器件，要求具有较高的转换效率。具体要求：  最大磁导率m和饱和磁感应强度BS要高，以实现高效率记录。  矫顽力Hc和剩余磁感应强度Br要低，以减少磁头的磁损耗和剩磁， 降低剩磁引起的噪声与非线性。  电阻率要高，以降低损耗，改善高频记录的频率相应特性。  起始磁导率i要高，以提高重放磁头的灵敏度。  磁导率的截至频率fr要高，以利于高频高速记录，提高使用频率上限。  耐磨损、抗剥落、机械加工性好。

35 36 磁记录介质材料 涂敷在磁带、磁盘和磁鼓上面用于记录和存储信息的材料。 要使记录和存储的信息稳定可靠，要求记录介质为矩形好的永磁材料。具体要求： 矫顽力HC要适当（16～80kA/m），以便有效地存储信息，抵抗环境干扰，减少剩磁状态的退磁效应，提高记录密度。 磁滞回线矩形比高，以减少自退磁效应，使介质中保留较高的剩磁，提高信息记录的密度和分辨力，从而提高信息的记录效率。 饱和磁感应强度Bs要高，以获得高的输出信号，提高单位体积的磁能积，提高各向异性导致的矫顽力。 温度稳定好，老化效应小，以保证宽温长期条件下稳定存储。 用于垂直记录的介质，其垂直各向异性系数要高。