永磁材料的基礎(chǔ)知識(shí)—久巨自動(dòng)化

1、什么是永磁材料的磁性能，它包括哪些指標(biāo)？   
　 　永磁材料的主要磁性能指標(biāo)是：剩磁、矯頑力、內(nèi)稟矯頑力、磁能積。我們通常所說(shuō)的永磁材料的磁性能，指的就是這四項(xiàng)。永磁材料的其它磁性能指標(biāo)還有：居里溫度、可工作溫度、剩磁及內(nèi)稟矯頑力的溫度系數(shù)、回復(fù)導(dǎo)磁率、退磁曲線(xiàn)方形度、高溫減磁性能以及磁性能的均一性等。 除磁性能外，永磁材料的物理性能還包括密度、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等；機(jī)械性能則包括維氏硬度、抗壓（拉）強(qiáng)度、沖擊韌性等。此外，永磁材料充磁的性能指標(biāo)中還有重要的一項(xiàng)，就是表面狀態(tài)及其耐腐蝕性能。   

2、什么叫磁場(chǎng)強(qiáng)度？   
        1820年，丹麥科學(xué)家?jiàn)W斯特發(fā)現(xiàn)通有電流的導(dǎo)線(xiàn)可以使其附近的磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而揭示了電與磁的基本關(guān)系，誕生了電磁學(xué)。實(shí)踐表明：通有電流的無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)在其周?chē)a(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)弱與電流的大小成正比，與離開(kāi)導(dǎo)線(xiàn)的距離成反比。定義載有1安培電流的無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)在距離導(dǎo)線(xiàn)1/2π米遠(yuǎn)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度為1A/m(安/米，國(guó)際單位制SI)；在CGS單位制(厘米-克-秒)中，為紀(jì)念?yuàn)W斯特對(duì)電磁學(xué)的貢獻(xiàn)，定義載有1安培電流的無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)在距離導(dǎo)線(xiàn)0.2厘米遠(yuǎn)處磁場(chǎng)強(qiáng)度為1Oe（奧斯特），1Oe=1/(4π×103) A/m。磁場(chǎng)強(qiáng)度通常用H表示。   

3、什么叫磁極化強(qiáng)度，什么叫磁化強(qiáng)度，二者有何區(qū)別？
　 　現(xiàn)代磁學(xué)研究表明：一切磁現(xiàn)象都起源于電流。磁性材料也不例外，其磁鐵充磁現(xiàn)象是起源于材料內(nèi)部原子的核外電子運(yùn)動(dòng)形成的微電流，亦稱(chēng)分子電流。這些微電流的集合效應(yīng)使得材料對(duì)外呈現(xiàn)各種各樣的宏觀磁特性。因?yàn)槊恳粋€(gè)微電流都產(chǎn)生磁效應(yīng)，所以把一個(gè)單位微電流稱(chēng)為一個(gè)磁偶極子。定義在真空中每單位外磁場(chǎng)對(duì)一個(gè)磁偶極子產(chǎn)生的**力矩為磁偶極矩pm，每單位材料體積內(nèi)磁偶極矩的矢量和為磁極化強(qiáng)度J，其單位為T(mén)（特斯拉，在CGS單位制中，J的單位為Gs，1T=10000Gs）。
   　　定義一個(gè)磁偶極子的磁矩為pm/μ0，μ0為真空磁導(dǎo)率，每單位材料體積內(nèi)磁矩的矢量和為磁化強(qiáng)度M，其SI單位為A/m，CGS單位為Gs(高斯).M與J的關(guān)系為：J=μ0 M，在CGS單位制中，μ0=1，故磁極化強(qiáng)度與磁化強(qiáng)度的值相等；在SI單位制中，μ0=4π×10-7   H/m (亨/米)。

4、 什么叫磁感應(yīng)強(qiáng)度，什么叫磁通密度，磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁通密度，它們之間存在什么樣的關(guān)系？   

       理論與實(shí)踐均表明，對(duì)任何介質(zhì)施加一磁場(chǎng)H時(shí)(該磁場(chǎng)可由外部電流或外部永磁體提供，亦可由永磁體對(duì)永磁介質(zhì)本身提供，由永磁體對(duì)永磁介質(zhì)本身提供的磁場(chǎng)又稱(chēng)退磁場(chǎng),介質(zhì)內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度并不等于H，而是表現(xiàn)為H與介質(zhì)的磁極化強(qiáng)度J之和。由于介質(zhì)內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度是由磁場(chǎng)H通過(guò)介質(zhì)的感應(yīng)而表現(xiàn)出來(lái)的，為與H區(qū)別，稱(chēng)之為介質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，記為B: B=μ0 H+J （SI單位制） （1-1） B=H+4πM （CGS單位制） 磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位為T(mén)，CGS單位為Gs（1T=104Gs）。
       對(duì)于非鐵磁性介質(zhì)如空氣、水、銅、鋁等，其磁極化強(qiáng)度J、磁化強(qiáng)度M幾乎等于0，故在這些介質(zhì)中磁場(chǎng)強(qiáng)度H與磁感應(yīng)強(qiáng)度B相等。 由于磁現(xiàn)象可以形象地用磁力線(xiàn)來(lái)表示，故磁感應(yīng)強(qiáng)度B又可定義為磁力線(xiàn)通量的密度，磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁通密度B在概念上可以通用。   

5、什么叫剩磁?

　　為什么在永磁材料的退磁曲線(xiàn)上任意測(cè)量點(diǎn)的磁極化強(qiáng)度J值和磁感應(yīng)強(qiáng)度B值必然小于剩磁Jr和Br值？   永磁材料在閉路狀態(tài)下經(jīng)外磁場(chǎng)磁化至飽和后，再撤消外磁場(chǎng)時(shí)，永磁材料的磁極化強(qiáng)度J和內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不會(huì)因外磁場(chǎng)H的消失而消失，而會(huì)保持一定大小的值，該值即稱(chēng)為該材料的剩余磁極化強(qiáng)度Jr和剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br，統(tǒng)稱(chēng)剩磁。剩磁Jr和Br的單位與磁極化強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度單位相同。   

　　根據(jù)關(guān)系式知，在永磁材料的退磁曲線(xiàn)上，磁場(chǎng)H為0時(shí)，Jr=Br，磁場(chǎng)H為負(fù)值時(shí)，J與B不相等，便分成了J-H和B-H二條曲線(xiàn)。從關(guān)系式(1-1)還可以看到，隨著反向磁場(chǎng)H的增大，B從**值Br=Jr變化到0，最后為負(fù)值，對(duì)于現(xiàn)代永磁材料，B退磁曲線(xiàn)的變化規(guī)律往往為直線(xiàn)；J退磁曲線(xiàn)的變化規(guī)律則不同：隨著反向磁場(chǎng)H的增大，B值線(xiàn)性減小，由于B值的減小量總是大于或等于反向磁場(chǎng)H的增大量，故在J退磁曲線(xiàn)上的一定區(qū)域內(nèi)可以保持相對(duì)平直的直線(xiàn)，但其J值總是小于Jr。

7、 什么叫磁能積(BH)m？   
　 　在永磁材料的B退磁曲線(xiàn)上(二象限)，不同的點(diǎn)對(duì)應(yīng)著磁體處在不同的工作狀態(tài)，B退磁曲線(xiàn)上的某一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的Bm和Hm（橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)）分別代表磁體在該狀態(tài)下，磁體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)的大小，Bm和Hm的絕對(duì)值的乘積（BmHm）代表磁體在該狀態(tài)下對(duì)外做功的能力，等同于磁體所貯存的磁能量，稱(chēng)為磁能積。在B退磁曲線(xiàn)上的Br點(diǎn)和bHc點(diǎn)，磁體的（BmHm）=0，表示此時(shí)磁體對(duì)外做功的能力為0，即磁能積為0；磁體在某一狀態(tài)下（BmHm）的值**，表示此時(shí)磁體對(duì)外做功的能力**，稱(chēng)為該磁體的**磁能積，或簡(jiǎn)稱(chēng)磁能積，記為(BH)max或(BH)m。因此，人們通常都希望磁路中的磁體能在其**磁能積狀態(tài)下工作。磁能積的單位在SI制中為J/m3(焦耳/立方米)，在CGS制中為MGOe(兆高奧斯特)，100/4πJ/m3=1 MGOe。   

　 　隨著溫度的升高，由于物質(zhì)內(nèi)部基本粒子的熱振蕩加劇，磁性材料內(nèi)部的微觀磁偶極矩的排列逐步紊亂，宏觀上表現(xiàn)為材料的磁極化強(qiáng)度J隨著溫度的升高而減小，當(dāng)溫度升高至某一值時(shí)，材料的磁極化強(qiáng)度J降為0，此時(shí)磁性材料的磁特性變得同空氣等非磁性物質(zhì)一樣，將此溫度稱(chēng)為該材料的居里溫度Tc。居里溫度Tc只與合金的成分有關(guān)，與材料的顯微組織形貌及其分布無(wú)關(guān)。

   　 在某一溫度下永磁材料的磁性能指標(biāo)與室溫相比降低一規(guī)定的幅度，將該溫度稱(chēng)為該磁體的可工作溫度Tw。由于磁性能的這一降低幅度需要視該磁體的應(yīng)用條件及要求而定，因此，所謂的磁體的可工作溫度Tw對(duì)于同一磁體來(lái)說(shuō)是一個(gè)待定值，也就是說(shuō)，同一永磁體在不同的應(yīng)用場(chǎng)合可以有不同的可工作溫度Tw。

    　顯然，磁性材料的居里溫度Tc代表著該材料的理論工作溫度極限。事實(shí)上，永磁材料的實(shí)際可工作Tw遠(yuǎn)低于Tc。例如，純?nèi)腘d-Fe-B磁體的Tc為312℃，而其實(shí)際可工作Tw通常不到100℃。深圳充磁機(jī)，通過(guò)在Nd-Fe-B合金中添加重稀土金屬以及Co、Ga等元素，可顯著提高Nd-Fe-B磁體的Tc和可工作Tw。值得注意的是，任何永磁體的可工作Tw不僅與磁體的Tc有關(guān)，還與磁體的jHc等磁性能指標(biāo)、以及磁體在磁路中的工作狀態(tài)有關(guān)。

9、 什么叫永磁體的回復(fù)導(dǎo)磁率(μrec.)，什么叫J退磁曲線(xiàn)方形度(Hk/jHc)，它們有何意義？   
　 　當(dāng)磁體處在動(dòng)態(tài)工作條件下時(shí)，外部反向磁場(chǎng)H或磁體內(nèi)部的退磁場(chǎng)Hd呈周期性變化，定義在磁體的B退磁曲線(xiàn)上工作點(diǎn)D往復(fù)變化的軌跡為磁體的動(dòng)態(tài)回復(fù)線(xiàn)，該線(xiàn)的斜率為回復(fù)導(dǎo)磁率μrec.。顯然，回復(fù)導(dǎo)磁率μrec.表征了磁體在動(dòng)態(tài)工作條件下的穩(wěn)定性，它也是永磁體的B退磁曲線(xiàn)方形度，因此它是永磁體的一個(gè)重要的磁特性指標(biāo)之一。對(duì)于Nd-Fe-B燒結(jié)磁體，B退磁曲線(xiàn)為直線(xiàn)且bHc約等于Br，其回復(fù)導(dǎo)磁率μrec.等于B退磁曲線(xiàn)的斜率且μrec.=1.03~1.10。μrec越小，磁體在動(dòng)態(tài)工作條件下的穩(wěn)定性就越好。
    　值得注意的是，若磁體的B退磁曲線(xiàn)不是直線(xiàn)，則磁體的回復(fù)導(dǎo)磁率μrec.在不同工作點(diǎn)就有不同的值，此時(shí)如何把磁體設(shè)計(jì)在最穩(wěn)定的工作狀態(tài)，就顯得非常重要。

   　 定義磁體的J退磁機(jī)曲線(xiàn)上，J=0.9Jr時(shí)的反向磁場(chǎng)大小為Hk，Hk/jHc可以直觀地表示磁體的J退磁曲線(xiàn)方形度。對(duì)于具有高jHc的Nd-Fe-B燒結(jié)磁體，jHc遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于bHc，當(dāng)反向磁場(chǎng)大于bHc但小于jHc時(shí)，相應(yīng)的B退磁曲線(xiàn)已進(jìn)入第三象限。此時(shí)若磁體的J退磁曲線(xiàn)仍為直線(xiàn)，則相應(yīng)第三象限的B退磁曲線(xiàn)亦保持直線(xiàn)，此時(shí)磁體的?rec仍保持較小值，在反向外磁場(chǎng)撤消后，磁體的工作點(diǎn)仍能恢復(fù)到原來(lái)的位置。因此，Hk/jHc也是永磁體的一個(gè)重要的磁特性指標(biāo)之一，它和μrec一樣，表征了磁體在動(dòng)態(tài)工作條件下的穩(wěn)定性。   

10、 什么叫磁力線(xiàn)，它有何特點(diǎn)？   

　　人們將磁力線(xiàn)定義為處處與磁感應(yīng)強(qiáng)度相切的線(xiàn)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向與磁力線(xiàn)方向相同，其大小與磁力線(xiàn)的密度成正比。了解磁力線(xiàn)的基本特點(diǎn)是掌握和分析磁路的的基礎(chǔ)。 理論和實(shí)踐均表明，磁力線(xiàn)具有下述基本特點(diǎn)：

    1. 磁力線(xiàn)總是從N極出發(fā)，進(jìn)入與其最鄰近的S極，并形成閉合回路。這一現(xiàn)象在電磁學(xué)中稱(chēng)為磁通連續(xù)性定理， 上式又稱(chēng)為磁場(chǎng)的高斯定律，表示任意磁場(chǎng)的散度為0，即通過(guò)任意閉合曲面的凈磁通總是0，磁力線(xiàn)總是閉合的。
    2. 同電流類(lèi)似，磁力線(xiàn)總是走磁阻最?。ù艑?dǎo)率**）的路徑，因此磁力線(xiàn)通常呈直線(xiàn)或曲線(xiàn)，不存在呈直角拐彎的磁力線(xiàn)。
    3. 任意二條同向磁力線(xiàn)之間相互排斥，因此不存在相交的磁力線(xiàn)。
    4. 當(dāng)鐵磁材料未飽和時(shí)，磁力線(xiàn)總是垂直于鐵磁材料的極性面。當(dāng)鐵磁材料飽和時(shí)，磁力線(xiàn)在該鐵磁材料中的行為與在非鐵磁性介質(zhì)（如空氣、鋁、銅等）中一樣。

        由于磁力線(xiàn)具有這樣的基本特性，因此介質(zhì)的磁化狀態(tài)取決于介質(zhì)的磁學(xué)特性和幾何形狀。顯而易見(jiàn)，在通常情況下，介質(zhì)都處于非均勻磁化狀態(tài)，也就是說(shuō)通常介質(zhì)內(nèi)部的磁力線(xiàn)都成曲線(xiàn)狀態(tài)且分布不均勻；另外，由于在自然界雖存在電的絕緣體，但不存在磁的絕緣體，使得通常的磁路都存在漏磁。介質(zhì)處于非均勻磁化狀態(tài)和磁路都存在漏磁這二個(gè)特征，就決定了磁路的準(zhǔn)確計(jì)算非常復(fù)雜。   

磁路是指由一個(gè)或多個(gè)永磁體、載流導(dǎo)線(xiàn)、軟鐵按一定形狀和尺寸組合，以形成具有特定工作氣隙磁場(chǎng)的構(gòu)件。軟鐵可以是純鐵、低碳鋼、Ni-Fe合金、Ni-Co合金等具有高磁導(dǎo)率的材料。軟鐵又稱(chēng)為軛鐵，它在磁路中起著控制磁通流向、增加局部磁感應(yīng)強(qiáng)度、防止或減少漏磁、以及提高整個(gè)構(gòu)件的機(jī)械強(qiáng)度的作用。 通常將沒(méi)有軟鐵時(shí)單個(gè)磁體所處的磁狀態(tài)稱(chēng)為開(kāi)路狀態(tài)；當(dāng)磁體處在由與軟鐵一起構(gòu)成的磁通回路中時(shí)，稱(chēng)此磁體處于閉路狀態(tài)。   

12、 什么叫安培定律？   
        在麥克斯韋(Maxwell)方程組中，磁場(chǎng)強(qiáng)度H與電流密度J的關(guān)系為：V*H=J    其積分形式為：∮H×cosα×dl =ΣI   它表示，磁場(chǎng)H沿任意回路的線(xiàn)積分等于以該回路為邊界的任意曲面內(nèi)的電流強(qiáng)度，這就是**的安培環(huán)路定律。安培環(huán)路定律和磁通連續(xù)性定理是求解一切磁路問(wèn)題的二個(gè)基本關(guān)系式。

   從人類(lèi)發(fā)現(xiàn)天然磁石能吸引鐵、并可作成指南針用于航海，到1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)電和磁之間的關(guān)系，期間經(jīng)過(guò)了2000多年的漫長(zhǎng)歷史。1825年前后，安培和歐姆分別提出了他們劃時(shí)代的定律。同年，William Sturgeon制成了人類(lèi)歷史上**個(gè)電磁鐵。1830年，法拉第（Michael Faraday）和亨利（Joseph Henry）分別發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。1832年，William Sturgeon 發(fā)明了轉(zhuǎn)動(dòng)式電磁發(fā)動(dòng)機(jī)。1856年，德國(guó)的（Werner Siemens）發(fā)明了劃時(shí)代的電動(dòng)機(jī)。1873年，倫敦皇家科學(xué)院的麥克斯韋(J. C. Maxwell)用系統(tǒng)而精確的數(shù)學(xué)形式表達(dá)了有關(guān)電和磁的全部定律----麥克斯韋方程組，至此，電磁學(xué)理論基本成熟。麥克斯韋方程組凝聚了從1820年到1860年間，許多值得人類(lèi)永遠(yuǎn)紀(jì)念的杰出科學(xué)家的貢獻(xiàn)。他們是：庫(kù)侖、安培、法拉第、高斯、韋伯、赫姆霍茲、亨利、焦耳、楞茨、泊松、麥克斯韋、洛侖茲、畢奧等。