永磁材料的基礎(chǔ)知識—久巨自動化

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。我們通常所說的永磁材料的磁性能，指的就是這四項。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，就是表面狀態(tài)及其耐腐蝕性能。   

2、什么叫磁場強(qiáng)度？   
        1820年，丹麥科學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)通有電流的導(dǎo)線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：通有電流的無限長導(dǎo)線在其周圍所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)弱與電流的大小成正比，與離開導(dǎo)線的距離成反比。定義載有1安培電流的無限長導(dǎo)線在距離導(dǎo)線1/2π米遠(yuǎn)處的磁場強(qiáng)度為1A/m(安/米，國際單位制SI)；在CGS單位制(厘米-克-秒)中，為紀(jì)念奧斯特對電磁學(xué)的貢獻(xiàn)，定義載有1安培電流的無限長導(dǎo)線在距離導(dǎo)線0.2厘米遠(yuǎn)處磁場強(qiáng)度為1Oe（奧斯特），1Oe=1/(4π×103) A/m。磁場強(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)動形成的微電流，亦稱分子電流。這些微電流的集合效應(yīng)使得材料對外呈現(xiàn)各種各樣的宏觀磁特性。因?yàn)槊恳粋€微電流都產(chǎn)生磁效應(yīng)，所以把一個單位微電流稱為一個磁偶極子。定義在真空中每單位外磁場對一個磁偶極子產(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（特斯拉，在CGS單位制中，J的單位為Gs，1T=10000Gs）。
   　　定義一個磁偶極子的磁矩為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，對任何介質(zhì)施加一磁場H時(該磁場可由外部電流或外部永磁體提供，亦可由永磁體對永磁介質(zhì)本身提供，由永磁體對永磁介質(zhì)本身提供的磁場又稱退磁場,介質(zhì)內(nèi)部的磁場強(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)部的磁場強(qiáng)度是由磁場H通過介質(zhì)的感應(yīng)而表現(xiàn)出來的，為與H區(qū)別，稱之為介質(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，CGS單位為Gs（1T=104Gs）。
       對于非鐵磁性介質(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來表示，故磁感應(yīng)強(qiáng)度B又可定義為磁力線通量的密度，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上任意測量點(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)外磁場磁化至飽和后，再撤消外磁場時，永磁材料的磁極化強(qiáng)度J和內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不會因外磁場H的消失而消失，而會保持一定大小的值，該值即稱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上，磁場H為0時，Jr=Br，磁場H為負(fù)值時，J與B不相等，便分成了J-H和B-H二條曲線。從關(guān)系式(1-1)還可以看到，隨著反向磁場H的增大，B從**值Br=Jr變化到0，最后為負(fù)值，對于現(xiàn)代永磁材料，B退磁曲線的變化規(guī)律往往為直線；J退磁曲線的變化規(guī)律則不同：隨著反向磁場H的增大，B值線性減小，由于B值的減小量總是大于或等于反向磁場H的增大量，故在J退磁曲線上的一定區(qū)域內(nèi)可以保持相對平直的直線，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退磁曲線上(二象限)，不同的點(diǎn)對應(yīng)著磁體處在不同的工作狀態(tài)，B退磁曲線上的某一點(diǎn)所對應(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)度和磁場的大小，Bm和Hm的絕對值的乘積（BmHm）代表磁體在該狀態(tài)下對外做功的能力，等同于磁體所貯存的磁能量，稱為磁能積。在B退磁曲線上的Br點(diǎn)和bHc點(diǎn)，磁體的（BmHm）=0，表示此時磁體對外做功的能力為0，即磁能積為0；磁體在某一狀態(tài)下（BmHm）的值**，表示此時磁體對外做功的能力**，稱為該磁體的**磁能積，或簡稱磁能積，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，材料的磁極化強(qiáng)度J降為0，此時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對于同一磁體來說是一個待定值，也就是說，同一永磁體在不同的應(yīng)用場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退磁曲線方形度(Hk/jHc)，它們有何意義？   
　 　當(dāng)磁體處在動態(tài)工作條件下時，外部反向磁場H或磁體內(nèi)部的退磁場Hd呈周期性變化，定義在磁體的B退磁曲線上工作點(diǎn)D往復(fù)變化的軌跡為磁體的動態(tài)回復(fù)線，該線的斜率為回復(fù)導(dǎo)磁率μrec.。顯然，回復(fù)導(dǎo)磁率μrec.表征了磁體在動態(tài)工作條件下的穩(wěn)定性，它也是永磁體的B退磁曲線方形度，因此它是永磁體的一個重要的磁特性指標(biāo)之一。對于Nd-Fe-B燒結(jié)磁體，B退磁曲線為直線且bHc約等于Br，其回復(fù)導(dǎo)磁率μrec.等于B退磁曲線的斜率且μrec.=1.03~1.10。μrec越小，磁體在動態(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退磁曲線不是直線，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，此時如何把磁體設(shè)計在最穩(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)曲線上，J=0.9Jr時的反向磁場大小為Hk，Hk/jHc可以直觀地表示磁體的J退磁曲線方形度。對于具有高jHc的Nd-Fe-B燒結(jié)磁體，jHc遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于bHc，當(dāng)反向磁場大于bHc但小于jHc時，相應(yīng)的B退磁曲線已進(jìn)入第三象限。此時若磁體的J退磁曲線仍為直線，則相應(yīng)第三象限的B退磁曲線亦保持直線，此時磁體的?rec仍保持較小值，在反向外磁場撤消后，磁體的工作點(diǎn)仍能恢復(fù)到原來的位置。因此，Hk/jHc也是永磁體的一個重要的磁特性指標(biāo)之一，它和μrec一樣，表征了磁體在動態(tài)工作條件下的穩(wěn)定性。   

10、 什么叫磁力線，它有何特點(diǎn)？   

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

    1. 磁力線總是從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)中稱為磁通連續(xù)性定理， 上式又稱為磁場的高斯定律，表示任意磁場的散度為0，即通過任意閉合曲面的凈磁通總是0，磁力線總是閉合的。
    2. 同電流類似，磁力線總是走磁阻最?。ù艑?dǎo)率**）的路徑，因此磁力線通常呈直線或曲線，不存在呈直角拐彎的磁力線。
    3. 任意二條同向磁力線之間相互排斥，因此不存在相交的磁力線。
    4. 當(dāng)鐵磁材料未飽和時，磁力線總是垂直于鐵磁材料的極性面。當(dāng)鐵磁材料飽和時，磁力線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，在通常情況下，介質(zhì)都處于非均勻磁化狀態(tài)，也就是說通常介質(zhì)內(nèi)部的磁力線都成曲線狀態(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特征，就決定了磁路的準(zhǔn)確計算非常復(fù)雜。   

磁路是指由一個或多個永磁體、載流導(dǎo)線、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、以及提高整個構(gòu)件的機(jī)械強(qiáng)度的作用。 通常將沒有軟鐵時單個磁體所處的磁狀態(tài)稱為開路狀態(tài)；當(dāng)磁體處在由與軟鐵一起構(gòu)成的磁通回路中時，稱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H沿任意回路的線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題的二個基本關(guān)系式。

   從人類發(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)過了2000多年的漫長歷史。1825年前后，安培和歐姆分別提出了他們劃時代的定律。同年，William Sturgeon制成了人類歷史上**個電磁鐵。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)動式電磁發(fā)動機(jī)。1856年，德國的（Werner Siemens）發(fā)明了劃時代的電動機(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，許多值得人類永遠(yuǎn)紀(jì)念的杰出科學(xué)家的貢獻(xiàn)。他們是：庫侖、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。