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磁学名词

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2013-07-29

磁性来源:

磁性来源于原子中电子的运动。

我们知道,物质是由原子组成的,而原子又是由原子核和核外电子组成的。原子核和电子均由于运动而产生磁矩,但原子核的磁矩远小于电子磁矩,所以原子磁矩主要来源于电子磁矩,并且电子磁矩有包括电子轨道磁矩和电子自旋磁矩。见图示:

磁性来源于原子中电子的运动

磁性来源于原子中电子的运动

量子力学表明,原子的核外一般分布有若干个电子,并且当电子分布在几个层次上时,由于内层电子之间的磁矩相互抵消,所以只有外层电子才对原子磁矩起作用。而只有3d过渡族金属和La系稀土金属等一些元素在一部分电子磁矩抵消以后,还剩余一部分电子磁矩没有被抵消。这样,这些元素原子具有总的原子磁矩。

在此基础之上,由于"交换作用"的机理,这些原子磁矩得以按相同方向整齐排列起来,整个物体也就有了磁性。当然,抵消以后由于原子磁矩大小的不同,最终磁体显示的磁性强弱也不同。

·自发磁化:

当原子核外电子的自旋磁矩不能相互抵消时,便会产生原子磁矩。同时,如果在交换作用下,所有原子的磁矩能按一个方向整齐排列时,物体才会对外显示磁性,成为磁性材料。这种原子磁矩的整齐排列现象,就称为自发磁化。见图示:

自发磁化

自发磁化

·磁畴:

所谓磁畴,是指磁性材料内部的一个个小区域。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。磁畴内原子磁矩一致整齐排列。在材料未被磁化时,磁畴之间原子磁矩方向各不相同。只有当磁性材料被磁化以后,它才能对外显示出磁性。实际的磁性材料中,磁畴形貌五花八门,如条形畴、树枝状畴等。

既然磁畴内部的磁矩排列是整齐的,那么在磁畴壁处原子磁矩又是怎样排列的呢?在畴壁的一侧,原子磁矩指向某个方向,假设在畴壁的另一侧原子磁矩方向相反。那么,在畴壁内部,原子磁矩必须成某种形式的过渡状态。实际上,畴壁由很多层原子组成。为了实现磁矩的转向,从一侧开始,每一层原子的磁矩都相对于磁畴中的磁矩方向偏转了一个角度,并且每一层的原子磁矩偏转角度逐渐增大,到另一侧时,磁矩已经完全转到和这一侧磁畴的磁矩相同的方向。见图示:

磁畴

磁畴

·N极:

小磁针被自由放置时,指向地磁场北极的磁极称为北极(N极)。

·顺磁性材料:

磁导率略大于1的材料。

·铁磁材料:

磁导率远大于1(几十到几千)且显示磁滞现象的材料。

·永磁材料:

具高矫顽力的磁性材料。永磁材料磁化时需较强的外磁场,且被磁化后磁性不容易消失,可对外部空间提供稳定磁场。关于钕铁硼永磁体常用的衡量指标有以下四种:

剩磁(Br) 单位为特斯拉(T)和高斯(Gs) 1T=10000Gs

将一个磁体在外磁场的作用下充磁到技术饱和后撤消外磁场,此时磁体表现的磁感应强度我们称之为剩磁。它表示磁体所能提供的最大的磁通值。从退磁曲线上可见,它对应于气隙为零时的情况,故在实际磁路中没有多少实际的用处。钕铁硼的剩磁一般是11500高斯以上。

磁感矫顽力(Hcb) 单位是奥斯特(Oe)或安/米(A/m) 1A/m=79.6Oe

磁体在反向充磁时,使磁感应强度降为零所需反向磁场强度的值称之为磁感矫顽力(Hcb)。但此时磁体的磁化强度并不为零,只是所加的反向磁场与磁体的磁化强度作用相互抵消。(对外磁感应强度表现为零)此时若撤消外磁场,磁体仍具有一定的磁性能。钕铁硼的矫顽力一般是10000Oe以上。

内禀矫顽力(Hcj) 单位为奥斯特(Oe)或安/米(A/m)

使磁体的磁化强度降为零所需施加的反向磁场强度,我们称之为内禀矫顽力。内禀矫顽力是衡量磁体抗退磁能力的一个物理量,是表示材料中的磁化强度M退到零的矫顽力。在磁体使用中,磁体矫顽力越高,温度稳定性越好。

磁能积((BH)max ) 单位为兆高·奥(MGOe)或焦/米3(J/m3)

退磁曲线上任何一点的B和H的乘积既BH我们称为磁能积,而B×H的最大值称之为最大磁能积,为退磁曲线上的D点。磁能积是恒量磁体所储存能量大小的重要参数之一。在磁体使用时对应于一定能量的磁体,要求磁体的体积尽可能小。

·各向同性磁体:

任何方向磁性能都相同的磁体。

·各向异性磁体:

不同方向上磁性能会有不同;且存在一个方向,在该方向取向时所得磁性能最高的磁体。烧结钕铁硼永磁体是各向异性磁体。

·取向方向:

各向异性的磁体能获得最佳磁性能的方向称为磁体的取向方向。也称作"取向轴","易磁化轴"。

·磁滞回线:

铁磁材料在经过充磁、退磁、反向充磁、再退磁周期性变化时,所获得的关于磁感应强度(横坐标)相对于磁场强度(纵坐标)变化的闭合曲线。见图示:

磁滞回线

磁滞回线

·退磁曲线(即B-H曲线):

磁滞回线中,位于第二象限中的部分我们称之为退磁曲线。也即我们所说的B-H的曲线。如图所示:

退磁曲线(即B-H曲线)

退磁曲线(即B-H曲线)

·退磁曲线的膝点:

磁体退磁曲线上发生突变、明显发生弯曲的点。室温时退磁曲线呈直线的磁体,在温度升高到一定程度时都会出现膝点。如果磁体的工作点在膝点以下,磁体在动态磁路中工作时会产生不可逆损失。

·负载线:

连接工作点和退磁曲线坐标原点的一条直线(见上图)。

·磁化强度:

指材料内部单位体积的磁矩矢量和,用M表示,单位是安/米(A/m)。

·磁感应强度:

磁感应强度B的定义是:B=μ0(H+M),其中H和M分别是磁化强度和磁场强度,而μ0是真空导磁率。磁感应强度又称为磁通密度,即单位面积内的磁通量。单位是特斯拉(T)。 CGS 单位制中的单位为高斯(Gauss)。

·磁通:

给定面积内的总磁感应强度。当磁感应强度B均匀分布于磁体表面A时,磁通?的一般算式为? =B×A。磁通的SI单位是麦克斯韦。

·漏磁通:

磁体回路中未能通过工作气隙而被泄漏的那部分磁通。

·磁场强度:

指空间某处磁场的大小,用H表示,它的单位是安/米(A/m)。

·相对磁导率:

媒介磁导率相对于真空磁导率的比值,即μr = μ/μo。在CGS单位制中,μo=1。另外, 空气的磁导率在实际使用中往往值取为1。

·磁导:

磁通Φ与磁动势F的比值,类似于电路中的电导。是反映材料导磁能力的一个物理量。

·磁导系数,Pc :

即为导磁率,磁感应强度Bd与其磁化强度的比率,即Pc = Bd/Hd。也即我们所说的"负载线"或磁体的工作点。导磁率可用来衡量磁性材料被磁化的容易程度,或者说是材料对外部磁场的灵敏程度。磁导系数可用来估计各种条件下的磁通值。在磁路中,近似有:Bd/Hd = lm/Lg,其中lm是磁体的长度;Lg是相对应磁体气隙的长度。因此Pc是磁路设计中的一个重要的物理量。

·居里温度:

对于所有的磁性材料来说,并不是在任何温度下都具有磁性。一般地,磁性材料具有一个临界温度Tc,在这个温度以上,由于高温下原子的剧烈热运动,原子磁矩的排列由有序变成无序。在此温度以下,原子磁矩一致排列,产生自发磁化,材料呈铁磁性。

·磁路:

磁通流经的回路称为磁路。永磁体和磁轭、气隙、极靴等构成闭合磁路。

·气隙:

磁回路中磁导率为1的间隙部分,一般为空气间隙,但是也可为其它介质。

·气隙长度-Lg:

磁路中气隙的长度。

·磁动势-F:

它是磁路中任意两点间磁势的差值,类似于电路中的电压。

·磁阻-R:

磁动势与磁通的比值称为磁阻,即R= F/? (类似于欧姆定律),其中F是磁动势,? 是磁通(CGS单位制)。类同于电路中的电阻。

·磁轭:

放置在磁体回路或两磁极中心、引导磁力线通过以减少磁通损失的高磁导率材料,一般为软磁铁、纯铁或低碳钢。

·极靴:

放置在磁极处的用来约束磁束的分布及改变其流向的铁磁性材料。

·涡流:

当磁场发生变化时,传导电流之中所产生的环形电流称之为涡流。涡流能产生反向磁场。涡流对于转动速度或者其它大多数磁路设计都是有害的,故涡流应尽量降低到最小。

·磁饱和度:

任何可导磁材料在一定条件下都可达到饱和的状态。铁磁材料在将其磁化时会达到饱和。钢铁的磁饱和度为16000到20000高斯。

·稳定性:

是衡量磁体抗退磁能力的物理量;影响磁体稳定性的因素有温度或外磁场等。

·可逆温度系数:

一个衡量由温度变化引起的磁性能可逆变化的物理量。

·不可逆损失:

磁体由于外磁场或其它因素引起的局部退磁,这部分损失仅仅在重新磁化时才能被恢复。


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