鐵磁材料的磁化過(guò)程

1. 磁疇結(jié)構(gòu)

鐵磁材料在微觀領(lǐng)域可自發(fā)磁化，形成微小的磁偶極子。此外，一個(gè)典型多晶材料是由許多晶體構(gòu)成的。每個(gè)微晶有一個(gè)*易磁化方向，這些晶體排列是隨機(jī)的，因此材料由大量隨機(jī)排列的磁極構(gòu)成。但是，即使在技術(shù)上讓所有微晶在一個(gè)方向上排列（也可以說(shuō)保證良好的紋理），整個(gè)磁體由于疇機(jī)構(gòu)的存在也可以進(jìn)行退磁。

局部磁化狀態(tài)取決于許多因素，如晶粒結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、存在的雜質(zhì)和局部應(yīng)力，而更重要的是局部磁能量的平衡。局部磁能量可以包含多個(gè)部分，例如:

1）靜磁能：退磁磁場(chǎng)的相應(yīng)能量。

2）磁晶能：各向異性晶體相應(yīng)能量。

3）交換能：相鄰磁偶極矩間相互交換的能量。

4）磁致彈性能：磁致伸縮效應(yīng)的能量。

5）疇壁能：相鄰電子自旋交互存在的能量。

磁性材料自發(fā)產(chǎn)生磁化方向相同的小區(qū)域——確保自由能小的磁域。圖 1 給出了形成疇結(jié)構(gòu)的過(guò)程——每個(gè)后續(xù)區(qū)域呈現(xiàn)低能量狀態(tài)，最后一個(gè)（低靜磁能）小區(qū)域?qū)嶋H上沒(méi)有磁通泄漏，磁化強(qiáng)度平均值為零，所有的磁場(chǎng)能量都包含在材料中。真正的磁性材料，由于晶粒邊界、雜質(zhì)、機(jī)械缺陷等影響，磁疇結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。

疇壁（DW）隔開(kāi)磁化方向相反的任何疇（見(jiàn)圖 1.2）。這樣的疇壁相對(duì)較薄（小于 10 μm），而且在這樣小的體積內(nèi)，基本磁偶極子反向排列。磁疇和疇壁的存在，對(duì)磁滯回線和磁化曲線表示的磁化過(guò)程有顯著的影響。

2. 磁化曲線

磁化曲線代表極化強(qiáng)度 J（或磁感應(yīng)強(qiáng)度 B）和磁場(chǎng)強(qiáng)度 H 之間的關(guān)系。它包含給定磁性材料的基本信息，通常可在材料目錄中查出。

圖 2.1 給出一個(gè)典型的磁化曲線，磁化過(guò)程可分成幾個(gè)部分，從材料*退磁狀態(tài)開(kāi)始，當(dāng)有外加的小磁場(chǎng)作用時(shí)，磁疇自發(fā)從接近外磁場(chǎng)方向開(kāi)始磁化，逐漸消耗在其他疇區(qū)域。對(duì)于一個(gè)小磁場(chǎng)，這個(gè)過(guò)程是可逆的，如果移去磁場(chǎng)，材料將回到初始狀態(tài)而沒(méi)有磁滯。

下一部分磁化曲線以大磁導(dǎo)率為特征。在本部分中，疇壁運(yùn)動(dòng)是不可逆的，如果我們移去磁場(chǎng)，由于疇壁的新位置，材料仍然被部分磁化，即出現(xiàn)磁滯效應(yīng)。

個(gè)別疇壁的運(yùn)動(dòng)位移是可檢測(cè)的，從一個(gè)固定位置“跳”到另一外置，疇壁的位移是不連續(xù)的。這種不規(guī)則的磁化，可由纏繞在磁化材料上線圈的脈沖電壓產(chǎn)生。這種現(xiàn)象叫做“巴克豪森效應(yīng)”。注意與疇壁運(yùn)動(dòng)有關(guān)的不連續(xù)變化量，在圖 2.1 中這部分曲線放大后是不光滑的。巴克豪森噪聲很大程度取決于微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械壓力，因此，它通常用于材料評(píng)價(jià)和無(wú)損檢測(cè)。

當(dāng)進(jìn)一步增加磁場(chǎng)（高于拐點(diǎn)），疇壁運(yùn)動(dòng)過(guò)程消失了，而且磁疇排列旋轉(zhuǎn)到與磁化方向一致——沿著磁場(chǎng)的方向強(qiáng)制磁化。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，極化值達(dá)到飽和極化強(qiáng)度 Js 附近，然后隨磁場(chǎng)變化就很小了。

原始磁化曲線可以通過(guò)測(cè)量由直流磁場(chǎng)變化引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化獲得（退磁后的開(kāi)始狀態(tài)）。實(shí)際上更常見(jiàn)更簡(jiǎn)單的是使樣品在交變磁場(chǎng)磁化，磁化曲線是磁滯回線端點(diǎn)的連線（見(jiàn)下一節(jié)）。通過(guò)交流勵(lì)磁確定的磁化曲線，磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度都可以是非正弦的。因此，關(guān)系式 B = f (H) 通常決定于 B、H 的有效值（或者其平均值）。

3. 磁滯回線

磁滯是所有鐵磁材料的一個(gè)實(shí)際特征——通常是象征磁性的一個(gè)代名詞。典型的磁滯回線如圖 3.1 所示。

從退磁狀態(tài)開(kāi)始，第一個(gè)路徑是類似于原始磁化曲線0和1之間的一部分。但是，如果開(kāi)始減小磁場(chǎng)強(qiáng)度，則會(huì)沿路徑1-2返回，這是由于疇壁位置不可逆轉(zhuǎn)引起磁化曲線的上升。因此，回到磁場(chǎng)強(qiáng)度為零的位置2，材料依然被磁化且該磁化成為剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br（簡(jiǎn)稱剩磁）。

繼續(xù)施加相反方向的磁場(chǎng)，再次獲得零值至位置 3，這個(gè)磁測(cè)被稱為矯頑磁場(chǎng)（矯頑力）Hc。矯頑力是軟磁材料磁化時(shí)一個(gè)非常重要的參數(shù)，因?yàn)榇艙p耗取決于磁滯回線。很明顯，矯頑力越小的功率損耗越小，表 3.1 收集了一些典型軟磁材料磁滯回線的參數(shù)。

其他磁滯參數(shù)來(lái)自硬磁材料（永磁）。在這種情況下，剩磁感應(yīng)強(qiáng)度和矯頑力應(yīng)盡可能高，因?yàn)閰?shù)（BH）max 代表存儲(chǔ)磁性的能量（同樣代表與其他永磁的吸引力），表 3.2 收集了各種典型永磁材料磁滯回線的參數(shù)。

到達(dá)磁滯回線的第 3 點(diǎn)后，可以在負(fù)方向上繼續(xù)增加磁場(chǎng)直到反向端點(diǎn)——接近負(fù)飽和度 Bs（第 4 點(diǎn)）。接下來(lái)，如果我們繼續(xù)研究磁場(chǎng)和磁感應(yīng)強(qiáng)度（從正值和負(fù)值）的變化，將回不到起始點(diǎn) 0，但可在點(diǎn) 1 接近閉合環(huán)路。如果用交變正弦磁場(chǎng)來(lái)磁化材料，也會(huì)形成閉環(huán)的環(huán)路（交變磁場(chǎng)每個(gè)周期將對(duì)應(yīng)于圍繞環(huán)路的一個(gè)完整過(guò)程）。磁滯回線的不同由于磁化過(guò)程中峰值的不同——通過(guò)改變這個(gè)峰值，即可以獲得一簇磁滯回線。通過(guò)連接這些回線的端點(diǎn)，曲線很接近延伸的原始磁化曲線。

如果在磁滯回線任意點(diǎn)的磁化場(chǎng)方向逆轉(zhuǎn)，回線不遵循相同的輪廓線，但形成了一個(gè)子磁滯回線的支線。對(duì)于軟磁材料，磁滯回線 B(H) 和 J(H) 幾乎是相同的，而硬磁材料由于更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度值，兩者會(huì)出現(xiàn)顯著的差異。