第6章 铁磁材料及其应用..
铁磁材料的研究进展与应用
铁磁材料的研究进展与应用铁磁材料是一种磁性材料，具有高磁导率、高饱和磁感应强度、高磁阻值和低失磁耗等优点，在电子技术、电子信息、能源、机械工业以及医疗器械等领域有着广泛的应用。
本文将从铁磁材料的基本概念、物理性质、研究进展和应用领域等方面进行讨论。
一、铁磁材料的基本概念铁磁材料是一种基于氧化铁的磁性材料，包括氧化铁、镍铁氧体、合金带、铁电材料等。
其中，氧化铁是最早被发现的一种铁磁材料，其晶体结构属于立方晶系，在外加磁场的作用下会产生磁化强度，具有较好的磁性和温度稳定性。
镍铁氧体则是一种具有高磁阻比和高频响应性能的材料，可以广泛应用于载波通信和微波器件中。
二、铁磁材料的物理性质铁磁材料的物理性质与其晶体结构和磁矩有关。
晶体结构不同，磁性性质也会有所差异。
例如，氧化铁的磁矩主要由离子自旋贡献和轨道贡献两部分组成，而镍铁氧体的磁矩主要由离子自旋贡献和离子轨道贡献及两者之间的交换相互作用共同决定。
铁磁材料还具有磁导率、磁阻、矫顽力、剩磁等特性。
三、铁磁材料的研究进展随着科学技术的不断发展，铁磁材料的研究也得到了迅猛发展。
近年来，研究人员主要从以下几个方面对铁磁材料进行了深入的研究：1.微观结构与物性关系研究。
通过采用透射电镜、扫描电镜、X射线衍射等方法研究铁磁材料的微观结构，探索其结构与物性之间的关系。
2.制备工艺研究。
研究人员通过沉积、溶胶-凝胶和热处理等方法制备铁磁材料，并对其制备过程进行优化，以提高其性能。
3.铁磁储存技术研究。
铁磁材料可以应用于非易失性存储器中，近年来，研究人员通过优化工艺和改善制备方法，研制出了一系列高性能铁磁储存器件。
4.磁性材料的多功能应用研究。
将铁磁材料与其他材料相结合，可以应用于电力设备、信标定位、导航技术、医学成像、环境治理等领域。
四、铁磁材料的应用领域铁磁材料具有多种特性和优点，可应用于很多领域，包括：1.信息存储：铁磁膜具有磁导率高、饱和磁感应强度高和抗强磁场干扰等特点，在磁盘、磁带、光盘等数据存储介质中广泛应用。
铁磁材料的磁导率不是常数
例1: 有一台电压为220/36V的降压变压器,若变压器的一次侧绕组，
N1=1100匝，试确定二次侧绕组匝数应是多少？
解
由公式
U1 N1 k U2 N2
得
N2U U 1 2N12 32 601100180匝
39
二、变压器的工作原理
2. 电流变换作用
+
u1
–
i1 + –e 1
交流电源
N1 N2
磁滞回线
B
Br
-Hc 0
Hc H
13
任务一 磁路与铁磁材料的认识
三、磁性物质的分类
根据磁性材料的磁滞回线,可将磁性材料分为三种类型:
1.软磁材料
磁滞回线较窄,矫顽磁力较小，磁 滞损耗较小。
常用的材料有铸铁、硅钢、坡莫 合金和软磁铁氧体等。
一般用来制造电机、变压器及电 器等的铁心等。
14
任务一 磁路与铁磁材料的认识
铁磁材料的磁导率不是常数，它随励磁电流而变，所以
铁磁材料的磁阻是非线性的，但磁阻很小（很多情况可以忽 略）。
21
任务一 磁路与铁磁材料的认识
六、交流铁心线圈
线圈
由硅钢片叠压制成的铁心磁路。
线圈又叫绕组,是由 导线缠绕而成，缠绕一圈 称为一匝。
线圈的匝与匝之间彼 此绝缘。
变压器、交流电动机及各种交流电器的铁芯线圈都通入 交流电来励磁。
当电流从两个线圈的某一对端子流入时,若两线圈中产生
的磁通是相互增强的，则这对端子就称为同名端。
1
•
增加 1
•
同极性端 2
和绕组的绕 向有关。 1’
•
2’
2
1’
2’
•
电工学课件第6章磁路与铁心线圈电路
磁路与铁心线圈电路是电工学的重要内容，深入了解磁场来源、铁磁材料特 性和磁路磁阻，能帮助我们理解电磁铁和铁心线圈电路的工作原理和计算方 法。
磁场的来源与特性
电流
通过电流可以创建磁场，磁场的特性由其方向和强度决定。
永磁体
永久磁体是通过原子磁偶极子排列达到自发磁化的，其磁场具有持久性。
磁路
磁路是指通过磁介质的路径，它 对于指定的磁场强度和磁通量起 着重要的影响。
磁路阻抗
磁路阻抗是描述磁路对磁通量产 生阻碍程度的物理量。
磁通量
磁通量是指通过某个截面的磁场 总量，它和磁场强度、磁路面积 以及磁路阻抗之间存在关系。
电磁铁的工作原理和特点
1 电磁激励
电流通过线圈产生磁场，使铁芯具有磁性。
电动势 法拉第电磁感应定律
洛伦兹力定义
电路方程
电动势和线圈自感、电流变化 率的关系
电动势与线圈长度、磁感应强 度、线圈电流和外加磁场的关 系
磁场与磁感应强度的计算
安培定理
根据安培定理，通过封闭回路 的总磁感应强度等于通过该回 路的总电流。
磁场强度
磁场强度是单位长度内的磁通 量，与电流和回路形状有关。
磁感应强度
磁感应强度是介质内某点的磁 场强度，与磁导率和磁场强度 有关。
铁心线圈电路中的电动势和电路方程
现象 带电线圈的磁场变化
外加磁场中的线圈
电磁感应
电磁感应是指磁场与导体运动或改变状况相互作用产生的电流和电动势。
铁磁材料的特点及磁滞回线
1
磁导率高
铁磁材料具有较高的磁导率能够达到较高的磁化强度，在磁路中发挥重要作用。
3
磁滞回线
铁磁材料的磁滞回线描述了其磁化和去磁过程中的能量损耗和延迟现象。
铁磁材料的研究与应用
铁磁材料的研究与应用铁磁材料是指具有铁磁性质的材料，是目前材料物理学和材料科学的研究热点之一。
铁磁材料具有磁饱和强度高、磁导率大、磁滞回线窄、磁耦合系数大、良好的磁导性和电导性等特点，广泛应用于磁头、磁盘、电机、变压器和磁耦合器等领域。
一、铁磁材料的基本特性铁磁材料的基本特性是通过材料的物化特性来描述的。
首先，铁磁材料的饱和磁场强度高，即当外加磁场强度增大到一定程度时，材料的磁化强度将达到磁饱和，此时材料将不能再被磁化。
其次，铁磁材料的磁滞回线窄，即当外加磁场强度加大或减小时，磁性材料的磁化强度也将随之增大或减小，并呈现出一定的滞后性，这种滞后效应所对应的曲线就称为磁滞回线。
铁磁材料的磁滞回线窄，意味着材料具有更为稳定的磁性能。
除此之外，铁磁材料的磁导率大，即材料在外加磁场的作用下，所呈现出的磁场强度与磁化强度之间的比值大，这种比值所决定的参数就是材料的磁导率。
铁磁材料的磁导率大，可以更好地应用于电感器、磁头、磁盘等领域。
二、铁磁材料的制备技术铁磁材料的制备技术是关系到铁磁材料性质和应用的一个重要方面。
目前工业上生产的铁磁材料主要是硅钢板和铁氧体材料。
硅钢板是利用钢材的磁带轧制工艺和热处理工艺制备而成的，它的主要成分是铁、硅、碳和少量杂质，因为硅元素的加入使得铁磁材料的磁导率大大提高，同时由于在制备过程中对硅钢板的表面进行绝缘处理能够降低铁磁材料的涡流损耗。
而铁氧体则是材料科学研究中相对较新的制备技术，其通过利用磁性离子、氧元素和非磁性离子间的相互作用所形成的具有良好铁磁性能的复合材料，铁氧体材料的制备工艺因为要求材料形貌规整、纯度高、结晶致密，所以需要较高的生产技术和生产工艺设备。
三、铁磁材料的应用现状与展望铁磁材料目前应用领域十分广泛，主要涉及到电磁、电力、电子、计算机、通信、医疗等领域。
电磁领域中，铁磁材料主要应用于制作电动机、磁耦合器、变压器、发电机、电子继电器等电力设备，这些设备的重要部件均选用了具有铁磁性能的材料，用以提高设备的工作效率和稳定性。
第六章磁路及铁芯线圈电路-文档资料
0
H 0H
B B0
6-1 磁路和磁路的基本知识
例：环形线圈如图，其中媒质是均匀的，
磁导率为，试计算线圈内部各点的磁感
应强度。
解：半径为x处各点的磁场强度为
NI Hx
lx
故相应点磁感应强度为
I
Bx Hx NI
lx
N匝
x Hx
S
由上例可见,磁场内某点的磁场强度 H 只与电流大小、线
磁性物质的磁导率不是常数，随H 而变。
磁化曲线
H
B,
有磁性物质存在时，与 I 不成正比。
B
磁性物质的磁化曲线在磁路计算上极
为重要，其为非线性曲线，实际中通过
实验得出。
O
B 和 与H的关系
H
6-2 铁磁性物质及其磁化
3. 磁滞性
磁滞性：磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于
外磁场变化的性质。
磁通由磁通势产生，磁通势的单位是安[培]。
6-1 磁路和磁路的基本知识
五、磁导率
表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质的导磁能力。
磁导率 的单位：亨/米（H/m）
真空的磁导率为常数，用 0表示，有：
0 4π107H/m
相对磁导率 r： 任一种物质的磁导率 和真空的磁导率0的比值。
r
(4) 根据下式求出磁通势（ NI ）
n
NI Hili i1
6-3 磁路的基本定律
例1:一个具有闭合的均匀的铁心线圈，其匝数为300， 铁心中的磁感应强度为 0.9T，磁路的平均长度为 45cm，试求： (1)铁心材料为铸铁时线圈中的电 流; (2)铁心材料为硅钢片时线圈中的电流。
通所需要的磁通势F=NI ， 确定线圈匝数和励磁电流。
材料物理导论课后答案(熊兆贤)第六章习题参考解答
材料物理导论课后答案（熊兆贤）第六章习题参考解答第六章材料的声学1、声振动作为一个宏观的物理现象，满足三个基本物理定律：牛顿第二定律、质量守恒定律和绝热压缩定律，由此分别可以推导出介质运动方程（p-V关系）、连续性方程(V-)和物态方程（p-关系），并由此导出声波方程――p,V和等对空间、时间坐标的微分方程。
2、若声波沿x方向传播，而在yz平面上各质点的振幅和相位均相同，则为平面波3、4、(略)5、主要措施：a)生产噪音小的车辆;b)铺设摩擦噪音小的路面（诸如：使用改性沥青材料、形成合适路面纹路）；c)在城市交通干道两旁设置吸音档墙（选用吸音材料、采用吸音结构）；d)最好把城市交通干道修建在地下（实例：法国巴黎和美国波士顿的部分交通干道）。
6、声信号在海洋中传播时，会发生延迟、失真和减弱，可用传播损失来表示声波由于扩展和衰减引起的损失之和。
其中，扩展损失时表示声信号从声源向外扩展时有规律地减弱的几何效应，它随着距离的对数而变化；而衰减损失包括吸收、散射和声能漏出声道的效应，它随距离的对数而变化。
柱面扩展引起的损失随距离一次方而增加，声波在海水中长距离传播时对应于柱面扩展。
海水中的声吸收比纯水中大得多，在海水中声吸收由三种效应引起：一是切变黏滞性效应，另一是体积黏滞性效应，以及在100kHz下，海水中MgSO4分子的离子驰豫引起的吸收。
7、水声材料主要用于制作各种声源发射器和水听器，曾用过水溶性单晶、磁致伸缩材料和压电陶瓷材料，随着水声换能器技术的发展，要求具有功率大、频率常数低、时间和温度稳定性好、强电场下性能好以及能承受动态张应力大的材料。
8、产生超声波的材料主要有两大类：a)压电晶体和陶瓷是产生超声波的一类重要的材料；b)磁致伸缩材料为另一类超声波发生材料。
9、次声的特点为：1）频率低于25Hz，人耳听不到2）次声在大气中因气体的黏滞性和导热性引起的声能吸收比一般声波小得多3）吸收系数与周期T和大气压力的关系：4）次声受水汽以及障碍物的散射影响更小，可忽略不计5）次声是一种平面波，沿着地球表面平行的方向传播，次声对人体有影响，会使人产生不舒服的感觉6）频率小于7Hz的次声与大脑的节律频率相同，因此对大脑的影响特别大，功率强大的次声还可能严重损坏人体的内部器官。
第六章 材料的磁学性能
5、亚铁磁体 • μr>>1,χ>0。 • 它是反铁磁体的一个变种，其内部的原子磁 矩之间存在着反铁磁相互作用，只是两种相 反平行排列的磁矩大小不同，导致了一定的 自发磁化。所以在外加磁场中的表现与铁磁 体相似。 • 亚铁磁体多为金属氧化物。Χ比铁磁体小。 • 例如：铁氧体（磁铁矿，Fe3O4）、V、Cr、 Mn、Fe、Co等与O、S、Te、P、As、Sb 等的化合物，钕铁硼磁体，稀土与金属间的
2012-10-25 24
三、正离子的顺磁性 • 正原子的顺磁性来源于原子的固有磁矩。 • 原子的固有磁矩就是电子轨道磁矩和电子自旋磁矩的 矢量和，又称本征磁矩，Pm。 • 如果原子中所有电子壳层都是填满的，由于形成一个 球形对称的集体，则电子轨道磁矩和自旋磁矩各自相 抵消，Pm=0，不产生顺磁性。 • 因此，产生顺磁性的条件就是： Pm≠0。在如下情况下， Pm≠0： 1. 具有奇数个电子的原子或点阵缺陷； 2. 内壳层未被填满的原子或离子。如过渡族金属（d壳层 没有填满电子）和稀土金属（f壳层未填满电子）。
2012-10-25 25
• 在B0=0时，由于原子的热运动，各原子的磁矩倾 向于混乱分布，此时原子的动能Ek∝kT。对外表 现出宏观磁特性H’=0。 • 当加上外加磁场时，外磁场要使原子磁矩Pm与 B0的夹角θ 减小。使原子磁矩转向外加磁场方向。 • 当外磁场逐渐增加到使能量U=-PmB0cosθ 的减 少能补偿热运动能量时，原子磁矩就一致排列了。 此时有kT=PmB0。
2
rj
22
2012-10-25
则可得：
2
抗
Ne 0
2
6m
j1
z
rj
第六章 铁电物理与性能学
铁电相变
位移型相变铁电体
（不涉及化学键的破坏，新相和旧相之间存 在明显的晶体学位相关系）
以BaTiO3为例
钛酸钡不同温度下的晶胞结构变化示意图
位移型相变铁电体
以典型铁电材料——钛酸钡BaTiO3晶体为例，介绍其自发极化的微观模型
BaTiO3晶体从非 铁电性到铁电性的 过渡总是伴随着晶 体立方→四方的改 变，因此提出了一 种离子位移理论， 认为自发极化主要 是晶体中某些离子 偏离了平衡位置， 使得单位晶胞中出 现了电偶极矩造成 的
第六章 铁电物理与性能
Ferroelectrics
基本定义
具有自发极化强度,自发极化强度能 在外加电场下反转 或：具有电滞回线和具有电畴的特 点的材料为铁电体
Note:
铁电体与铁磁体在其它许多性质上也具有相 应的平行类似性，“铁电体”之名即由此而 来，其实它的性质与“铁”毫无关系。在欧 洲（如法国、德国）常称“铁电体”为“薛 格涅特电性”（Seignett-electricity）或 “罗息尔电性”（Rochell-electricity）。 因为历史上铁电现象是首先于1920年在罗息 盐中发现的，而罗息盐是在1665年被法国药 剂师薛格涅特在罗息这个地方第一次制备出 来。
（3）压电聚合物
聚二氟乙烯（PVF2 ）是目前发现的压电效应较强的聚合物 薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应， 但是它们具有“平面锯齿”结构，存在抵消不了的偶极子。经延 展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向 上产生自发极化偶极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后， 就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并 容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性 好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成 混合复合材料(PVF2—PZT)。
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铁磁材料及其应用
6-1 磁场基本物理量和磁路欧姆定律
6-2铁磁材料的磁特性 6-3铁磁材料的损耗 6-4磁记录和磁记忆材料 6-5铁芯线圈与理想变压器
1
6-1 磁场基本物理量和磁路欧姆定律 1.磁感应强度B 表征磁场强弱和方向的物理量B B=F/IL 2.磁通 均匀磁场 φ =BS 3.磁导率 表示磁介质导磁能力的物理量 在考虑物质与磁场的相互影响时,我们把所有的物 质都称为磁介质。 r= / o 式中, r叫磁介质的相对磁导率,它随磁介质的种 类和状态的不同而不同。对真空， r=1。
EER、 ETD TYPE
大小齐全 有JIS及IEC标准
LP、EED TYPE
low profile （扁平特性） 适合高密度装配
15
磁性材料应用：
一 . 磁芯形状及特点
形状 PQ、RM、 EP、POT TYPE 特点 low profile （扁平特性） 适合高密度装配 EP core具有高对称性，适合高频 平衡变压器
6 -3铁磁材料的损耗
一、磁滞损耗
磁滞损失：磁滞现象引起铁芯发热， 造成的损失。
二、涡流损耗
涡流损失：交变磁通在铁芯中产生 的感应电流（涡流）， 造成的损失。 (为防止涡流损失，铁芯一般由一片片导磁材料叠合而 成。)
10
6 -4磁记录和磁记忆材料
• 一、磁记录材料 • 二、磁记忆材料
11
6 -5铁芯线圈与理想变压器
单相变压器
22
i1
u1
Φ
u2
i2
RL
变压器符号：
工作过程：
i1 u1
Φ
i2
u2
RL
u1 i1 Φ u2 i2
23
原、副边电流关系 （变电流）
由于变压器铁芯材料的导磁率高、空载励磁电流
(i10 ) 很小，可忽略 。
N I N I 1 1 2 2
N I N 0 I 1 1 2 2
图15-10
6
H
三.有磁滞—有剰磁现象 (磁滞性 ) 一般说来，抗磁物质和顺磁物质在外磁场消失时， 磁性也消失。但铁磁质不同，外磁场消失后，还会 保留部分磁性，这就是磁滞现象。 B Br—剩磁 Br Hc —矫顽力(使铁磁质中 的磁场完全消失所需加的反 向磁场的大小) -Hc 不同铁磁质的磁滞回线 H 的形状是不同,它们各具有不 同的剩磁Br和矫顽力Hc。根 据磁滞回线的胖瘦可把铁磁 质分为硬磁材料和软磁材料。
一.高值 (高导磁性 )
B= or H= r Bo
铸钢： r =5002200， 硅钢： r =7000 坡莫合金： r =105 因此,很小的电流就能在铁磁质中产生很强的磁场。 二.非线性 (磁饱和性 ) B 相对磁导率r要随磁场的强弱 发生变化，因此B和H的关系是非 B μ 线性的。 作为信号传输器件时， H 如变压器铁芯，要尽量工作在线 性段，以减小信号的失真。
T、UT、 ET、UU TYPE
高磁导率型 低泄漏磁通 不易绕制
16
线材介绍：
聚氨基甲酸酯漆包线 聚酯漆包线 漆包线 自粘聚氨基甲酸酯漆包线 丝包线 绞线 线材 电镀铜线 三层绝缘线 PVC线
17
变压器应用举例
发电厂
1.05万伏 升压 输电线 变电站
22万伏
降压
1万伏
降压
…
降压
实验室
仪器
380 / 220伏
pm
Bo
磁化电流
一块顺磁质放到外磁场中时,它的分子的固有磁矩 要沿着磁场方向取向,如图所示。 考虑和这些磁矩相 对应的分子电流,可以发现：在均匀磁介质内部，各处 只有在横截 电流的方向总是有相反的,结果相互抵消。 面边缘处，分子电流未被抵消,形成与横截面边缘重合 的一层圆电流。这种电流叫做磁化电流。 4
降压
36伏
18
变压器功能： 变电压：电力系统
变电流：电流互感器
变阻抗：电子电路中的阻抗匹配
（如喇叭的输出变压器）
19
变压器的分类
电力变压器 (输配电用)
按用途分
仪用变压器 电压互感器 电流互感器 整流变压器
按相数分
三相变压器 单相变压器 变压器符号
20
铁芯
i1
u1
原边 绕组
Φ
u2
i2
RL
副边 绕组
8
图示为三种不同的磁介质的B~H关 系曲线，其中虚线表示的是B=oH 的关系。a、b、c各代表哪一类磁 介质的B~H关系曲线：
B
a b
c a代表 铁磁质 的B~H关系曲线。 H b代表 顺磁质 的B~H关系曲线。 图15-14 c代表 抗磁质 的B~H关系曲线。 抗磁质和顺磁质的B和H间是线性关系,相对磁 导率r 与1相差不大。在一般性(精度要求不高)的问 题中，可以把抗磁质和顺磁质的相对磁导率r 看作 是 1。 对铁磁质， B和H间是非线性的, 相对磁导率 r»1 。 9
I1 N 2 1 I 2 N1 K
结论：原、副边电流与匝数成反比
26
（变电压） 原、副边电压关系 根据交流磁路的分析 可得：
E1 4.44 f N1Φm E2 4.44 f N 2Φm
u1
i10 e1
i2
e2
u20
i2 0 时 u2 u20
K为变比
U1 E1 N1 K U 2 E2 N 2
2
抗磁物质—相对磁导率r略小于1的磁介质。 顺磁物质—相对磁导率r略大于1的磁介质。 铁磁物质—相对磁导率r»1 , 而且还随外磁场 的大小发生变化的磁介质。 4.磁场强度H H=B/ (磁场强度H大小与磁介质无关) 5.磁路欧姆定律 φ =F/Rm=NI/(L/ S)
3
6 -2铁磁材料的磁特性
磁滞回线
7
B
矩磁
H
软磁材料的磁滞回 线
硬磁材料的磁滞回线
软磁材料的磁滞 回线比较瘦(见图),剩 磁和矫顽力都很小， 常用来作变压器和电 磁铁的铁芯。
硬磁材料的磁滞回线 显得胖 ( 见图 ), 有较大的 剩磁和矫顽力 , 常用来作 永久磁体 。 矩形磁材料 常用来作记录磁带或电 子计算机的记忆元件。
一、铁芯线圈的电磁关系
φ =Umsin( ωt+90° )
二、理想变压器
变压器:是利用电磁感应原理进行工作的器件. 一般变压器由铁芯和线圈两部分组成。
12
变压器
13
变压器、电感器用材料介绍：
磁芯 绝缘胶带
线材 铜箔 档墙胶带 磁芯固 定胶带 线架
14
套管
磁性材料应用：
一 . 磁芯形状及特点
形状 EE 、EI TYPE 特点 大小齐全 有JIS及IEC标准