鐵磁材料的磁化過程

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，一個典型多晶材料是由許多晶體構(gòu)成的。每個微晶有一個*易磁化方向，這些晶體排列是隨機的，因此材料由大量隨機排列的磁極構(gòu)成。但是，即使在技術(shù)上讓所有微晶在一個方向上排列（也可以說保證良好的紋理），整個磁體由于疇機構(gòu)的存在也可以進行退磁。

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部分，例如:

1）靜磁能：退磁磁場的相應(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)的過程——每個后續(xù)區(qū)域呈現(xiàn)低能量狀態(tài)，最后一個（低靜磁能）小區(qū)域?qū)嶋H上沒有磁通泄漏，磁化強度平均值為零，所有的磁場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)、機械缺陷等影響，磁疇結(jié)構(gòu)非常復雜。

疇壁（DW）隔開磁化方向相反的任何疇（見圖 1.2）。這樣的疇壁相對較薄（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，對磁滯回線和磁化曲線表示的磁化過程有顯著的影響。

2. 磁化曲線

磁化曲線代表極化強度 J（或磁感應(yīng)強度 B）和磁場強度 H 之間的關(guān)系。它包含給定磁性材料的基本信息，通?？稍诓牧夏夸浿胁槌?/span>。

圖 2.1 給出一個典型的磁化曲線，磁化過程可分成幾個部分，從材料*退磁狀態(tài)開始，當有外加的小磁場作用時，磁疇自發(fā)從接近外磁場方向開始磁化，逐漸消耗在其他疇區(qū)域。對于一個小磁場，這個過程是可逆的，如果移去磁場，材料將回到初始狀態(tài)而沒有磁滯。

下一部分磁化曲線以大磁導率為特征。在本部分中，疇壁運動是不可逆的，如果我們移去磁場，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)。

個別疇壁的運動位移是可檢測的，從一個固定位置“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)"。注意與疇壁運動有關(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)和機械壓力，因此，它通常用于材料評價和無損檢測。

當進一步增加磁場（高于拐點），疇壁運動過程消失了，而且磁疇排列旋轉(zhuǎn)到與磁化方向一致——沿著磁場的方向強制磁化。隨著磁場強度的增大，極化值達到飽和極化強度 Js 附近，然后隨磁場變化就很小了。

原始磁化曲線可以通過測量由直流磁場變化引起的磁感應(yīng)強度變化獲得（退磁后的開始狀態(tài)）。實際上更常見更簡單的是使樣品在交變磁場磁化，磁化曲線是磁滯回線端點的連線（見下一節(jié)）。通過交流勵磁確定的磁化曲線，磁場強度和磁感應(yīng)強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實際特征——通常是象征磁性的一個代名詞。典型的磁滯回線如圖 3.1 所示。

從退磁狀態(tài)開始，第一個路徑是類似于原始磁化曲線0和1之間的一部分。但是，如果開始減小磁場強度，則會沿路徑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，回到磁場強度為零的位置2，材料依然被磁化且該磁化成為剩磁感應(yīng)強度Br（簡稱剩磁）。

繼續(xù)施加相反方向的磁場，再次獲得零值至位置 3，這個磁測被稱為矯頑磁場（矯頑力）Hc。矯頑力是軟磁材料磁化時一個非常重要的參數(shù)，因為磁損耗取決于磁滯回線。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)來自硬磁材料（永磁）。在這種情況下，剩磁感應(yīng)強度和矯頑力應(yīng)盡可能高，因為參數(shù)（BH）max 代表存儲磁性的能量（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)。

到達磁滯回線的第 3 點后，可以在負方向上繼續(xù)增加磁場直到反向端點——接近負飽和度 Bs（第 4 點）。接下來，如果我們繼續(xù)研究磁場和磁感應(yīng)強度（從正值和負值）的變化，將回不到起始點 0，但可在點 1 接近閉合環(huán)路。如果用交變正弦磁場來磁化材料，也會形成閉環(huán)的環(huán)路（交變磁場每個周期將對應(yīng)于圍繞環(huán)路的一個完整過程）。磁滯回線的不同由于磁化過程中峰值的不同——通過改變這個峰值，即可以獲得一簇磁滯回線。通過連接這些回線的端點，曲線很接近延伸的原始磁化曲線。

如果在磁滯回線任意點的磁化場方向逆轉(zhuǎn)，回線不遵循相同的輪廓線，但形成了一個子磁滯回線的支線。對于軟磁材料，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強度值，兩者會出現(xiàn)顯著的差異。