[磁特性与磁性材料.doc

第8章 磁特性與磁性材料 8.1磁性理論 8.2磁性材料分類 8.3磁特性 8.4軟磁材料 8.5硬磁材料 8.6鐵氧磁體 8.7 特殊 磁性材料是重要的電工材料之一，，，。2.1磁性理論 材料的磁性理論，。， 依據電磁學的安培迴路定律可知，，H與電流i的關係為，H/米(奧斯特)。B，。B/米2(=104高斯)。B與H的關係可寫成。?0(magnetic permeability)。/米。 ，，，。(magnetic moment)，，。。i，A。M，稱為磁化強度(magnetization)。M與外加磁場H的關係可寫成，?m為磁化係數(magnetic susceptibility)。M後，BH的關係改寫成 其中相對導磁係數，磁化係數?m。，B性和與導磁係數?有密切的關係。 2.32(a)與(b)。磁偶極的強度可用磁偶極矩m來表示，如 圖2.32 磁偶極圖示 (a)沿軸方向看 (b)由側面看 (2.102) 與定義為 (2.103) 和 (2.104) 為磁性材料的相對導磁係數(relative permeability)，為導磁係數。導磁係數已經包含材料的磁化效應。 因此H在真空與磁性介質的兩種情形皆相同。B則不同，必須使用取代。然而，一般情形並非如此簡單，因為磁性物質改變原始場的分佈。在範例2.11的情形，原始場不會受到磁性材料的改變。同樣地，在非磁均勻磁化率的情形中，相當磁性物質內有一等效的磁體積電流，加上邊界上的表面電流。然而，這都只要計算導磁係數即可。對非等向性磁性材料，H與B不平行，且兩者的關係可用矩陣表示 (2.107) 這種情況正如同非等向性介電材料的D與E關係。 磁的單位 磁物理量 SI制 cgs制 磁通密度 B= 高斯(Gauss) 磁場強度 H= 奧斯特(Oe) 磁化強度M 2.2磁性材料分類 反磁性 反磁性(diamagnetism)：許多材料內一個原子的淨磁偶極矩為零，即各種的電子軌道和自旋運動所造成的磁偶極矩的平均總和為零。這些材料在外加磁場時，會感應一反向的淨磁偶極矩，這種磁化稱為反磁性(diamagnetism)。反磁性一般都非常微弱，磁化係數?的數量級僅約10-5。只有其它型式的磁性都顯現不出來時，才會被觀察出來，在電工材料的用途並不大。事實上所有的材料都具有此一特性，例如常見的導電金屬如銅(Cu)，銀(Ag)，金(Au)等材料，皆顯現反磁性。 順磁性 順磁性(paramagnetism)些材料既使在無外加磁場下，每個原子具有不為零的淨磁矩。雖然每個原子的磁矩不為零，然而方向為散亂分佈，致使巨觀的淨磁矩為零。當有外加磁場時，每個各別的磁偶極矩受到一力矩作用，而使其朝磁場方向轉動，如圖2.33所示。這種磁化現象稱為順磁性(paramagnetism)。順磁性的磁化係數?數量級約在10-3~10-5。常見顯現順磁性的導電金屬如銅(Cu)，銀(Ag)，金(Au)等材料。 一般順磁性的用途不大，絕熱去磁，超低溫冷凍技術，可將溫度降低到1?K以下。原理是：一定溫度下，順磁性材料內的磁距排列，因外加磁場作用變得更有序，可降低系統熵(亂度)，當移走磁場，因系統絕熱，不增加熵(不破壞磁距排列亂度)，….。 此外，其它還有一類磁性材料，例如鐵磁性(ferromagnetic)，反鐵磁性(antiferromagnetic)，以及鐵氧磁性(ferrimagnetic)等。這些材料既使在無磁場的情況下，也顯示永久磁化現象。 鐵磁性 鐵磁性(ferromagnetic)，由於電子自旋動量大於軌道角動量，因此具有很強的磁偶極矩。鐵磁性的理論是以魏斯(Weiss)於1907年提出的 “磁田(magnetic domain)”的觀念為基礎。磁田是材料中的一個小區域，由於內部相臨的磁偶極矩彼此產生其磁偶極矩均指向同一方向強交互作用場，致使磁偶極矩均指向同一方向。若無外加磁場，雖然每一個磁田都被磁化至飽和，但各個磁田的磁化方向是散亂分佈，如圖2.35(a)。因此巨觀的淨磁化為零。若外加一較弱的磁場，與磁場同方向的磁田體積會延伸擴大，而其它方向的磁田則會逐漸縮小，如圖2.35(b)。這就是磁田壁(domain wall)移動的現象。若將外加磁場移去，則磁田壁朝反方向移動，材料恢復為原有的未磁化狀態。若外加一強磁場，磁田壁繼續延伸，變成不可逆的狀態。也就是說即使移去外加磁場，材料也無法恢復為原有的未磁化狀態。如果磁場繼續增強，磁化過程中除了磁田壁移動外，還會伴隨磁田旋轉現象的發生，即與外加磁場不同方向的磁田，磁化方向會旋轉到與磁場平行的方向，如圖2.35(c) 所示，因此材料可以磁化至飽和狀態。此時，即使移去外加磁場，材料仍會保有沿磁場方向的磁化。這時候如果想把材料恢復到先前