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第七章动态磁化过程重点讲述ppt

归档日期:10-15       文本归类:磁性弛豫      文章编辑:爱尚语录

  0 共振型磁谱 弛豫型磁谱 磁谱的定义: 1、广义:物质的磁性与磁场频率的关系 2、狭义:铁磁体在弱交变场中的 μ 的 μ’ 与 μ’’ 随 频率变化的关系 一、铁氧体磁谱 如图 P457 Fig7-44 根据铁氧体磁谱的形状与不同频率范围内具有的不同特征和起主要作用的磁谱机理,磁谱分五个区域。 1、低频区(f 104Hz) 特点: μ’ 较高, μ’’较低,且随f的变化均很小。 损耗机理:磁滞损耗、磁后效引起的剩余损耗。 2、 中频区(f:104~106Hz) 第十一节 磁谱 特点:形状与低频区较为相似, μ’ 、 μ’’变化仍很小,但有时会出现μ’’峰值。 损耗机理:尺寸共振、磁力共振 3、高频区:(f:106~108Hz) 特点: μ’ 剧降, μ’’剧增。 损耗机理:畴壁共振或驰豫 4、超高频: (f:108~1010Hz) 特点:μ’ 继续下降,且 μ’-1可能为负, μ’’出现共振峰值。 损耗机理:磁畴的自然共振 5、极高频区: (f 1010Hz) (研究较少) (自然交换共振区) 也就是说,铁氧体磁谱可以分为两部分: ①在 f 1MHz的低、中频区 影响磁谱曲线的主要因素:磁滞、磁后效、尺寸共振、磁力共振等。 其形状特点: μ’ 、 μ’’随 f 的变化不大,但有时也出现共振/驰豫型曲线MHz的高频区 影响磁谱曲线的主要因素:畴壁共振与自然共振 形状特点:出现共振型与驰豫型曲线(可能重叠)。 二、截止频率 fr 在磁谱曲线上,当μ’ 下降到原来的一半,或μ’’达到极大值时对应的频率即fr (与μi有关)。 有阻力作用的M进动 在Hm去掉后,B立即可达到Br的原因,虽然涡流的阻尼起了作用,但主要是磁后效作用,如图。 我们将引起a曲线所表示的总后效的主要原因称为磁后效。 引起磁后效的原因: 1、由热涨落引起的不可逆磁后效——约旦后效。 特点:几乎与T、f无关。 2、由离子(空穴)或电子的扩散引起的可逆的磁后效——李希特后效。 特点:这种后效使 tg δ 与T、f 有强烈关系,且在材料磁中性化后,起始磁导率随时间的增加而降低——即磁导率的减落。 1 0.5 t a b Bn/B2 a:总后效 b:涡流引起的后效 二、磁导率的减落现象及减落系数DF 铁磁样品在动态磁中性化(交流去磁)后,其 μi 会随 t时间的增长而降低,最后达到稳定值。——μ 的减落现象,是磁后效的一种表现形式。 μ 的减落对T很敏感(T↓减落↓),是一种可逆的老化效应。与扩散后效源于同一物理机制。(铁氧体中的减落主要是由体内空位扩散产生) 减落严重时,材料在使用过程中经不起外来电磁场的干扰,故要求软磁材料的DF小。(我国要求DF30×10-6) 三、李希特后效的宏观描述——弛予过程 由技术磁化理论知道,畴壁移动与磁矩转动将引起B的变化。在铁磁物质被磁化时,伴随着磁致伸缩效应,因此,磁弹性后效使磁化状态的改变需要一定的时间才能稳定,这一建立平衡状态的过程——磁化的弛豫过程。 弛予过程满足下述条件:过程中任一瞬间B的变化率dB/dt与(Bm-B)成正比,与弛予时间 τ 成反比。(Bm为终态平衡时的磁感)即: 1 0.632 1 即τ是标志B达到Bm的63.2%所需时间,是个特征量,表示一系统从一平衡状态过渡到另一新平衡状态所经历的时间长短。 ②、将 μ’ 与 μ’’ 随 ω 变化以图 表示出来,可以说明: a、李希特后效是一种弛豫 过程,强烈依赖于T与 f 。 b、李希特后效在交变场作 用下表现为频散现象。 0 0.5 1 0.01 0.1 1 10 100 四、降低Pc的途径 1、减少扩散离子的浓度,以抑制离子扩散过程 的产生(对铁氧体,要使Fe2+尽量少,以减 小Fe 2+ ≒Fe3++e间的电子迁移 )。 2、控制工艺与成分,使铁氧体在应用频率与工 作温度范围内避开损耗最大值。 低温度烧结(减少离子挥发和空位) 采用高纯、高活性原料 ,控制烧结温度 和保温时间,使固相反应完全。 第八节 M矢量运动方程 动态磁化过程中,必须考虑畴壁位移与磁畴转动的动态过程及磁化时间效应,需要建立M的运动方程。 一、铁磁体内等效场(即作用在M上的等效场) 二、M运动方程 当单易磁化轴晶体处于磁化平衡状态时,M//Heff ,若 外场H改变,使Heff方向改变而M与Heff不平行时,M必然受一力矩作用( ),此力矩等于该系统总角动量变化率dP/dt。 即: 表示M在L作用下,围绕Heff作拉莫运动,即:其运动方向总与Heff垂直,且不停地绕Heff作转动。 按照上面的进动方程,M的进动是无阻力的,M将绕Heff永远不停地运动,即M与Heff间的θ角不变。 实际上,铁磁体中使有阻尼的,进动的动能会越来越小,而M与Heff间的θ角也会逐渐减小,最后达到M//Heff,从而完成转动过程。(如图) 有阻尼的进动方程: 在小损耗及小进动角的情况下,当三种阻尼力矩表达式相等时,系数之间必须满足: 证明如下: 一、动态磁化的畴壁位移机理 在H=0时,畴壁内每个原子磁矩在等效的交换场与磁晶各向异性作用下处于稳定状态。 当H≠0时,壁移处于移动状态,此时增加了两种能量:FH与Fd。(图解见下页) 1、H = 0时: 180o壁取向从 +x →-x 方向, 畴壁法线) 凡与x轴不平行的原子磁矩将绕H方向进动, 第九节 畴壁动态特性 x y z Ms H V Hdz x y z 0 由于进动,必须使原子磁矩离开xoy平面,从而可以认为在畴壁面上出现自由磁极,产生退磁场。 Hdz= -NMz= -Mz (对薄壁而言,N=1) 3、 Hdz作用: 由于Hdz的存在,使各原子磁矩同时绕Hdz进动,即绕z轴旋转,其结果等效为在外场H的作用下,180°壁向z轴方向移动。 所以,动态磁化过程中,在H作用下,畴壁出现了Hdz,引起各原子磁矩绕Hdz进动,从而导致畴壁位移。 二、畴壁的有效质量 设畴壁中原子磁矩绕z轴进动频率为: 三、畴壁运动的特点及方程 假设畴壁在整个位移过程中不变形,壁面平行于xoy平面,壁厚δ,畴宽l。当沿x轴施加交变场 时,畴壁位移动态磁化过程是强迫振动过程,P444 Fig7-34。 此时,畴壁受四个力作用: a. 动力:fH=2μ0MsH b. 回复力:f1=-αz。其中, α是弹性回复力系数;z是壁移的距离。 上式为单位面积畴壁在交变场作用下的运动方程,表示在动态磁化过程中,180o壁位移所引起的三种阻力与外场的动力相等。 因为单位面积的180o壁位移Z时,在H方向的 对畴宽为D的片状畴,单位体积中磁化强的改变量为: 由此可得共振与驰豫型两种磁谱。所以畴壁位移的动态过程为一振荡过程, 四、畴壁位移的磁谱特性 根据动态磁化的畴壁位移决定的 、 表达式,分析 和 的大小对畴壁位移的影响,可以得到两种类型的磁谱。 1.共振型磁谱 在阻尼系数 ,即阻尼很小时具有。 表明:畴壁运动具有无阻尼振动的特点,如右图。当 时,畴壁振动的振幅趋于无穷大,所以 。 而实际上,畴壁振动总是存在阻尼的,即 。如果阻尼 很小,则 仍然为共振型,此时 ,畴壁振动就会损耗能量,具有共振型磁谱(如图)。 1)在 时, ,而 出现极大值。 2) 曲线有两个极值, 曲线有一个极大值。这些极值处的 值可以将磁导率分别对 求导等于零而得。 而 取极大值时所对应的 为: 此时 的最大值为 取极小值时所对应的 为: 此时 的最小值为 2.弛豫型磁谱 当阻尼 很大时,畴壁的有效质量很小,即 表明 和 具有弛豫特性。由于阻尼很大,畴壁运动是单纯弛豫,失去固有振动,因而不发生畴壁共振。 磁谱特点是: 随频率上升而减小,在 时减小趋势最快,而此时 出现极大值。 此时,畴壁运动方程可以写为: 当 时,可直接求解得到磁谱。 表明: 1、( μi-1)f02 与畴壁和磁畴的参量有关, μi与f0 互相制约。 2、 μi高,则f r低; μi低,则f r高。 避免畴壁共振引起的损耗与提高材料f r方法: a、细化晶粒,做成单畴。 b、冻结畴壁,使壁移困难。 一、机制 由于等效各向异性场(HK)eff的影响,使无外场时,铁磁体的Ms分布于能量最小方向,即各易轴方向。 当Ms与易轴有一小偏角时,Ms将绕(H)eff进动,其进动的固有频率为: ω0= γ (HK)eff 如果一高频交变场H=Hmeiωt 也同时作用于Ms上,当ω=ω0时,就会产生共振。 这种无外加稳恒直流磁场,只由铁磁体内部自然存在的等效各向异性场作用而产生的共振——自然共振。(与畴壁共振一样,也会导致μ的频散与损耗)。 二、磁畴的Ms进动方程 单畴内Ms在Heff作用下的进动方程可表示为: 第十节 磁畴的自然共振 x y z Heff Ms m mx my 本来等效各向异性场(H)eff包括: a、磁晶各项异性Hk b、应力各向异性Hσ c、形状各向异性Hd 但为简单计,只考虑Hk。 二、损耗因子D=tgδ 为铁磁体在交变场中磁化时,能量的损耗与存贮之比,反映了铁磁材料磁损耗的性能。 常用比损耗系数: tgδ/ μ′表示软磁材料性能。 由于用 μQ 表征软磁材料的技术指标,故常用比损耗系数tgδ/ μ来表示软磁材料的相对损耗。其大小随使用频率而异,对Mn-Zn2000铁磁体,在100kHz时,要求: tgδ/ μi ≤ 30×10-6 三、 μQ=常数 用μQ乘积 表征软磁材料性能的另一个意义是把材料作为器件使用时,虽然μ与Q值变化,但μQ乘积不变。 实际工作中,往往用开隙的方法提高Q值,开隙后器件μ↓,但Q↑,而μQ乘积与开隙前相同,即: μ开Q开= μ封Q封=C (Snoek 公式) 其证明如下: l1 l2 四、动态椭圆磁滞回线与交变磁性物理量的关系 动态椭圆磁滞回线可以下式及图来表示: -Hc Hc Hm H B Bm Br 1 2 t B Bm t H Hm 第四节 动态磁化过程的磁损耗 一、磁损耗机理 磁材在交变场中会发热,——即磁材的能量损耗。一个磁性元件的总损耗应包括磁化线圈的铜损耗与材料本身的磁损耗。为区别铜耗,材料的能耗通称磁损耗。 W=We+Wh+Wr W既决定于材料,也决定于该材料在交变场中的工 作频率 f 及Bm,所以讨论W的大小指标时,须同时注明 f 、Bm以及温度T。 二、低频弱场下的磁损【B100Gs(0.01T)】 可利用列格公式(Legg公式)表示: 三、约旦损耗分离 指在低频弱场下对磁材的各种磁损耗进行分离。方法: 第一步:在不同Bm下测量等效电路的R与L,可得损耗曲线族。 ①、由曲线斜率得到e的大小 ②、将各线,纵截距为: f o Bm=常数 第二步:再由aBm+C(纵截距)对Bm作图 ①、由其斜率?a ②、纵截距?C 在不同的工作频率,各种损耗在总的磁损耗中所占比例不同,如:P404Fig7-12及表7-1。 Bm o aBm+C f P/f =W 四、中等磁场与强磁场下的磁损耗 磁化一周的磁损耗为: 第五节 涡流损耗与趋肤效应 在磁化过程中,由于磁化强度的变化导致其周围产生感应电流,并在铁磁体内形成闭合回路——涡流,它又产生抵抗B变化的磁场,导致时间滞后效应,产生涡流损耗。电阻率↑,We↓,故金属磁材的涡流损耗大于铁氧体的。 由涡流产生的磁场大小由表面向内部逐渐增加,故在均匀的H外中磁化时,铁磁体内部的实际磁场不均匀,所以铁磁体内的磁化及B也不均匀。B的振幅由铁磁体表面向内逐渐减弱——趋肤效应。 一、半无限大铁磁体内的涡流与趋肤效应 如图,其涡流与趋肤效应可用麦克斯韦方程来处理,其基本方程为: x y z 二、无限大铁磁薄片内磁场与涡流分布及损耗 如图一个厚度为2d的无限大铁磁薄片(硅钢片、破莫合金片),受到平行于平面的交变场H=Hmeiωt 作用,其内部H、J分布仍可用上述方法处理。 2d Jz x y z 注意,这里与半无限大铁磁导体的情况不同,x是在有限范围内变化的(-d≤x≤d),故此时两个解均不能忽略,其通解为: 第六节 磁滞损耗 交变场中,对磁材进行磁化,由于有磁滞现象就要损耗功率——磁滞损耗。 若只存在磁滞损耗,则磁滞回线的面积等于每磁化一周的磁滞损耗的数值,即: Wh=∮HdB 一、弱场即瑞利区范围(B 0.1Bs) 基本实验规律: (-) (+) Hm Bm H B 第七节 剩余损耗 前面指出,在低频弱场中,磁损耗可用列格公式表示: 在低频弱场区,c为常数。当f较高时,上式不再适用,其剩余损耗c不再是常数,有时表现为f的线性函数(因而c与e不易分离),有时表现为复杂的关系。 剩余损耗指除Pe与Ph之外的其他所有损耗。与μ的频散和铁磁共振有关。 低频或弱场中,主要表现为磁后效损耗。 较高频率下,主要包括尺寸共振损耗,畴壁共振损耗以 及自然共振损耗。 一、磁后效基本概念 如图:设t=0时,将外场Hm去掉,此时B并不立即从Bm降至Br,而是先立即降至B’,然后才逐渐达到平衡状态Br(通常测出的磁滞回线ABr是在平衡状态的值)。总的ΔB=B1+B2 B1:与时间无关 B2:后效部分,指在t=0开始, 由B’ 减小直到平衡态Br为 止变化的大小,是一种弛 豫过程。 所以,从t=0开始经过t秒后的磁感Bn(t)是反映磁后效的物理量。 ΔB B1 B2 B Bm B’ Br o t Bn t H Hm 0 Bm O B’ Br Hm H B A 第七章 动态磁化过程 第一节 铁磁体的动态磁滞回线、磁化曲线及B、H表达式 第二节 磁化时间效应与复数磁导率μ′,μ″ 第三节 标志交变磁性的相关物理量 第四节 动态磁化过程的磁损耗 第五节 涡流损耗与趋肤效应 第六节 磁滞损耗 第七节 剩余损耗 第八节 M矢量运动方程 结束放映 返回 第十节 磁畴的自然共振 第十一节 磁谱 第九节 畴壁动态特性 以前所讨论的磁化过程都是在准静态下进行的,考虑的是在给定的H下,样品从一个稳定磁化状态转变到新的平衡状态的结构,而不是考虑建立新的平衡态过程的时间问题(虽然说由于磁化过程部分不可逆,在准静态磁化中也出现磁滞,但其中各个磁化状态都是亚稳状态,并在不变的磁场下不随时间改变)。 而在许多实际应用中,磁材是在交变磁场作用下磁化的,因而要考虑磁化的时间效应。 在交变磁场作用下,各向同性的铁磁体的磁性能与在静磁场作用下的磁性能有很大的不同,表现在以下几方面: ● 静磁场中,其μ为一实数,但在交变H中由于存在磁滞效应、涡流效应、磁后效、畴壁共振及自然共振 等,它在交变H中的B比外加的交变H落后一相位,因而,其μ为复数( )。 ●各向同性的铁磁体在交变H中的复数磁导率,不仅随H的幅值与外加H的频率变化,而且在不同的频段,决定 的物理机制也很不同。 ●各向同性的铁磁体在交变场(尤其是高频交变场)中,往往处于交变磁场与交变电场的同时作用,而铁磁物质又往往也是电介质(如铁氧体),因而处于交变场中的铁磁体往往同时显示其铁磁性和电介性。 第一节 铁磁体的动态磁滞回线、磁化曲线及B、H表达式 一、动态磁滞回线、磁化曲线 铁磁体样品在周期(正弦周期)性变化磁场作用下,其磁化也周期性地反复变化——动态磁滞回线。此回线与静态H中的磁滞回线相似,但也有差别: a、动态磁滞回线面积较大 b、动态磁滞回线形状与大小随 f 的改变而变化。 原因:回线面积=反复磁化一周围所损耗能量。静态场中,损耗仅为磁滞~PH;动态交变场中,损耗为: PH+Pe+Pr 在同一频率下,改变交变场大小,可得一系列不同的动态磁滞回线,这些动态回线的顶点(Bm,Hm)的连接线称为动态磁化曲线。(如图) 动态磁化曲线上,有振幅磁导率:μm=Bm /μ0Hm 。 最大的回线——动态饱和磁滞回线(Bs、Hs、Br、Hc) 动态磁滞回线的形状与交变场的峰值Hm及其频率 f 有关,当Hm↓或 f↑时,回线的形状逐渐趋近于椭圆。 二、动态磁滞回线和B、H表达式 如下图,当交变电流通过线圈时,在样品内产生H与B。 t H B B H t t1 o t2(T/4) 3T/4 T t2(T/4) 3T/4 T t1 等效 Rx Lx 左图为铁磁样品内的磁化关系。由于线圈通以交变正弦电流,故样品内的H为: H=Hmsinωt 而由于B与H间的非线性关系,B表现为如图的复杂函 数关系:B=f (t),仍然是时间的周期性函数。(可按傅立叶级数展开) 一般而言,由于B与H的非线性关系,当H = Hmsin ωt时,除基波外,磁感应强度B与感应电压(由B的变化产生 )都将包含奇次项高次谐波,因而使感应电压讯号失真。实际工作中往往提出如何减小这些高次谐波的问题。 在简谐(正弦)变化的交变磁场作用下,B也是谐振(正弦)变化,但有一相位差。 -Hc Hc Hm H B Bm Br t H Hm t B Bm 第二节 磁化时间效应与复数磁导率μ′,μ″ 对于不同的铁磁体材料,磁化的难易程度各不相同,可用磁导率 μ 来描述这种性质。 稳恒场中, μ 为实数。 交变场中, μ 为复数。原因在于: 有一位相差δ(时间效应) 一、时间效应 技术磁化中所研究的是在一定磁场下的稳定磁化状态,因而完全不考虑磁化状态趋于稳定这一过程的时间问题。在恒稳磁场中,磁化不随时间变化。 而在交变场作用下,铁磁体处于迅变的H中,因此必须考虑时间效应。此时在交变场作用下,磁化状态趋于稳定需要一定的弛豫时间τ,而B落后于H一相位差 δ(=ω τ)——动态磁化的时间效应。 由于产生B落后于H一相位差 δ 的原因不同,故磁化的时间效应表现为以下几类不同的现象: 1、磁滞现象 虽然在不可逆的静态磁化过程中也有磁滞现象,但磁化不随时间变化,而交变磁场中的磁化是动态的,有时间效应。 2、涡流效应 由于在磁化过程中,每一磁化强度的变化都会在它周围产生感应电流,这种电流在铁磁体内形成闭合回路,构成涡流,而涡流会导致磁化的时间滞后效应,成为相差δ的来源之一。 3、磁导率的频散与吸收现象 在交变场作用下,铁磁体内的壁移与畴转受到各种不同性质的阻尼作用,因此在较高频率的交变场中,铁磁体的复数磁化率与复数磁导率将随 f 而变化。——称为磁导率的频散与吸收现象 4、磁后效及老化现象 铁磁材料在不同条件下,由于磁化过程本身或者热起伏的影响,引起内部磁结构或晶格结构的变化——称为磁后效。 其一种表现为:当H发生突变时,相应的B的变化在H已稳定后还需要若干时间才能稳定下来。(在低温下这一效应更为显著) 过很长时间的磁后效——老化现象 在交变场作用下,以上四种现象均会引起铁磁体中的能量耗损。 时间效应的测量方法: a、测量复数磁导率随交变场频率的变化 b、测量B与H的相位差δ或测量铁磁体的总损耗 c、测量H突变后B的的改变与时间的关系 二、复数磁导率 1、复数磁导率的导出 y x H 2、 μ′,μ″的物理意义(铁磁体的磁储能与磁损耗) 1)、磁储能 所以实部μ′相当于稳定场中的磁导率,又名弹性磁导率,决定了单位体积铁磁体在动态磁化过程中的磁能储藏量(μ0 μ′Hm2)。 2)、磁损耗 磁化一周期的能量损耗: ∴虚部 μ″(又叫粘滞磁导率)代表单位体积铁磁体内每磁化一周的磁能损耗(π μ0 μ″Hm2)。 因为交变场中B落后于H是由于损耗引起,故相位差δ——损耗角。 单位体积中的磁损耗的功率为: 3、复数磁导率μ′,μ″的测量(环形样品绕线圈) 将电流等效为一个R与L串联电路(忽略线圈本身电阻)。当交变电流 通过绕组时,线圈上产生感应电动势: 第三节 标志交变磁性的相关物理量 复数磁导率的μ′,μ″是交变磁性基本物理量 一、品质因数——Q值 由于软磁材料是作电感元件用的,为提高器件的电感值,增大磁感应通量,减小损耗,就要求铁磁材料的磁导率μ′及Q值高。常用Q μ′表示软磁材料的性能(Q μ′已达二百万)。 Q值是反映软磁材料在交变磁化时能量的贮存与损耗的性能。(这与电感线圈Q值的定义相同) 仍用前面的等效电路加以说明。 当峰值为Im 的电流通过Rx与Lx时,就有能量的损耗与存贮。

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