神奇的磁滞回线和磁特性

三、神奇的磁滞回线和磁特性

人们常常这样认为，能为磁性材料提供大量信息、最重要的特征曲线就是磁化曲线和磁滞回线，这是磁性材料最基本的磁特性参数。磁场强度H和磁感应强度B关系的一条闭合曲线（B-H），被称为“磁滞回线”。

磁化曲线和磁滞回线是怎样形成的呢？把一块铁磁性材料放入磁场强度为H的磁场进行磁化，随H的增大，磁性材料所获得的磁化强度矢量M和磁感应强度B的大小的变化如图6-13所示，当H达Hs时，M和B达到Ms和Bs，若再增大H，Ms和Bs的值几乎不再变化，此时我们说该材料已达磁化饱和；若减小外场H，M和B并不沿初始磁化曲线返回，当外加磁场减小到零时，材料仍保持一定大小的磁化强度矢量和磁感应强度，用Mr和Br表示，简称为剩磁（即剩余磁化强度矢量和剩余磁感应强度）。在反向增加磁场，M和B继续减小。当反向磁场达到一定值时，满足M=0或B=0，那么该磁场强度称为矫顽力，分别记作MHc和BHc，它们具有不同的物理意义，MHc表示M=0时的矫顽力，又称为内禀矫顽力；BHc称为磁感矫顽力。继续增大H，磁性材料达反向饱和，同理可以使材料再达正向饱和，就形成了磁滞回线（如图6-12、图6-13所示）。

图6-12　磁性材料的磁滞回线

图6-13　磁性材料的磁化曲线和磁滞回线

用各种大小不同的外磁场进行“磁锻炼”可以得到各种大小的磁滞回线，如图6-14所示这些磁滞回线顶点的连线就称为基本磁化曲线，这一曲线呈现非线性，并分为起始段、线性段与饱和段。

现在，我们来看一看B-H回线和磁畴的关系：一块处于去磁状态的磁性材料（B=0，H=0，如图6-15所示）。加一个弱的磁场后，便会推动那些在H方向上有最大磁化强度M分量的磁畴扩大体积。而将对于小磁场H做出响应所产生的初始磁感应强度定义为初始磁导率μ_i=(B/H)_H≈0。

图6-14　铁磁材料的基本磁化曲线 →

图6-15　表示B随H变化的磁滞回线（右上图为去磁状态、右下图为趋近于饱和状态畴结构的示意图）μ _i —初始磁导率；Br—剩磁；Hc—矫顽力

在磁滞回线中，矫顽力Hc决定了回线的宽度，剩磁Br或剩磁比Br/Bs则决定了回线的高度，磁导率μ_i和μ_max可分别从磁化曲线获得。磁滞回线还是电气产品和电力设备进行设计和选材的重要依据。例如，在设计永磁磁路时，为了使磁体处于最佳工作状态，需要将磁体的静态工作点选在最大磁能积（BH）max处；在磁放大器、磁调制器的选材时，要求Br/Bs接近1（Bs为材料的饱和磁感应强度）；在用做单极性脉冲变压器的铁心时，又要求Br/Bs接近0。而（BH）max及Br/Bs的获得必须以磁滞回线为基础，可见，材料的磁滞回线对生产实践具有极其重要的指导意义。

如图6-16（a）所示给出了一个用磁力显微技术测得的外延Cu/200nm Ni/Cu（0001）镍铜薄膜的磁畴图形。在这个迷宫状的花样中，磁畴的宽度近似为110 nm。如图6-16（b）所示则是一个平面内（平行于易磁化平面）和平面外（垂直于易磁化平面）磁化回线，它清晰地指出这个镍膜优先平面内磁化。这是由磁性材料的磁晶各向异性所决定的。

图6-16　用MFM（磁力显微镜）从外延Cu/200nm Ni/Cu（001）薄膜表面上方边缘场测得的磁畴花样（a）与利用振动试样测磁术得到的（a）薄膜的M-H回线（b）

不同铁磁材料具有不同形状的磁滞回线（如图6-17所示）。通常将磁滞回线面积大的称为“硬磁”，作为永磁体在各类电子设备，比如电机和各类仪器、仪表中广泛应用，此类材料的磁滞损耗较大；另一类材料的磁滞回线面积小，尤其是磁滞回线的“腰”（矫顽力：Hc）小，称为“软磁”，具有磁滞损耗小的特点，它适用于制作电子设备中的各种变压器、镇流器、电感元件的铁芯等。

图6-17　不同形状（宽度）的磁滞回线决定材料的软磁或是硬磁特性

现代人要求个性化，自然界也是千姿百态、奇妙无比的。磁特性也具有各种类型的各向异性：如磁晶的各向异性、磁伸缩的各向异性、形状的各向异性等。这些种种的各向异性都会影响磁性材料的磁滞回线的形状和磁性能，最终造就了材料的或软或硬的磁特性。