鐵磁材料的磁化過程

1. 磁疇結構

鐵磁材料在微觀領域可自發(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成。但是，即使在技術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，如晶粒結構、晶粒尺寸、存在的雜質(zhì)和局部應力，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：退磁磁場的相應能量。

2）磁晶能：各向異性晶體相應能量。

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 給出了形成疇結構的過程——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，磁疇結構非常復雜。

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（或磁感應強度 B）和磁場強度 H 之間的關系。它包含給定磁性材料的基本信息，通常可在材料目錄中查出。

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。

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"。注意與疇壁運動有關的不連續(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構和機械壓力，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，磁場強度和磁感應強度都可以是非正弦的。因此，關系式 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，剩磁感應強度和矯頑力應盡可能高，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。