每周一磁 · 磁滞回曲线和内禀退磁曲线(B-H曲线和J-H曲线)

永磁材料有两个显著特征,一是在外磁场作用下能被强烈磁化,另一个是磁滞,即撤走外磁场后材料仍保留磁化状态。外磁场的变化与永磁体磁性变化之间的关系可以用两条曲线来描述,即磁滞回线(B-H曲线)和内禀退磁曲线(J-H曲线)。
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上期每周一磁栏目向大家介绍了磁感应强度B和磁极化强度J这两个概念,我们先来简单回顾一下:

  • 磁感应强度B:当铁磁性或亚铁磁性物质放在磁场中磁化时,在物质内除了磁场外,由于强磁性物质原子磁矩转向外磁场方向,它在物质内部产生了附加的磁场M。外磁场和此时附加磁场的总和称为磁感应强度B。B=μ0(H+M)
  • 磁极化强度:单位体积磁性介质的磁偶极矩,也称内禀磁感应强度,符号为Bi或J。J=μ0M

磁滞回曲线

当磁场按Hs→Hc→O→-Hc→-Hs→-Hc→O→Hc→Hs次序变化,相应的磁感应强度B则沿闭合曲线S-HcS`HcS变化,这闭合曲线称为B~H曲线(磁滞回线)。

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1. 起始磁化曲线

图中的原点0表示磁化之前硬磁物质处于磁中性状态,即B=H=0,当磁场H从零开始增加时,磁感应强度B随之缓慢上升,如线段oa所示,继之B随H迅速增长,如ab所示,其后B的增长又趋缓慢,并当H增至Hs时,B到达饱和值Bs,这条红色曲线称为起始磁化曲线。

2. 磁滞

当磁场从Hs逐渐减小至零,磁感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到“0”点,而是沿另一条新的曲线sr下降,比较线段os和sr可知,H减小B相应也减小,但B的变化滞后于H的变化,这现象称为磁滞,磁滞的明显特征是当H=0时,B不为零,而保留剩磁Br。

3. 退磁曲线
当磁场反向从O逐渐变至-Hc时,磁感应强度B降为0,说明要消除剩磁,必须施加反向磁场,Hc称为矫顽力,它的大小反映磁性材料保持剩磁状态的能力,紫色线段称为退磁曲线。

内禀退磁曲线

外磁场H变化引起磁体磁感应强度B变化的同时,磁极化强度J也在发生变化,可以用J~H曲线来描述两者之间的关系,它是反应永磁材料内在磁性能的曲线,称为内禀退磁曲线,简称内禀曲线。内禀退磁曲线上磁极化强度J为0时,相应的磁场强度称为内禀矫顽力Hcj。

通常我们看到的磁材厂家提供的磁体退磁曲线,就是JH曲线和BH曲线在坐标系第二象限的情况。
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1. 膝点Hk
从图中我们不难发现,当反向外磁场不断增大时,磁体的磁极化强度下降的非常缓慢,但当外磁场大于某一值后,磁极化强度会快速下降,通常我们将退磁曲线上Ji=0.9Br的点称为退磁曲线的弯曲点或膝点,这一点对应的磁场为Hk,也称为膝点(knee)矫顽力。当外磁场大于Hk时,磁体性能将发生不可逆的损失,这也是Hk值受到关注的原因。

2. 退磁曲线方形度Q

我们用Hk与HcJ的比值(Hk/HcJ)来表示退磁曲线的方形度Q,Q的取值范围在0~1之间,Q越接近于1,退磁曲线越接近于方形,通常我们认为方形度Q>0.9的产品才算合格产品。

3. 不同温度下的退磁曲线

一般说来,永磁材料生产厂家会提供各牌号产品在不同使用温度下的退磁曲线,如下图。看似复杂,但本质就是将多个退磁曲线和内禀曲线放在一张图上呈现。

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