磁滞回线
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我们从最基本的磁性概念开始。许多材料(如铁、钴、镍及其合金)在外部磁场中会被强烈磁化,即使撤去外磁场,其磁性也不会完全消失,这种性质称为铁磁性。描述材料磁化程度的物理量是磁化强度M(单位体积内的净磁矩),而外部施加的磁场强度用H表示。
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现在考虑一个初始未被磁化的铁磁体。当外加磁场H从零开始逐渐增大时,其磁化强度M会沿着一条曲线从原点开始增加,这条曲线称为初始磁化曲线。起初M增加较慢,随后快速增加,最后趋于平缓,达到饱和磁化强度Ms。此时,材料内部所有原子磁矩都沿外场方向排列整齐。
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关键步骤来了。当材料达到饱和后,如果我们开始减小外磁场H,磁化强度M并不会沿着初始曲线原路返回,而是沿着一条更高的曲线下降。当H减小到零时,M并不为零,而是保持一个正值,这个值称为剩余磁化强度Mr(简称剩磁)。这意味着材料“记住”了之前的磁化状态。
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为了将材料的磁化强度M降为零,我们必须施加一个反向的磁场。这个使M降为零所需的反向磁场强度,称为矫顽力Hc(或称矫顽场)。它反映了材料抵抗退磁的能力。
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继续增大反向磁场H,材料将在反方向上达到饱和(-Ms)。然后,将反向磁场减小到零,再施加正向磁场并增大,M会沿着一条对称的路径变化,最终回到正向饱和点(Ms)。这样,磁场H经历一个完整的循环(从+H到-H再到+H),磁化强度M随之变化形成的闭合曲线,就称为磁滞回线。“磁滞”意指M的变化滞后于H的变化。
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磁滞回线包围的面积具有明确的物理意义:它等于使材料磁化状态经历一个完整循环时,单位体积材料所消耗的能量。这部分能量以热的形式耗散掉。因此,回线面积直接反映了材料的磁损耗大小。
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根据磁滞回线的形状特征(主要是矫顽力Hc的大小),铁磁材料可分为两大类:硬磁材料(永磁材料)具有宽而大的磁滞回线,Hc很大,Mr也大,一旦磁化很难退磁;软磁材料具有窄而小的磁滞回线,Hc很小,磁损耗低,易于磁化和退磁。前者用于制造永磁体,后者用于变压器铁芯、电磁铁等。
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磁滞现象的微观根源在于材料内部存在的磁畴(即自发磁化方向一致的小区域)以及畴壁的运动阻力。磁化过程涉及畴壁的不可逆移动和磁畴磁矩的不可逆转动,这些过程需要克服缺陷、应力等造成的“势垒”,从而导致能量损耗和M对H的滞后响应。