三、神奇的磁滯回線和磁特性

人們常常這樣認(rèn)為，能為磁性材料提供大量信息、最重要的特征曲線就是磁化曲線和磁滯回線，這是磁性材料最基本的磁特性參數(shù)。磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B關(guān)系的一條閉合曲線（B-H），被稱為“磁滯回線”。

磁化曲線和磁滯回線是怎樣形成的呢？把一塊鐵磁性材料放入磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的磁場(chǎng)進(jìn)行磁化，隨H的增大，磁性材料所獲得的磁化強(qiáng)度矢量M和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小的變化如圖6-13所示，當(dāng)H達(dá)Hs時(shí)，M和B達(dá)到Ms和Bs，若再增大H，Ms和Bs的值幾乎不再變化，此時(shí)我們說該材料已達(dá)磁化飽和；若減小外場(chǎng)H，M和B并不沿初始磁化曲線返回，當(dāng)外加磁場(chǎng)減小到零時(shí)，材料仍保持一定大小的磁化強(qiáng)度矢量和磁感應(yīng)強(qiáng)度，用Mr和Br表示，簡(jiǎn)稱為剩磁（即剩余磁化強(qiáng)度矢量和剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度）。在反向增加磁場(chǎng)，M和B繼續(xù)減小。當(dāng)反向磁場(chǎng)達(dá)到一定值時(shí)，滿足M=0或B=0，那么該磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為矯頑力，分別記作MHc和BHc，它們具有不同的物理意義，MHc表示M=0時(shí)的矯頑力，又稱為內(nèi)稟矯頑力；BHc稱為磁感矯頑力。繼續(xù)增大H，磁性材料達(dá)反向飽和，同理可以使材料再達(dá)正向飽和，就形成了磁滯回線（如圖6-12、圖6-13所示）。

圖6-12　磁性材料的磁滯回線

圖6-13　磁性材料的磁化曲線和磁滯回線

用各種大小不同的外磁場(chǎng)進(jìn)行“磁鍛煉”可以得到各種大小的磁滯回線，如圖6-14所示這些磁滯回線頂點(diǎn)的連線就稱為基本磁化曲線，這一曲線呈現(xiàn)非線性，并分為起始段、線性段與飽和段。

現(xiàn)在，我們來看一看B-H回線和磁疇的關(guān)系：一塊處于去磁狀態(tài)的磁性材料（B=0，H=0，如圖6-15所示）。加一個(gè)弱的磁場(chǎng)后，便會(huì)推動(dòng)那些在H方向上有最大磁化強(qiáng)度M分量的磁疇擴(kuò)大體積。而將對(duì)于小磁場(chǎng)H做出響應(yīng)所產(chǎn)生的初始磁感應(yīng)強(qiáng)度定義為初始磁導(dǎo)率μ_i=(B/H)_H≈0。

圖6-14　鐵磁材料的基本磁化曲線 →

圖6-15　表示B隨H變化的磁滯回線（右上圖為去磁狀態(tài)、右下圖為趨近于飽和狀態(tài)疇結(jié)構(gòu)的示意圖）μ _i —初始磁導(dǎo)率；Br—剩磁；Hc—矯頑力

在磁滯回線中，矯頑力Hc決定了回線的寬度，剩磁Br或剩磁比Br/Bs則決定了回線的高度，磁導(dǎo)率μ_i和μ_max可分別從磁化曲線獲得。磁滯回線還是電氣產(chǎn)品和電力設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和選材的重要依據(jù)。例如，在設(shè)計(jì)永磁磁路時(shí)，為了使磁體處于最佳工作狀態(tài)，需要將磁體的靜態(tài)工作點(diǎn)選在最大磁能積（BH）max處；在磁放大器、磁調(diào)制器的選材時(shí)，要求Br/Bs接近1（Bs為材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度）；在用做單極性脈沖變壓器的鐵心時(shí)，又要求Br/Bs接近0。而（BH）max及Br/Bs的獲得必須以磁滯回線為基礎(chǔ)，可見，材料的磁滯回線對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐具有極其重要的指導(dǎo)意義。

如圖6-16（a）所示給出了一個(gè)用磁力顯微技術(shù)測(cè)得的外延Cu/200nm Ni/Cu（0001）鎳銅薄膜的磁疇圖形。在這個(gè)迷宮狀的花樣中，磁疇的寬度近似為110 nm。如圖6-16（b）所示則是一個(gè)平面內(nèi)（平行于易磁化平面）和平面外（垂直于易磁化平面）磁化回線，它清晰地指出這個(gè)鎳膜優(yōu)先平面內(nèi)磁化。這是由磁性材料的磁晶各向異性所決定的。

圖6-16　用MFM（磁力顯微鏡）從外延Cu/200nm Ni/Cu（001）薄膜表面上方邊緣場(chǎng)測(cè)得的磁疇花樣（a）與利用振動(dòng)試樣測(cè)磁術(shù)得到的（a）薄膜的M-H回線（b）

不同鐵磁材料具有不同形狀的磁滯回線（如圖6-17所示）。通常將磁滯回線面積大的稱為“硬磁”，作為永磁體在各類電子設(shè)備，比如電機(jī)和各類儀器、儀表中廣泛應(yīng)用，此類材料的磁滯損耗較大；另一類材料的磁滯回線面積小，尤其是磁滯回線的“腰”（矯頑力：Hc）小，稱為“軟磁”，具有磁滯損耗小的特點(diǎn)，它適用于制作電子設(shè)備中的各種變壓器、鎮(zhèn)流器、電感元件的鐵芯等。

圖6-17　不同形狀（寬度）的磁滯回線決定材料的軟磁或是硬磁特性

現(xiàn)代人要求個(gè)性化，自然界也是千姿百態(tài)、奇妙無比的。磁特性也具有各種類型的各向異性：如磁晶的各向異性、磁伸縮的各向異性、形狀的各向異性等。這些種種的各向異性都會(huì)影響磁性材料的磁滯回線的形狀和磁性能，最終造就了材料的或軟或硬的磁特性。