磁化物理知識(shí)學(xué)習(xí)

磁化物理知識(shí)學(xué)習(xí)

什么是磁化？什么是磁化率？什么是磁導(dǎo)率？什么是磁化強(qiáng)度？什么是磁

感應(yīng)強(qiáng)度？

目錄

前言..............................................................................I

I.什么是磁化？.................................................................2

2.什么是碳化強(qiáng)度？什么是磁化率？..............................................2

3.磁化強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度有什么區(qū)別？...........................................7

4.什么是磁導(dǎo)率？...............................................................8

5.磁導(dǎo)率和磁化率有什么關(guān)系？.................................................12

6.磁屏蔽材料應(yīng)該用高磁導(dǎo)率材料還是高磁化率材料？............................13

7.那么良好的磁屏蔽材料有哪些？...............................................13

8.那么磁化率高的材料有哪些？.................................................17

前言

相信很多朋友小時(shí)候都有這樣的經(jīng)歷，如果釘子或者針掉了，可以拿一塊

磁鐵在掉落的地面附近晃幾圈，很多時(shí)候釘子和針就吸在磁鐵上了，這叫磁鐵

尋物。

那么為什么磁鐵可以吸引釘子和針這種東西？

其實(shí)是釘子被磁化了，磁化后釘子內(nèi)部產(chǎn)生了磁場，這個(gè)磁場和磁鐵的磁

場相互吸引。

那么什么叫磁化？怎么衡量磁化的大??？

什么是磁化強(qiáng)度？

什么是磁感應(yīng)強(qiáng)度？

什么是磁導(dǎo)率？

什么是磁化率？

什么是磁滯？

什么是矯頑力？

什么是剩磁？

等等，問題太多。

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在上一篇關(guān)于《磁性的來源》中，我們有了對磁性的基本理解。

那么這篇，我們來看看這些基本的磁概念。

這有助于加深對磁場的理解，也有助于對磁鐵生產(chǎn)過程的理解(后續(xù)要寫

的)。

由于限于篇幅，本文先聊聊前面幾個(gè)問題。

L什么是磁化？

磁化是指在外部磁場的作用下，磁性材料內(nèi)部磁矩(點(diǎn)擊查看)的重新排列

過程，使材料獲得磁性或增強(qiáng)原有的磁性。

在非磁化狀態(tài)下，磁性材料中的磁矩(即微觀磁場的指向)通常是隨機(jī)分布

的，導(dǎo)致整個(gè)材料沒有宏觀的磁性。

當(dāng)外部磁場施加到磁性材料上時(shí)，磁矩會(huì)受到作用力，嘗試重新排列并和

外部磁場的方向?qū)R，這種重新排列的過程就是磁化。

磁化過程可以分為兩種情況：

磁矩與外部磁場方向相同：當(dāng)外部磁場與材料中的磁矩方向一致時(shí)，磁矩

會(huì)趨向于與外部磁場保持對齊。這稱為順磁化(paramagnetization),順磁性材

料的磁矩在外部磁場的作用下增強(qiáng)。

磁矩與外部磁場方向相反：當(dāng)外部磁場與材料中的磁矩方向相反時(shí)，磁矩

會(huì)趨向于與外部磁場反向排列。這稱為反磁化(diamagnetization),反磁性材料

的磁矩在外部磁場的作用卜.減弱。

磁化是磁性材料的基本特性，它決定了材料在磁場中的響應(yīng)能力和磁性

質(zhì)。

通過控制磁化過程，可以使磁性材料獲得特定的磁性能，例如生成強(qiáng)大的

磁場、實(shí)現(xiàn)磁存儲(chǔ)或磁傳感器等應(yīng)用。

2.什么是磁化強(qiáng)度？什么是磁化率？

上面我們知道了什么叫磁化，那么怎么衡量磁化的大小？

可以用3個(gè)物理量來衡量：

1.磁化強(qiáng)度(Magnetization)：磁化強(qiáng)度表示單位體積內(nèi)磁性物質(zhì)所具有的

磁矩。

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它是磁性材料對磁場的響應(yīng)能力的度量。

磁化強(qiáng)度的大小可以通過單位體積內(nèi)的磁矩總和來表示，磁化強(qiáng)度通常用

矢量M表示，單位是安培/米(A/m),它具有大小和方向，磁化強(qiáng)度的方向與

材料中磁矩的方向一致。

2.磁化率(MagneticSusceptibility)：磁化率是描述材料對磁場響應(yīng)能力的

物理量。

它表示單位體積內(nèi)的磁化強(qiáng)度與外部磁場強(qiáng)度之間的比例關(guān)系，用xm表

示，其大小可以衡量材料的磁化程度。

InducedMcqnetization

Forsomematerials,thenetmagneticdipole

momentperunitvolumeisproportionalto

theHfield

面=XmH

unitsof

MAGNETICbothMandH

SUSCEPTIBILITYareA/m.

(dimensionless)

Theeffectofanappliedmagneticfieldonamagneticmaterial

istocreateanetmagneticdipolemomentperunitVOIUT^品圮

磁化強(qiáng)度計(jì)算公式，其中xm表示磁化率，H表示外磁場，M表示材料的

磁化強(qiáng)度。

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MagneticA4ateria/s

magneticsusceptibilityXm

Allvaluesgivenforatemperatureof300K

DiamagneticIncaseofferromagneticmaterials:saturation

polarization

Paramagnetic

Ferromagneticnumberswithout():-10b

、心亨羅日?兄

numberswith():.]Q-9

不同元素磁化率的大小。

磁a化率定義為磁化強(qiáng)度與外部磁場強(qiáng)度H之間的比例關(guān)系:

xm=M/H

其中，M是磁化強(qiáng)度，H是外部磁場強(qiáng)度。磁化率表示單位體積內(nèi)的磁化

強(qiáng)度與外部磁場強(qiáng)度的比例。

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FundamentalsofMagnetism

CategoriesofMagnetism

?Canutilizethesusceptibility/tocategorizetypesof

magnetism:

-Xissmallandnegative(*-105TO6):DIAMAGNETIC

?examples:gold,copper,silver,bismuth,silica,many

molecules(andsuperconductors)

6

Xissmallandpositive(~10&orw):PARAMAGNETIC

?examples:aluminum,platinum,manganese

Xislargeandpositive(?1;50-10,000):FERROMAGNETIC

?examples:iron,cobalt,gadolinium

WILLBEREVISITEDLATERINTHISINTRODUCTION

■zr.zsPL|

2015IEEESummerSchool-June14-19.UniversityofMinnesota37

磁化率定義抗磁性順磁性和鐵磁性：抗磁性材料的磁化率很小且為為負(fù)

（與外場反向），順磁性材料的磁化率很小且為為正（與外場同向），鐵磁性材料

的磁化率很大且為正。

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PERIODICTABLE

Pr6HoEr

UAmCmBkCfEaFm

TYPESOFMAGNETICMATERIALSWITHEXAMPLES

FerrimagneticsAntiferromagnetlcs

BclFdQ..MnO,FeO,CoO.FeMn,MO.

BoO-dFeyOj.SrO-OFe^O)MnS.MnF,

Paramagnetics

DiamagnetlcsFerromagnetics

Platinum.Akjmimffn,Ak.

Copper.Mercury.Bismuth,

Sodium.Tin,Oxygen.iron.CobaltNkM.

Zinc.MagneaM<n.Gold.

HydrogenGadolinium,Dysprosium.

Silicon.Phosphorus.Water.

ErtAm,Ho?nlum

Graphite.Proteins

SummaryofMagneticProperties

|HDiamagnetic|HParamagnetic|HFerromagnetic

InducedmagneficmomentInducedmagneticmoment

isverysmall,hisorientedisvwysmafl.ItisorientedBelowTf,spinsare

intfwoppositedirectionintheparalMdirectionalignedparaiMin

tothemagneticheld.tothemagneticLmagneticdomaE

FerrimagneticAntiferromagnetic

BetowTc.apinsarealigned6e<owTt,spinsarealigned

Bntlp?r?llelbu<donotawwel?nttparalMInmagneticnv-

磁性材料的5大類別。

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磁化率可以是正值、負(fù)值或零，如果xm為正，則該材料是順磁性的。如

果xm為負(fù)，則該材料是抗磁性的。如果xm是可變的(并且非常大)，則該材

料是鐵磁性或亞鐵磁性的。分別對應(yīng)于不同的磁性行為：

正磁化率(PositiveMagneticSusceptibility)：當(dāng)磁化率為正時(shí)，材料對外部

磁場的響應(yīng)表現(xiàn)為順磁性(Paramagnetic)。順磁性材料在外部磁場的作用F，

磁化強(qiáng)度與外部磁場強(qiáng)度同向增加。

負(fù)磁化率(NegativeMagneticSusceptibility)：當(dāng)磁化率為負(fù)時(shí)，材料對外

部磁場的響應(yīng)表現(xiàn)為反磁性(Diamagnetic)。反磁性材料在外部磁場的作用下，

磁化強(qiáng)度與外部磁場強(qiáng)度反向減小。

零磁化率(ZeroMagneticSusceptibility)：當(dāng)磁化率為零時(shí)，材料對外部磁

場沒有明顯的響應(yīng)，表現(xiàn)為無磁性(Nonmagnetic)。

3.磁飽和(MagneticSaturation)：磁飽和是指磁性材料在外部磁場的作用

下達(dá)到最大磁化強(qiáng)度的狀態(tài)。當(dāng)材料達(dá)到磁飽和時(shí)，進(jìn)一步增加外部磁場將無

法再增加磁化強(qiáng)度，材料己充分磁化。

3,磁化強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度有什么區(qū)別？

如上面所說，磁化強(qiáng)度表示單位體積內(nèi)磁性物質(zhì)所具有的磁矩。磁化強(qiáng)度

是由磁性材料中的磁矩所引起的。磁矩是磁性材料內(nèi)部微觀電流環(huán)路產(chǎn)生的磁

場效應(yīng)，它是導(dǎo)致材料對外部磁場作出響應(yīng)的根本原因。當(dāng)外部磁場作用于磁

性材料時(shí)，磁矩會(huì)重新排列，使材料磁化。

磁化強(qiáng)度的大小可以通過單位體積內(nèi)的磁矩總和來表示。它通常用符號(hào)M

表示，單位是安培/米(A/m)。磁化強(qiáng)度的方向與磁矩的方向相同。

而磁感應(yīng)強(qiáng)度，也叫磁通密度，通常用符號(hào)B表示，是指通過垂直于某個(gè)

面積的磁通量(磁場線)除以該面積的大小，即單位面積上的磁通量。磁通量密

度表示了磁場在單位面積上的分市情況，單位為特斯拉(T)。

磁通密度描述的是磁場的強(qiáng)度和方向，它表示磁場在給定點(diǎn)的分布情況。

也就是說磁感應(yīng)強(qiáng)度(磁通密度)是由外部磁場和材料中的磁化強(qiáng)度共同決定

的。磁通密度通常用矢量B表示，它也具有大小和方向，磁通密度的方向表示

磁場的方向。

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MagneticSusceptibilityandPerrneabilitv

B=No(H+M)=/io(H+Xm甘)

Pr<hXm<0

DiamagnetismMagneticneutralmaterials

Linear(d.h.independentofH)Idealizedcase

temperaturedependency<<

Effect:veryweak

M=

Hr>l/Xm>0

Para-andantiferromagnetismFerro-andferrimagnetism

~Linear(exceptsaturation)Nonlinear/hysteresis

temperaturedependenttemperaturedependent

Effect:weakEffect:strong

9cbyMITOpcnCourscWore.

"丁=1+Xmistherelativepermeabilityofthematerial

?/r.羽笑

〃="必?isthepermeabilityofthematerial

磁感應(yīng)強(qiáng)度B的計(jì)算公式。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B=uO(H+M)o

而磁化強(qiáng)度M=H*xmo

把M帶入上式得到B=u0(H+H*xm)=u0*(1+xm)H=u0*ur*H

其中HO是真空中的磁導(dǎo)率。uo=4nX10-7H/mo

口r=(l+xm)是相對磁導(dǎo)率。

Pu0*nr=u0*(1+xm)就是材料的磁導(dǎo)率。

等等，什么是磁導(dǎo)率？

4.什么是磁導(dǎo)率？

材料的磁導(dǎo)率(Permeability)是指其自身與磁場對齊的能力。高磁導(dǎo)率表明

材料很容易將自身與磁場對齊。如果難以與磁場對齊，則稱該材料具有低碳導(dǎo)

率。

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AppliedFieldH

Permeabilityp=1

InducedFieldB=0

B<H

AppliedFieldH

Permeability|i>1

InducedFieldB=|ixH

B>H

鋁和鋼的磁導(dǎo)率及磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁通密度）對比示意圖，鋁的磁導(dǎo)率為1,

磁感應(yīng)強(qiáng)度小于外磁場，鋼的磁導(dǎo)率大于1,磁感應(yīng)強(qiáng)度大于外磁場。

磁導(dǎo)率也可以被認(rèn)為是材料被磁化的難易程度。材料的導(dǎo)磁率越高，越容

易磁化，因此它具有高導(dǎo)磁率。

黑色金屬材料會(huì)被永磁體吸引，因?yàn)橛来朋w會(huì)在黑色金屬材料中感應(yīng)出磁

性。永磁體的磁場和黑色金屬材料中新感應(yīng)的磁場相互吸引。

材料的磁導(dǎo)率表示外部磁場在材料中誘發(fā)內(nèi)部場的難易程度。內(nèi)場越強(qiáng)，

吸引力就越強(qiáng)。材料的磁導(dǎo)率不是恒定的，而是根據(jù)多種因素而變化的。這些

因素包括溫度、處理方式、施加的驅(qū)動(dòng)場強(qiáng)度和濕度等。

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低碳鋼中感應(yīng)出的磁場與施加的磁場相互作用，產(chǎn)生吸引力。在上面的圖

中，可以觀察到鋼中的磁通線更密集，磁通線在合金鋼中“彎曲”。

木材中的唯一場來自外部施加的磁場，不會(huì)感應(yīng)出新的場，因此沒有吸引

力。在圖中，并且沒有感應(yīng)場，通量線不會(huì)在木材中“彎曲”，它們穿過木

材，就好像它不存在一樣。

(?)Pr>1(b)%=1(C)/4r<1

DiamagneticMaterialParamagneticMaterialFerromaonetk:Material

&E."傍"內(nèi)

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從磁通量（磁感應(yīng)強(qiáng)度）角度來理解3種磁性：抗磁性：當(dāng)抗磁性材料受到

外磁場作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與外場方向相反的內(nèi)場，使其內(nèi)部的磁通密度略有降

低，例如水、汞、銀和秘。順磁性：當(dāng)順磁性材料受到外磁場作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生

與外場方向相同的內(nèi)部磁場，使其內(nèi)部的磁通密度略有增加，例如氧、鋰、鋁

和鈦。鐵磁：當(dāng)鐵磁性材料受到外磁場作用時(shí).，會(huì)產(chǎn)生與外場同方向的很強(qiáng)的

內(nèi)場，使其內(nèi)部的磁通密度大大增加，例如鐵、鉆、銀和軋。

磁導(dǎo)率可以分為絕對磁導(dǎo)率和相對磁導(dǎo)率兩種。

絕對磁導(dǎo)率（AbsolutePermeability）：絕對磁導(dǎo)率是指材料在磁場中的磁化

程度與外部磁場強(qiáng)度之間的比例關(guān)系。絕對磁導(dǎo)率常用符號(hào)u來表示，單位是

亨利每米（H/m）。絕對磁導(dǎo)率是材料固有的物理特性，與外部磁場強(qiáng)度無關(guān)。

相對磁導(dǎo)率（RelativePermeability）：相對磁導(dǎo)率是指材料在磁場中的磁化

程度與真空中的磁化程度之比。相對磁導(dǎo)率常用符號(hào)ur表示，它是絕對磁導(dǎo)

率與真空磁導(dǎo)率的比值，相對磁導(dǎo)率是無量綱的。相對磁導(dǎo)率是介質(zhì)相對于真

空的磁導(dǎo)率，用于描述介質(zhì)中磁場傳播的能力。真空磁導(dǎo)率是自然界中的一個(gè)

基本物理常數(shù)，通常用U0表示。其值約為4nxi0”-7）H/m（亨利/米）。

相對磁導(dǎo)率是一個(gè)無量綱量，它可以大于1（表示材料對磁場的增強(qiáng)響應(yīng)）

或小于1（表示材料對磁場的減弱響應(yīng)）。對于一些特殊的磁性材料，如鐵磁材

料，其相對磁導(dǎo)率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1,表示其在磁場中的磁化程度遠(yuǎn)高于真空c

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MaterialRelativePermeability

Iron(99.95%purity,

200,000.00

annealedinHydrogen)

Permalloy8,000.00

ElectricalSteel4,000.00

Ferrite640.00

NeodymiumMagnet1.05

Air1.00

Superconductors0二'"多日紀(jì)

幾種材料的相對磁導(dǎo)率。

磁導(dǎo)率與磁場強(qiáng)度和磁通量密度之間存在以下關(guān)系：

B=PHo其中，B是磁通量密度，H是磁場強(qiáng)度，LX是磁導(dǎo)率。

通過磁導(dǎo)率，我們可以計(jì)算在給定磁場強(qiáng)度下介質(zhì)中的磁通量密度，或者

在給定磁感應(yīng)強(qiáng)度下介質(zhì)中的磁場強(qiáng)度。不同的介質(zhì)具有不同的相對磁導(dǎo)率，

它們對磁場的傳播和相互作用具有不同的影響。

磁導(dǎo)率在電磁學(xué)、磁學(xué)、材料科學(xué)和工程等領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，

例如在電感器設(shè)計(jì)、磁路分析、電磁波傳播等方面。

5.磁導(dǎo)率和磁化率有什么關(guān)系？

記住一句話就可以了：“磁化難易程度”不等于“磁化強(qiáng)度”。雖然某些

材料容易磁化，但并不意味著它們會(huì)展現(xiàn)出強(qiáng)大的磁性。

容易磁化的材料通常具有高的磁導(dǎo)率和較低的磁滯，這意味著它們在外部

磁場的作用下容易被磁化。然而，磁化強(qiáng)度取決于材料的磁化率和體積磁化強(qiáng)

度之間的乘積。

磁化率是描述材料對外部磁場響應(yīng)的能力，它與材料的磁性特性相關(guān)。而

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體積磁化強(qiáng)度表示單位體積內(nèi)的磁化程度。因此，即使材料容易磁化，如果它

的磁化率較低或體積磁化強(qiáng)度較小，它的總磁化強(qiáng)度可能仍然較低。

強(qiáng)磁體通常是指具有高磁化強(qiáng)度的材料，這意味著它們在外部磁場下能夠

實(shí)現(xiàn)較高的磁化。一些強(qiáng)磁體材料，如永磁材料，具有高磁化率和較大的體積

磁化強(qiáng)度，使其能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)大的磁性。

因此，磁化難易程度和磁化強(qiáng)度之間的關(guān)系并不是簡單的因果關(guān)系。材料

的磁化強(qiáng)度是由多個(gè)因素共同決定的，包括磁化率、體積磁化強(qiáng)度、晶體結(jié)構(gòu)

等。只有在這些因素協(xié)同作用下，才能實(shí)現(xiàn)高磁化強(qiáng)度的材料，而磁化難易程

度只是其中的一個(gè)因素。

6.磁屏蔽材料應(yīng)該用高磁導(dǎo)率材料還是高磁化率材料？

在磁屏蔽應(yīng)用中，一般選擇具有高磁導(dǎo)率的材料，而不是高磁化率的材

料。這是因?yàn)榇牌帘蔚哪繕?biāo)是吸收或偏轉(zhuǎn)磁場，以減少外部磁場對特定區(qū)域的

影響，而不是產(chǎn)生強(qiáng)磁場。

高磁導(dǎo)率的材料對磁場具有較好的響應(yīng)能力，可以吸收磁場并將其導(dǎo)引到

材料內(nèi)部，從而減少磁場通過材料的傳遞。磁導(dǎo)率高的材料可以有效地吸收磁

能，減小磁場的傳播和滲透。

相反，高磁化率的材料通常是指具有較高磁化強(qiáng)度的材料，它們在外部磁

場作用下能夠?qū)崿F(xiàn)較高的磁化。這種材料更適合用于制造強(qiáng)磁體或磁性元件，

而不是磁屏蔽應(yīng)用。

因此，為了實(shí)現(xiàn)有效的磁屏蔽效果，選擇具有高磁導(dǎo)率的材料是更合適的

選擇。一些常用的高磁導(dǎo)率材料包括鐵、銀、鉆和其合金等。這些材料具有良

好的磁導(dǎo)率，可以有效地吸收和導(dǎo)引磁場，從而實(shí)現(xiàn)磁屏蔽的目的。

總的來說，磁屏蔽材料需要具有高磁導(dǎo)率，以吸收和導(dǎo)引磁場，減少磁場

的傳播。而磁鐵或其他需要產(chǎn)生強(qiáng)磁場的應(yīng)用則需要選擇具有高磁化強(qiáng)度的材

料，以實(shí)現(xiàn)較高的磁化和產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場。

7.那么良好的磁屏蔽材料有哪些？

良好的磁屏蔽材料應(yīng)具有高磁導(dǎo)率、以及良好的磁滯特性。

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磁屏蔽層的厚度和磁屏蔽效果示意圖，當(dāng)厚度增大到一定的程度，可以完

全屏蔽磁場穿透到右邊區(qū)域。

由空間磁場及采用磁屏蔽墻和磁屏蔽環(huán)時(shí)磁場示意圖。

以下是一些常用的磁屏蔽材料：

鐵：純鐵具有較高的磁導(dǎo)率，是常見的磁屏蔽材料。它可以有效地吸收和

屏蔽磁場。純鐵常用于制造磁屏蔽板和屏蔽外殼。

銀鐵合金（坡莫合金）：坡莫合金是一種特定類型的銀鐵合金，通常含有較

高百分比的銀（約80-90%）和較低百分比的鐵（約10-20%）。它以其高磁導(dǎo)率

和優(yōu)異的軟磁性能而聞名。由于坡莫合金能夠有效地衰減和改變磁場方向，因

此通常用于磁屏蔽應(yīng)用，常用于制造磁屏蔽箔、屏蔽外殼和電子元件。

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復(fù)雜形狀的沖裁曲面的貼合卷繞

多羅日記

超薄坡莫合金箔，厚度從10um起。圖尸來自：https：

//www.daido.co.jp/cn/products/permalloy/index.html

STARPAS?-PC2S適用于高敏感度用途

1CM-BK

，體?MCRF2）|UHFRFID|

應(yīng)用

事性田鼠（■業(yè)）I?磁力儼軍（伯息?）][iflti護(hù)罩（電愛）>v4a??（'i'.a）

1,000,000

PC城莫合金箔（50umt以下）

STARPAS*

透

碳

率

(

實(shí)

部

)

DF42N坡莫合金箔（30umt以下）

STARPAS*

103001000001000000

磁*聲的高速動(dòng)作

育業(yè)中E