磁特性与磁性材料

磁特性与磁性材料磁特性与磁性材料 第8章磁特性與磁性材料8 1磁性理論8 2磁性材料分類8 3磁特性8 4 軟磁材料8 5硬磁材料8 6鐵氧磁體8 7特殊磁性材料是重要的電工材 料之一 除了在傳統的電機應用上扮演重要角色外 在先進的電子 資訊工程領域中 亦扮演重要角色 磁性材料P2 2電子材料2 1磁性理論材料的磁性理論 一般的基本電學與電磁學 已有詳盡的介紹 以下我們簡單摘要磁性理論相關的物理量 材料內的磁學有關的物 理量與單位依據電磁學的安培迴路定律可知 電流迴路會在週圍產 生磁場 磁場強度H與電流i的關係為 的磁通密度為B 即單位面積 通過的磁通量 B的單位為韋伯 米2 104高斯 在真空中B與H的關係可寫成HB0 permeability 0104 亨利 米 ciHdl H的單位為安培 米 3104 1 奧斯特 相對感應 0為真空中的導磁係數 magic7 導磁係數在固體磁性材料內 既使 沒有外加磁場 仍有磁的現象 這是因為材料內部有另一種磁的來 源 電子在原子軌道上運動與本身自旋所產生的磁距 magic moment 也會對磁通量密度有貢獻 因此可視為另一種磁的來源 磁距的大小iAm i為電子環狀運行產生的等效電流 A為軌道面積 在巨觀尺度上 我們定義材料內單位體積的磁矩M 稱為磁化強度 m agization M與外加磁場H的關係可寫成HMm 其中 m為磁化係數 magic susceptibility 在加入磁化強度M後 B與H的關係改寫成 H HHHHMHBr 0 0001mm其中相對導磁係數 m 由上述公式的推導可知 材料的磁通量密度B性和與導磁係數 有密 切的關係 mr 1 導磁係數 mr 0 10磁化係數磁性材料是 依其磁特性來做分類 依照簡化的原子模型 電子以一特殊的圓形軌道繞著原子核做圓周 運動 電子本身並做自旋運動 此外 原子核本身亦做自旋運動 由於電荷運動會產生電流 電子的這些軌道與自旋運動相當是原子 尺度的電流迴路 一電流迴路會產生一個類似電偶極的磁偶極 因此每個原子的磁偶極矩可視為電子軌道運動 電子自旋 原子核 自旋所產生磁偶極的總和 由於原子核的質量較重 所以原子核自旋的速度遠小於電子自旋的 速度 因此原子核自旋對應的電流遠小於電子自旋的等效電流貢獻 所以 原子核自旋所造成的磁偶極相對其它兩個效應相比 可以忽略 見圖2 32 a 與 b 磁偶極的強度可用磁偶極矩m來表示 如圖2 32磁偶極圖示 a 沿軸 方向看 b 由側面看HB 2 102 r與 定義為 rm 1 2 103 和 0 r 2 104 r為磁性材料的相對導磁係數 relative permeability 為導磁係數 導磁係數已經包含材料的磁化效應 因此H在真空與磁性介質的兩種情形皆相同 B則不同 必須使用 取代 0 然而 一般情形並非如此簡單 因為磁性物質改變原始場的分佈 在範例2 11的情形 原始場不會受到磁性材料的改變 同樣地 在非磁均勻磁化率的情形中 相當磁性物質內有一等效的 磁體積電流 加上邊界上的表面電流 然而 這都只要計算導磁係數即可 對非等向性磁性材料 H與B不平行 且兩者的關係可用矩陣表示BBB HHHxyzxxxyxzyxyyyzzxzyzzxyz 2 107 這種情況正如同非等向性介電材料的D 與E關係 磁的單位磁物理量SI制cgs制磁通密度B 高斯 Gauss 磁場強度H 奧 斯特 Oe 磁化強度M P2 4電子材料2 2磁性材料分類反磁性反磁性 diamagism 許多材料內一 個原子的淨磁偶極矩為零 即各種的電子軌道和自旋運動所造成的 磁偶極矩的平均總和為零 這些材料在外加磁場時 會感應一反向的淨磁偶極矩 這種磁化稱 為反磁性 diamagism 反磁性一般都非常微弱 磁化係數 的數量級僅約10 5 只有其它型式的磁性都顯現不出來時 才會被觀察出來 在電工材 料的用途並不大 事實上所有的材料都具有此一特性 例如常見的導電金屬如銅 Cu 銀 Ag 金 Au 等材料 皆顯現反磁性 順磁性順磁性 paramagism 些材料既使在無外加磁場下 每個原子 具有不為零的淨磁矩 雖然每個原子的磁矩不為零 然而方向為散亂分佈 致使巨觀的淨 磁矩為零 當有外加磁場時 每個各別的磁偶極矩受到一力矩作用 而使其朝 磁場方向轉動 如圖2 33所示 這種磁化現象稱為順磁性 paramagism 順磁性的磁化係數 數量級約在10 3 10 5 常見顯現順磁性的導電金屬如銅 Cu 銀 Ag 金 Au 等材料 一般順磁性的用途不大 絕熱去磁 超低溫冷凍技術 可將溫度降 低到1 K以下 原理是一定溫度下 順磁性材料內的磁距排列 因外加磁場作用變 得更有序 可降低系統熵 亂度 當移走磁場 因系統絕熱 不增 加熵 不破壞磁距排列亂度 此外 其它還有一類磁性材料 例如鐵磁性 ferromagic 反鐵磁 性 antiferromagic 以及鐵氧磁性 ferrimagic 等 這些材料既使在無磁場的情況下 也顯示永久磁化現象 鐵磁性鐵磁性 ferromagic 由於電子自旋動量大於軌道角動量 因此具有很強的磁偶極矩 鐵磁性的理論是以魏斯 Weiss 於1907年提出的 磁田 magic domain 的觀念為基礎 磁田是材料中的一個小區域 由於內部相臨的磁偶極矩彼此產生其 磁偶極矩均指向同一方向強交互作用場 致使磁偶極矩均指向同一 方向 若無外加磁場 雖然每一個磁田都被磁化至飽和 但各個磁田的磁 化方向是散亂分佈 如圖2 35 a 因此巨觀的淨磁化為零 若外加一較弱的磁場 與磁場同方向的磁田體積會延伸擴大 而其 它方向的磁田則會逐漸縮小 如圖2 35 b 這就是磁田壁 domain wall 移動的現象 若將外加磁場移去 則磁田壁朝反方向移動 材料恢復為原有的未 磁化狀態 若外加一強磁場 磁田壁繼續延伸 變成不可逆的狀態 也就是說即使移去外加磁場 材料也無法恢復為原有的未磁化狀態 如果磁場繼續增強 磁化過程中除了磁田壁移動外 還會伴隨磁田 旋轉現象的發生 即與外加磁場不同方向的磁田 磁化方向會旋轉 到與磁場平行的方向 如圖2 35 c 所示 因此材料可以磁化至飽和 狀態 此時 即使移去外加磁場 材料仍會保有沿磁場方向的磁化 這時候如果想把材料恢復到先前未磁化的狀態 就必須再加一反向 磁場 才能將淨磁化降到零 圖2 35鐵磁性材料的磁化步驟 a 未磁化狀態 b 磁田壁移動 c 磁田 轉動鐵氧磁性P2 6電子材料2 9磁特性磁化過程磁化 磁偶極子磁滯曲線現在讓我們討 論鐵磁材料B與H的關係 圖2 36為一典型的材B與H關係的曲線 此一曲線即為磁滯曲線 又 稱B H曲線 為了模擬磁滯效應的演變 首先我們從未磁化的鐵磁材料開始 這 時候B與H皆為零 相當曲線上的a點 當H增加 磁化建立 B沿ab曲線漸增而到達飽和點b 根據較早討論我們將磁化分為下列幾個步驟 1 磁田壁的可逆運動 2 磁田壁的不可逆運動 3 磁田旋轉 磁化過程對應遲滯曲線的各區域 我們分別標上1 2 與3 如圖2 36所示 如果H值減到零 B值不會沿ab回來 而是沿著bc曲線回來 表示磁 場完全移去後 材料仍會殘留磁化量 事實上 必須在反方向加一磁場 才能將B帶回零值 如曲線cd所示 在c點的B值稱為剩磁 remanence 或頑磁力 retentivity 其中的d點的H值為抗磁力 coercivity 若在反方向再增加H值 會使B值在反方向達到飽和點 如曲線de部 份 若再減少H值到零 則B會增加 相當於曲線efgb 因此完成了磁滯 曲線 圖2 36鐵磁材料的磁滯曲線磁滯曲線矯頑力飽和磁感應殘餘磁感應B H最大乘積磁晶異向性材料的結晶方向也會對鐵磁材料的磁化造成影 響 例如圖9 x WFS p842 顯示BCC結構的鐵 Fe 在結晶方向是容易磁化方向 因 此在極低的磁場下 很容易就可以達到飽和磁感應B 在結晶 方向是困難磁化方向 必須在極高的磁場下才能達到磁感應B 此外 FCC結構的鎳 Ni 也具有磁晶異向性 但它的容易磁化方向在 困難磁化方向在 在一般複晶材料中 材料內的晶粒具有各種結晶方向 磁化過程中 低磁場範圍首先磁化沿容易磁化方向的晶粒 在高磁場範圍則必 須對困難磁化方向的晶粒作功 旋轉磁矩 所施的能量稱為磁結晶 能量 利用磁晶異向性可提高材料的磁特性 例如稍後介紹的矽鋼片軟磁 材料 在製程中 沿的容易磁化方向滾軋 產生高方向性組織 的矽鋼片 它的初始導磁係數比散亂組織的矽鋼片要高很多 圖9 x鐵磁性材料Fe的磁晶異向性磁伸縮鐵磁材料磁化時 因晶格變 形會引起磁化方向有少許的長度變化 這種因磁化產生的彈性應變 量 ll 為10 6左右 因磁伸縮所儲存的機械能稱為磁伸縮能 圖9 x WFS p843 顯示鐵 鎳 鈷的磁伸縮變化 其中鐵在低磁場時為正值 其 餘皆為負值 稱為磁伸縮 magostriction 又稱磁歪 大小約圖9 x鐵磁性材料F e Ni Co的磁伸縮特性磁伸縮的成因是 外加磁場使磁矩旋轉到與 磁場方向一致時 原子間鍵結長度改變 磁矩相互吸引或排斥 造 成磁化過程材料晶格的收縮或伸長 鐵磁的溫度效應溫度升高會P2 8電子材料2 9軟磁材料軟磁材料是指容易磁化與去磁的材料 因此材料的磁滯曲線必須很窄 主要有純鐵 低碳鋼 矽鋼片 高導磁合金 軟磁材料特性需求 1 磁滯損失小 在感應線圈中的軟磁材料 如變 壓器內的線圈 時變電流會改變線圈內的磁場H 軟磁材料的磁感應B會隨磁滯曲線變化 一個週期的時變電流變化 相當損失一個磁滯曲線迴路面積的能量 當頻率增加時 此一能量損失隨之增加 因此 軟磁材料為避免磁滯損失 一般選用磁滯迴路面積較小的材 料 此一特性需求 將與稍後介紹的硬磁材料相反 2 渦流損失小交流電的使用下 變動磁場感應的渦電流 eddy current 會造成焦耳熱的能量損失 即功率 電流2 電阻 一般軟磁材料的使用 應避免這項能量的損失 例如在低頻元件上 使用電阻值較高矽鋼取代一般碳鋼 就是在避 免渦流損失 3 具有高導磁率 4 具有高飽和磁率 5 特殊需求 正方的磁滯曲 線 高初導磁率鋼鐵系 1 純鐵純鐵 肥粒鐵 具有高飽和磁化 是 極佳的軟磁材料 但機械強度太差 製造需特別注意 此外 純鐵電阻係數低 故大多只用於直流電路或少量的教流繼電 器 並不適用大部份的交流電路 可做繼電器 電壓調節器與量測儀器的鐵心 2 低碳鋼加入碳 雖然會降低純鐵的磁性 但可提高材料機械強度 因此碳鋼多用於 強度需求較高的磁路上 含碳量在2 以下稱為軟鋼 矽鋼應用最廣的軟磁材料是矽鋼片 它的成份是鋼鐵中添加3 4 的 矽 早先 低頻 60Hz 電力裝置如變壓器 馬達與發電機的磁心 大部 份都使用低碳鋼製成 但渦流能量損失非常高 矽鋼中添加的矽 可增加電阻率 降低渦流損 同時 矽也可以降低鋼鐵的磁晶異向性 增加導磁率 減少磁損失 與變壓器噪音 降低渦電流更先進的方法是 採用層狀結構的矽鋼片 將矽鋼片的兩面塗上絕緣材料 以層狀相疊而成 以防止渦電流延 垂直方向流動 另一種降低變壓器磁心能量損失的方法是 採用具方向性結晶的矽 鋼片 這種矽鋼片是利用加熱滾軋 熱軋鋼片 或冷作滾軋後經再結晶熱 處理 冷軋鋼片 滾軋的方向為矽鋼的容易磁化方向 110 因此材 料的磁田域就容易磁化 如圖9 x所示 WFS圖25 20 因此 方向性結晶的矽鋼片比散亂結晶方向的矽鋼片 具有更高的 導磁率與低磁損失 圖9 X鐵磁性材料的磁化步驟 a 未磁化狀態 b 磁田壁移動 c 鐵 鎳合金鐵 鎳合金又稱高導磁合金 supermalloy 純鐵與矽鋼片的初始導磁係數都不高 對於電力系統的變壓器磁心 主要在高磁化範圍的應用 影響並不太大 但對於微弱信號的偵測與傳輸的應用上 高敏感通信裝置必須在低 磁場範圍操作 初始導磁係數的需求變得非常重要 此時就必須以 高導磁合金的鐵 鎳合金取代 鐵 鎳合金系有兩種型式 1 高鎳合金 79 Ni 具有高始初導係數 ui 105 較低的飽和磁化 2 低鎳合金 50 Ni 具有較低初始導係數 ui 2500 較高的飽和 磁化 鐵 鈷合金金屬玻璃金屬玻璃 metallic glass 一種新型的金屬材料 具有的非晶體結構 組成包含具有磁性快Fe Co Ni元素與B Si非金屬元素 例如Fe78 B13Si9 可做低磁心能量損失的變壓器 磁感測器與錄音磁頭 製程方式採的快速凝固法 rapid solidficationprocess 將融熔金屬玻璃倒入高速旋轉的銅飛輪表面 上 產生高冷卻速率 使原子來不及形成有序的晶體 P2 10電子材料2 9硬磁材料硬磁材料在做過磁化處理後 磁性不易消失 可用來做為永久磁鐵使用 在磁滯曲線上 如圖8 x的B H曲線 傳統的硬磁材料以鋁鎳鈷 Al Ni Co 最具代表性 較新的硬磁材料特性需求具有高飽和磁化強度 Ms 與 它的最重要特性是 在沒有外加磁場作用下 能保有高度的磁性 1 較大的抗磁力 Hc 2 殘存磁通密度 Br 3 在磁滯曲線上 顯示既寬又高的曲線 由其是涵蓋第二象限的面積 代表保有磁位 能大小鋁鎳鈷合金鋁鎳鈷 Al Ni Co 是最常見的商用硬磁材料 主要成份即為添加鋁 Al 鎳 Ni 鈷 Co 等金屬的鐵基合金 此種合金具有高能量成積 BH max高達40 70kJ m 相當5 9MG Oe 高殘存磁通密度Br 0 7 1 35T 7 13 5KG 中等抗磁力Hc 40 160kA m 500 xxOe 2由於鋁鎳鈷合金質地較脆 所以一般大型元件可使用鑄造製造 小 型元件則使用粉末冶金製造 因此可大量生產大小不同的複雜元件 鋁鎳鈷合金產品種類極多 一般編號1 4的為等向性 價