磁谱分析-动态磁化过程中的磁损耗

1、；磁谱分析动态磁化过程中的磁损耗磁谱是指物质在弱交变电场中复数磁导率的和随频率变化的关系。以铁氧体的磁谱为例，分析磁谱中所对应的损耗。铁氧体的磁谱曲线如图1。图 1 铁氧体的磁谱曲线低频区域（ f <104Hz）低频区域磁谱的特点是较高，较低，而且和随频率 f 的变化较小，引起损耗的机理主要是磁滞和磁后效引起的剩余损耗。中频区域（f 约为 104 106Hz）中频磁谱与低频磁谱较为相似，和的变化仍很小，但有时会出现由尺寸共振或磁力共振引起的的峰值，尺寸共振和磁力共振与样品几何尺寸以及力学振动特性有关。高频区域（f 为 106108Hz）高频磁谱的显著特点是急剧下降，而迅速增加，这主要是由

2、于畴壁共振或弛豫引起的。超高频区域（f 为 1081010）超高频磁谱的特点是继续下降，-1 可能出现负值，而且出现共振峰值，这主要是由于自然共振引起的。铁氧体典型磁谱曲线可以分为两部分，一是低中频区， 指频率在 1MHz 以下的区域，影响低频区曲线的主要因素是磁滞、磁后效、尺寸共振、磁力共振。在这个区域内，磁谱曲线的形状特点基本上是：、随变化趋势不大。有时也会出现共振型或弛豫型曲线。二是高频区，指频率f 在 1061010Hz 之间，影响高频磁谱曲线的主要因素则是畴壁共振和自然共振。这个区域磁谱曲线的形状的主要特点是出现共振型和弛豫型的磁谱曲线。畴壁共振和自然共振两个区域不一定是截然分开的，

3、又是可以相互重叠。铁磁体在交变磁场的作用下， 由于交变磁场的快速变化， 使其磁化状态的改变往往在时间上落后与交变磁场的变化， 以致任何趋于稳定的磁化状态的建立都.；要经过一定的时间以后才能完成， 所以铁磁体在交变磁场中的动态磁化过程要考虑磁化时间效应， 而这主要就是动态磁化过程中的损耗问题。动态磁化过程中存在多种损耗，包括涡流损耗、磁滞损耗、剩余损耗以及尺寸共振，畴壁共振、自然共振引起的损耗。(1). 磁性涡流损耗铁磁体内存在涡流使磁芯发热造成能量的损耗称为涡流损耗。涡流是导体在变化的磁场中， 导体内部发生电磁感应而产生的感应电流。 涡流会引起涡流损耗We， We ef ，而涡流损耗系数 e

4、d 2 / ，其中 d 为片状材料的厚度， d 为电阻率。 We fd 2 / ，对于涡流损耗的抑制可通过减少片状材料的厚度 d 实现，也可通过在掺杂提高材料的电阻来实现。 涡流损耗最主要的应用是感应加热， 将被加热金属块体置于高频变化的电磁场中， 在材料表面就会形成感应涡流， 利用材料本身的内阻加热，就是涡流加热。与涡流相伴而生的是金属块的集肤效应。集肤效应是指当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的 “皮肤 ”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面， 电流密度越大， 导线内部实际上电流较小。 集肤效应产生的原因主要是变化的电磁场在导体内部

5、产生了涡旋电场， 与原来的电流相抵消。 集肤深度 d s 的物理意义是磁场由表面传到样品内部 x d 的深度出，其幅值减为表面幅值的 1/ e 。d skf可见磁导率和频率的减小时， 有利于减小集肤效应。 涡流损耗在各个频率段都是存在的，只是随着频率的增加，涡流损耗逐渐增强。(2). 磁滞损耗在交变电场下， 如果磁场不是很低， 频率也不太高时， 铁磁体有不可逆的磁化过程，使磁感应强度 B 落后与磁场强度 H 的变化。所谓磁滞损耗是指在不可逆跃变的动态磁化过程中，克服各种阻尼作用而损耗了外磁场供给的一部分能量，就是所谓的磁滞损耗。 特别是在较高磁场及较高频率下， 涡流损耗和磁滞损耗两者是不容易分

6、离的。(3). 尺寸共振电磁波在铁磁体中的波长vc，当样品的最小尺寸为2 的整数倍ff时，便会产生尺寸共振。 样品的最小尺寸及磁导率受实际应用的限制，所以要提高铁磁体的使用频率，就要降低介电常数，也就是要提高铁磁体的电阻率。(4). 畴壁共振.；动态磁化过程中畴壁具有有效质量，在外磁场作用下， 畴壁在移动时受到阻尼，移出能谷时具有弹性回复力。畴壁的来回移动，相当于弹簧受迫振动过程。在交变场频率较低时，畴壁的振动可以与交变场同步，损耗不大，耗散小。但当频率升高到某一数值时， 畴壁就会产生共振， 即交变磁场的频率与畴壁振动本征频率一致时，会从外场中吸收能量，使迅速下降，而大大增加。在无阻尼的情况下

7、，0 （0 为畴壁振动本征频率） ，畴壁振动的振幅趋于无穷大，- 1，而此时是为 0 的。如果阻尼很小，磁谱曲线为共振型的。 在0时，0 ，畴壁振动会出现损耗峰值，而- 10。共振磁谱如图 2(b)，是图2(a)无阻尼畴壁振动磁谱演化而来的。当阻尼很大时，畴壁运动是单纯弛豫，失去固有振动， 因而不发生畴壁共振， 其磁谱曲线为弛豫型磁谱，如图 2(c)，随频率上升而下降， 在r 时(r 为畴壁振动弛豫频率 )，减小的趋势最快， 而出现极值。(5). 磁畴自然共振在无外加恒定直流磁场情况下， 仅由铁磁体内部自然存在的等效各向异性作用而产生的共振， 称为自然共振，它与畴壁共振一样也将导致磁导率的频散

8、和损耗，其磁谱也存在共振型和弛豫型两种磁谱。图 2 畴壁振动磁谱(a)无阻尼畴壁振动磁谱；(b)共振型磁谱；(c)弛豫型磁谱结合实际应用， 分析不同物质的磁谱曲线。 中南大学邓联文等研究了Tb 掺.；杂对 CoNbZr 纳米薄膜微波磁性的影响，其磁谱曲线如图3图 3 为不同 Tb 含量的(Co87Nb11.5Zr1.5) 100-yTbyC 纳米薄膜的磁谱(a)y=0; (b)y=1; (c)y=2;未掺杂稀土元素的 Co87Nb11.5Zr1.5 薄膜磁谱为典型的共振型磁谱，共振频率在 1.62 GHz 附近，低频磁导率约 300，薄膜样品在 2 GHz 复磁导率虚部200(见图 3 (a)；掺入 1%Tb(Co8711.51.5 991薄膜磁谱为以共振为主的共振和弛豫混NbZr) Tb合型磁谱，表征磁损耗的共振峰半峰宽较未掺杂稀土的薄膜样品明显变宽，峰值点代表的共振频率上升至1.75 GHz，薄膜样品在 2 GHz 复磁导率虚部大于200，表明少量稀土元素的掺入就可以增强薄膜的磁各向异性和弛豫性，从而调整薄膜的磁谱特征 (见图 3(b) 。(Co8711.51.5 982薄膜的磁谱为以弛豫为主Nb Zr ) Tb的弛豫和共振混合型磁谱，的半峰宽显著变宽，表明薄膜的弛豫性和磁损耗显著提高，薄膜样品在 2 GHz 复磁导率虚部仍保持在 200左右