磁介质的研究

磁介质的研究

杨森 （浙江工业大学理学院 2015.04.20）

摘要：研究磁介质的分类，磁化机制和不同磁介质的特性与典型应用。

关键词：磁介质，磁化机制，磁介质的应用。

1、磁介质 定义:

在磁场作用下，其内部状态会发生变化（可以被磁化），并且反过来影响磁场存在或分布的物质，称为磁介质。

分类：

（1） 铁磁质，顺磁质，,抗磁质。

（相对磁导率μr =B/B 0，即介质中的磁导率与真空中的磁导的比值。）

（2） 铁磁质的μr ?1，且不是常数，顺磁质的μr 为略大于1的常数，抗磁质的μr

为略小于1的常数。

（3） 举例：

铁磁质——铁，钴，镍及其合金。在外磁场的作用下会在空间产生一个很

强的与原磁场方向相同的附加磁场 （暂定为其空间，事实上只

有在磁质内部和表面附近会产生一个很强的附加磁场，空间其他

部位可能磁场较弱，原磁场和附加磁场应该都是空间位置的函

数，不同铁磁质、不同空间会有不同的情况，具体有待研究，其

后的顺磁质、抗磁质同样）。

顺磁质——氧（O 2），氮（N 2），铝（Al ），铬（Cr ），锰（Mn ），空气（78%

的N 2 21%的O 2 0.94%的稀有气体和co 2）等，自然界中大多数物质都是顺磁质，只不过铁磁质在生活中的电磁方面应用

多点而已。顺磁质在外磁场的作用下可以产生一个比原磁场弱

的方向相同的附加磁场。

抗磁质——铋（Bi ），铅（Pb ），铜（Cu ），硫（S ），氯（Cl 2），氢（H 2），

水（H 2o ）等，抗磁质可以产生一个比原磁场弱的方向相反的

附加磁场。

Notes ：（1）超导体具有完全抗磁性μr =0，当外磁场作用在超导体上时，由于超导体电阻为零，故其表面会产生的一种超导电流，这种表面的超导电

流在磁质内会恰好产生一个与原磁场方向相反，大小相同的磁场，令超导体内磁场完全等于零（读者可以类比一下静电场中的导体所产生的静

电屏蔽）。

（2）顺磁质与抗磁质的μr 略大于1，与1相差约10-5 数量级（0.00001非

常小的一个值）。

（3）硬磁材料:H 和B 大的铁磁质。通常用做永磁铁。

软磁材料：H 小的铁磁质。磁滞回线狭长，如带鱼状。

（4）居里温度：在高温下，分子剧烈运动使磁畴瓦解，温度高于临界温度时，

磁畴完全瓦解，铁磁质μr 降低，呈现出顺磁性。

2、磁化机制： 从经典物理的范围内解释，物质分子内部既有电子的绕核轨道运动，又有电子本身的自 旋运动，这两种运动都会产生圆形电流从而产生磁矩和磁效应。分子中所有电子的各种磁矩之和称为分子磁矩。 现有研究表明，在没有外磁场的作用时，抗磁质的分子磁矩m=0，顺磁质的分子磁矩m≠0，但是由于分子热运动的杂乱无章，所以总体来看顺磁质对外界是不显示磁性。

当外磁场作用于顺磁介质上时，一方面分子固有磁矩受到外磁场作用其方向会大致取向外磁场方向，另一方面分子、原子中的电子在外磁场作用下产生进动，进动可以等效成一个圆电流，产生一个附加磁矩。由于这两种作用，磁介质表面会产生宏观的磁化电流并会在空间形成附加磁场并改变原磁场分布。 因附加磁场

与外磁场方向相同，所以磁介质内总磁感强度：。

当外磁场作用于抗磁质时，抗磁质中的每一分子会沿外磁场的反方向感应出附加磁矩，使磁介质被磁化，在磁介质表面产生磁化电流.，从而产生一个与原磁场方向相反的附加磁场，因附加磁场

与外磁场方向相反，所以磁介质内总磁感强度：B=B 0—B m

特性与应用：

相对于顺磁质和抗磁质等相对磁导率较小的磁介质，铁磁质和超导体在生活中具有很大应用。常见的变压器的磁芯就是铁磁质（一般为软磁材料），磁屏蔽仪也是铁磁质做成的，生活中常见的磁盘，光盘其表面也是磁介质。

变压器的磁芯一般有这么几种，硅钢，软磁铁氧体，软磁复合材料，高分子软磁复合材。硅钢是工频（国内为60Hz ）电源中电子变压器大量使用的铁芯材料，其相对磁导率μr

m B 0B 0m 0B B B B >+=m B 0B

最高可以达到40000。但硅钢等金属软磁材料在较高频率工作时会产生非常大的涡旋电流，涡旋电流会产生很强的热效应，导致磁芯温度过高，从而无法工作，不能应用于较高频率的变压器中。软磁铁氧体是中频（150~10000Hz）、高频（大于10000Hz）电源中电子变压器大量使用的磁芯。其可以用于较高频率的变压器中，但是相对于金属软磁材料，其饱和磁

密度低，相对磁导率低，居里温度低是他的几个弱点。其相对磁导率μr一般在10~1000。软磁复合材料是针对于金属软磁性材料无法用于较高工作频率，但具有饱和磁密度低，相对磁导率低，居里温度低等优点，而研制的新型软磁材料。其原理为将磁性粒子与非磁性粒子混合在一起，实现材料既能保持较好的软磁特性，又能减少高频损耗。但遗憾的是目前只能将软磁复合材料的相对磁导率提高到1000左右。高分子软磁复合材料是在软磁复合材料的基础上利用高分子技术进一步提高软磁复合材料的导磁性和其他性能。

磁屏蔽仪的目的是保护电子线路免于受到永磁体、变压器、电机、线圈、电缆等产生磁场的干扰。磁屏蔽体由磁性材料制成，当然是相对磁导率高的铁磁质，其磁导率从200到350000不等；磁屏蔽材料一般分为三类，即高导磁材料、中导磁材料和高饱和材料。。磁屏蔽材料的另一个重要参数是饱和磁化强度。高饱和磁导率材料的相对磁导率在80000-350000之间，经热处理后其饱和场的磁场强度可达7500Gs（A/m）；中磁导率材料通常和高导材料一起使用，相对磁导率值从12500-150000，饱和场的磁场强度为15500Gs；高饱和场的相对磁导率值为200-50000，饱和场强可达18000-21000Gs

另外，常见的数据保存也用的是磁介质，电脑硬盘就是利用磁介质在不同磁场中的方向来存储信息的。当前的技术是在镁铝合金或者玻璃盘面上附着磁性介质晶粒，用磁头产生不同方向磁场从而使磁介质晶粒转向不同的方向，利用不同磁介质晶粒的方向来纪录和存储

数据。目前，磁性介质的尺寸已经降低到10nm以下。虽然目前半导体储存技术不断进步，

U盘、SSD固态硬盘的半导体储存设备已经大量投产和使用，但磁介质储存技术依然有很大进步空间和应用前景。并且，磁介质储存技术在目前依然是最重要的输出存储技术。

除此之外，生活中磁介质的应用比比皆是。所以，加强对磁介质的研究具有重要意义。