磁铁的基本常识

古希腊人和中国人发现自然界中有种天然磁化的石头,称其为“吸铁石”。这种石头可以魔术般的吸起小块的铁片,而且在随意摆动后总是指向同一方向。早期的航海者把这种磁铁作为其最早的指南针在海上来辨别方向。经过千百年的发展,今天磁铁已成为我们生活中的强力材料。通过合成不同材料的合金可以达到与吸铁石相同的效果,而且还可以提高磁力。在18世纪就出现了人造的磁铁,但制造更强磁性材料的过程却十分缓慢,直到20世纪20年代制造出铝镍钴(Alnico)。随后,20世纪50年代制造出了铁氧体(Ferrite),70年代制造出稀土磁铁[RareEarthmagnet包括钕铁硼(NdFeB)和钐钴(SmCo)]。至此,磁学科技得到了飞速发展,强磁材料也使得元件更加小型化。

什么是磁化(取向)方向?

大多数磁性材料可以沿同一方向充磁至饱和,这一方向叫做“磁化方向”(取向方向)。没有取向方向的磁铁(也叫做各向同性磁铁)比取向磁铁(也叫各向异性磁铁)的磁性要弱很多。

什么是标准的“南北极”工业定义?

“北极”的定义是磁铁在随意旋转后它的北极指向地球的北极。同样,磁铁的南极也指向地球的南极。在没有标注的情况下如何辨别磁铁的北极?

很显然只凭眼睛是无法分辨的。可以使用指南针贴近磁铁,指向地球北极的指针会指向磁铁的南极。

如何安全的处理和存放磁铁?

要始终十分小心,因为磁铁会自己吸附到一起,可能会夹伤手指。磁铁相互吸附时也有可能会因碰撞而损坏磁铁本身(碰掉边角或撞出裂纹)。

将磁铁远离易被磁化的物品,如软盘,信用卡,电脑显示器,手表,手机,医疗器械等。

磁铁应远离心脏起搏器。

较大尺寸的磁铁,每片之间应加塑料或硬纸垫片以保证可以轻易地将磁铁分开。

磁铁应尽量存放在干燥,恒温的环境中。

如何做到隔磁?

只有能吸附到磁铁上的材料才能起到隔断磁场的作用,而且材料越厚,隔磁的效果越好。

什么是最强的磁铁?

目前最高性能的磁铁是稀土类磁铁,而在稀土磁铁中钕铁硼是最强力的磁铁。但在200摄氏度以上的环境中,钐钴是最强力的磁铁。

怎样来定义磁铁的性能?

主要有如下3个性能参数来确定磁铁的性能:

剩磁Br:永磁体经磁化至技术饱和,并去掉外磁场后,所保留的Br称为剩余磁感应强度。

矫顽力Hc:使磁化至技术饱和的永磁体的B降低到零,所需要加的反向磁场强度称为磁感矫顽力,简称为矫顽力

磁能积BH:代表了磁铁在气隙空间(磁铁两磁极空间)所建立的磁能量密度,即气隙单位体积的静磁能量。由于这项能量等于磁铁的Bm和Hm的乘积,因此称为磁能积。

磁场:对磁极产生磁作用的空间为磁场

表面磁场:永磁体表面某一指定位置的磁感应强

铁氧体磁性材料

一种复合氧化物烧结体非金属磁性材料。在电性上属于半导体范畴,所以又称磁性半导体。磁铁矿(主要成分是Fe3O4)是一种最简单的铁氧体。国际上早在20世纪初已合成铁氧体,在30年代,法、日、德、荷相继进行了系统研究。荷兰从1946年就开始铁氧体软磁材料工业生产。中国在1956年前后开始铁氧体的工业生产。铁氧体已在通信广播、计算技术、自动控制、雷达导航、宇宙航行、卫星通信、仪表测量、印刷显示、污染处理、生物医学、高速运输等方面广泛应用。

铁氧体是由铁和其他一种或多种金属组成的复合氧化物。如尖晶石型铁氧体的化学式为MeFe2O4或MeO·Fe2O3,其中Me是离子半径与二价铁离子(Fe2+)相近的二价金属离子(如Mn2+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Mg2+、Co2+等)或平均化学价为二价的多种金属离子组。

铁氧体分软磁铁氧体和永磁铁氧体。

软磁铁氧体有锰铁氧体(MnO·Fe2O3)、锌铁氧体(ZnO·Fe2O3)、镍锌铁氧体(Ni-Zn·Fe2O4)、锰镁锌铁氧体(Mn-Mg-Zn·Fe2O4)等单组分或多组分铁氧体。电阻率比金属磁性材料大得多,而且有较高的介电性能,因此出现兼有铁磁性和铁电性以及铁磁性和压电性的铁氧体。在高频下具有比金属磁性材料(包括铁镍合金、铝硅铁合金)高得多的磁导率,适用于几千赫到几百兆赫频率下工作。加工铁氧体属于一般陶瓷工艺,因而工艺简单,且节省大量贵金属,成本低。铁氧体的饱和磁通密度Bs低,通常只有铁的1/3~1/5。铁氧体在单位体积中储存的磁能低,限制了它在要求有较高磁能密度的低频、强电和大功率领域中的应用。它较适于高频小功率,弱电场合中应用。镍锌铁氧体可用作收音机里的天线磁棒和中频变压器磁心,锰锌铁氧体可用作电视接收机中的行输出变压器铁心。此外,软磁铁氧体还用于通信线路中的增感器及滤波器的磁心等。近年来还应用作高频磁记录换能器(磁头)。

永磁材料

(这里主要介绍钕铁硼)

一、分类及性质

永磁材料主要有铝镍钴(AlNiCo)系金属永磁,第一代SmCo5永磁体(称为1:5型钐钴合金),第二代Sm2Co17(称为2:17型钐钴合金)永磁体,第三代稀土永磁合金NdFeB(称作钕铁硼合金)。随着科学技术的发展,钕铁硼永磁材料的性能不断提高,应用领域不断扩大。高磁能积(50兆高奥≈400kJ/m3)、高矫顽力(28EH、32EH)和高使用温度(240C)的烧结钕铁硼已产业化生产。钕铁硼永磁铁的主要原材料有稀土金属钕(Nd)32%、金属元素铁(Fe)64%和非金属元素硼(B)1%(少量添加镝(Dy)、铽(Tb)、钴(Co)、铌(Nb)、镓(Ga)、铝(Al)、铜(Cu)等元素)。钕铁硼三元系永磁材料是以Nd2Fe14B化合物作为基体的,其成分应与化合物Nd2Fe14B分子式相近。但完全按Nd2Fe14B成分配比时,磁体的磁性能很低,甚至无磁。只是实际的磁体当中钕和硼的含量比Nd2Fe14B化合物的钕和硼含量多时才能获得较好的永磁性能。

二、钕铁硼的加工工艺

烧结:配料(配方)→熔炼→制粉→压制(成型取向)→烧结及时效→磁性能检验→机械加工→表面涂层处理(电镀)→成品检验

粘结:原料→粒度调整→与粘结剂混练→成型(压缩、挤压、注塑)→烧成处理(压缩)→再加工→成品检验

三、钕铁硼的质量标准

主要有三个参量:剩磁Br(ResidualInduction),单位Gauss,从饱和状态去除磁场后,剩余的磁通密度,代表了磁铁对外所能提供磁场强弱;矫顽力Hc(CoerciveForce),单位Oersteds,就是把磁体放在一个反向外加磁场中,当外加磁场增加到一定强度时磁体的磁性就会消失,把这个抵抗外加磁场的能力称为矫顽力,代表了衡量抗退磁能力;磁能积BHmax,单位Gauss-Oersteds,就是单位体积材料所产生的磁场能量,是磁铁所能存储能量多少的一个物理量。

四、钕铁硼的应用与用途

目前主要应用领域有:永磁电动机、发电机、核磁共振成像仪、磁选机、音响扬声器、磁悬浮系统、磁力传动、磁力起重、仪器仪表、液体磁化、磁疗设备等等,已成为汽车制造、通用机械、石油化工、电子信息产业和尖端技术不可缺少的功能材料。

五、钕铁硼与其它永磁材料的比较

钕铁硼永磁材料是目前世界上磁性最强的永磁材料,其磁能积比广泛应用的铁氧体高十倍,比第一代、第二代稀土磁体(钐钴永磁)高约一倍,被誉为“永磁之王”。用他代替其他永磁材料,可使器件的体积和重量成倍下降。由于钕资源丰富,与钐钴永磁相比,以铁取代了昂贵的钴,使产品物美价廉,从而获得了极为广泛的应用。

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