什麼是矯頑力

使已磁化之磁性體的磁化(或磁通密度)回到0所需的反向磁場強度。小者為軟磁材料,大者為硬磁材料。

日文名稱: 保磁力

「矯頑力」出現在2領域的6道練習題中(磁性材料, 電子、磁性與光學材料等)。

這個名詞所屬的領域: 電子、磁性與光學材料

隨材料相差6個數量級以上的量

矯頑力表示使已磁化材料的磁化反轉需要多強的反向磁場,單位為A/m(1 Oe ≈ 79.6 A/m)。軟磁材料中,從超坡莫合金(Supermalloy)等高磁導率合金的1 A/m以下,到電磁鋼片的數〜數十 A/m左右。另一方面,永久磁鐵中鐵氧體磁鐵達數百 kA/m,釹磁鐵的固有矯頑力達1000〜3000 kA/m左右。同為鐵磁性體卻相差這麼多,是因為矯頑力不只取決於材料的組成,也強烈受組織左右。

由組織決定的矯頑力

由磁晶異向性計算的異向性磁場是矯頑力理論上的上限,但實際的矯頑力比它小得多。因為磁化的反轉是在有缺陷的地方產生反向磁區作為核,再由磁壁移動而擴展所造成的。因此夾雜物、析出物、晶界、內部應力越能卡住(釘紮)磁壁,矯頑力越大。目標是在永久磁鐵中做出不易產生反向磁區核的組織,在軟磁材料中做出磁壁容易移動的潔淨組織。

與晶粒大小的關係

一般的軟磁材料中,晶界阻礙磁壁移動,因此晶粒變大時矯頑力下降。但晶粒尺寸小於數十nm、比磁的交換長度小時,相鄰晶粒的異向性被平均而互相抵消,矯頑力與晶粒尺寸的6次方成正比而急遽變小(Herzer的隨機異向性模型)。奈米晶軟磁合金就是利用這個效應。這與在單磁區粒子大小處矯頑力最大的永久磁鐵想法,是方向相反的設計。

量測與依用途的選擇

矯頑力是對試料施加磁場量測磁化曲線(磁滯曲線),由磁化或磁通密度成為0的磁場求得。永久磁鐵為了除去退磁場的影響,使用閉磁路的BH曲線量測儀,粉末或薄膜則使用振動樣品磁力計(VSM)。磁記錄媒體需要同時滿足小到能寫入、又大到不會因熱擾動而消去資訊兩個條件的矯頑力。矯頑力隨溫度改變很大,因此要以使用溫度下的值評估。

練習矯頑力的題目

將鐵磁體的粒子從數µm逐漸縮小到nm大小時,粒子矯頑力的變化何者正確?

  1. A矯頑力是只由磁晶異向性決定的物性值,幾乎不隨粒徑改變
  2. B粒子越小磁壁越少而越難反轉,因此矯頑力一路單調增大到奈米尺寸
  3. C在單磁區臨界粒徑附近最大,再縮小則成為超順磁性而趨近於0
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正確答案:C. 在單磁區臨界粒徑附近最大,再縮小則成為超順磁性而趨近於0

大粒子含有許多磁區,磁化反轉藉由即使在弱磁場也會移動的磁壁移動而發生,因此矯頑力小。粒子縮小後磁壁減少,小於臨界粒徑時成為沒有磁壁的單磁區粒子。要使單磁區粒子的磁化反轉,必須克服磁異向性而使整體磁化轉動,因此矯頑力在此附近達到最大。再縮小時,反轉的能障KV相對於熱能變小,磁化會因熱而自行反轉,成為超順磁性,矯頑力趨近於0。矯頑力不只取決於異向性,也強烈依賴粒徑與組織,因此並非固定,在小於臨界粒徑的範圍也不會持續增大。磁記錄媒體的粒子設計,就是在這個上限與下限之間進行。

在永久磁鐵的退磁曲線上,設使磁通密度B為0之反向磁場的大小為矯頑力 HcB,使磁化M為0之反向磁場的大小為本質矯頑力 HcJ。由 B = µ₀(H + M) 的關係,兩者的大小關係何者正確?

  1. AHcJ ≥ HcB
  2. BHcJ ≤ HcB
  3. C與材料無關,恆為 HcJ = HcB
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正確答案:A. HcJ ≥ HcB

在反向磁場 H = −HcB 下B = 0時,由 B = µ₀(H + M) 得 M = HcB > 0,磁化仍保持正值。要使M為0需要更強的反向磁場,因此 HcJ ≥ HcB。所以認為 HcJ ≤ HcB 或恆相等的選項是錯誤的。此外,在反向磁場中M不會大於殘留磁化,因此 HcB 不能超過 Br/µ₀。像釹磁鐵這樣 HcJ 非常大的材料,HcB 會在接近此上限 Br/µ₀ 的值趨於飽和。磁鐵在高溫或強反向磁場中是否不易退磁,要以表示磁化本身是否反轉的 HcJ 來判斷。在矯頑力小的軟磁材料中,兩者的差小到可以忽略。

常見問題

矯頑力的單位是什麼?

SI單位制為A/m,也常用kA/m。舊的CGS單位制的Oe(奧斯特)為 1 Oe = 1000/(4π) A/m ≈ 79.6 A/m。也有換算成磁通密度、以 T(特斯拉)表示 µ₀Hc 的情形。

矯頑力HcB與固有矯頑力HcJ有什麼不同?

HcB是使磁通密度B為0的反向磁場,HcJ是使磁化M為0的反向磁場,總是 HcJ ≥ HcB。磁鐵是否不易退磁,要以表示磁化本身反轉的HcJ判斷。

要怎麼降低軟磁材料的矯頑力?

減少雜質與夾雜物,以退火除去內部應力與應變,並使晶粒變大。此外還有選擇組成使磁晶異向性與磁致伸縮變小,或奈米晶化使異向性平均化的方法。

解析中的「矯頑力」

出現「矯頑力」的題目(6題)

  1. 將鐵磁體的粒子從數µm逐漸縮小到nm大小時,粒子矯頑力的變化何者正確?
  2. 在永久磁鐵的退磁曲線上,設使磁通密度B為0之反向磁場的大小為矯頑力 HcB,使磁化M為0之反向磁場的大小為本質矯頑力 HcJ。由 B = µ₀(H + M) 的關係,兩者的大小關係何者正確?
  3. 以 Nd₂Fe₁₄B 為主相的釹磁鐵能具有大矯頑力,就物質而言的主要原因為下列何者?
  4. 適用於變壓器鐵芯的軟磁材料的特徵,下列何者正確?
  5. 對消磁狀態的鐵磁體施加外部磁場並逐漸增強時,磁化進行的機制,下列何者正確?
  6. 在電動車馬達等高溫下使用的釹磁鐵中添加Dy或Tb,其主要目的為下列何者?

相關名詞

磁區 軟磁材料 飽和磁化 磁壁 磁晶異向性 超順磁性 渦電流損 居里溫度 最大能量積 馬提森法則

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