磁滞回线及几种磁性能参数的基本内容

硬磁性材料，如钕铁硼磁钢，有两个显著特征，一是在外磁场作用下能被强烈磁化，另一个是磁滞，即撤走外磁场后硬磁材料仍保留磁化状态，下图为硬磁材料的磁感应强度 B 与磁化场强度 H 之间的关系曲线。

磁滞回线

当磁场按 Hs→Hc→O→-Hc→-Hs→-Hc→O→Hc→Hs 次序变化，相应的磁感应强度 B 则沿闭合曲线 S-Hc-S`-Hc-S 变化，这条闭合曲线被称为磁滞回线。

那么如何来衡量磁体产生磁性和保存磁性的能力呢？通常会用四个指标：剩磁 Br、矫顽力 Hcb、内禀矫顽力 Hcj 和最大磁能积 BH(max)。

永磁材料的磁滞回线

上图中横坐标代表外加的磁场强度 H，纵坐标代表磁感应强度 B 和磁极化强度 J。四个象限分别代表磁化曲线、退磁曲线、反磁化曲线和反退磁曲线。红线 J-H 退磁曲线，也叫内禀退磁曲线，蓝线为 B-H 退磁曲线。

采用小方块来象征各个磁区域（磁畴），而一个完整的磁体正是由数量庞大的磁畴组合而成。每个磁畴内部，箭头为其自发磁化的方向，即 C 轴。在磁中性的永磁体中，绝大多数磁畴虽然位于同一空间位置，但它们的磁化方向相互对立，从而不表现出磁性效应，如图 1 所示。

图 1

当沿磁化方向施加磁场时，磁畴逐渐通过磁畴壁位移和旋转让其 C 轴方向指向一致，如图 2 和图 3，这就是磁化曲线，饱和磁化时磁体对应的磁极化强度值，称为饱和磁极化强度 Js。

图 2（左）图 3（右）

当磁体饱和磁化后将外加磁场去掉，由图可看出大部分的磁畴仍然维持方向不变，少部分稍有旋转但是主体方向也不变，如图 4。

图 4

这样磁体的磁感应强度和磁极化强度均保留高的数值，这个数值就叫剩余磁感应强度 Br 或剩余磁极化强度 Jr，直观的理解就是磁化饱和的磁体去掉外磁场，磁体所剩余的磁感应强度 B 或磁极化强度 J，当外加磁场 H 为 0 时，Br=Jr，我们常用 Br 来描述，也就是我们最常说的剩磁，单位 Gs 或 T。Br 越高，意味着能保留的磁感应强度越强，越具有成为强磁材料的潜力。

当施加的外磁场在反方向增加时，磁体的磁畴逐渐出现位移和旋转，如图 5，当磁场强度达到一定数值时，磁体的磁感应强度 B 降为 0，简单的理解就是磁体内部保留的磁场强度和外加反向的磁场强度互相抵消，此时对应的磁场强度值，称为磁感矫顽力 Hcb（也有 bHc 的写法），单位为 Oe 或 kA/m。

图 5

磁感矫顽力 Hcb 与 J-H 退磁曲线的倾斜度密切相关，如果磁体的磁畴短期内很难出现位移或旋转，J-H 线就会很直，这样数值上 Hcb 就会无限接近 Br，Hcb 的上限就是 Br，Hcb=Br 这是理想的情况，意味着反向磁场强度在数值上达到 Br 之前未出现任何磁畴反向的倾向，这样磁体是非常稳定的，也就是磁体对反向磁场数值上在 Br 以下的初始状态抗退磁能力非常强。

当反向磁场继续增加时，达到一个临界值，反向磁畴快速出现，使得磁体的磁极化强度快速降为 0，简单的理解就是磁体内部保留的磁场强度降为 0，如图 6，此时对应的磁场强度值，称为内禀矫顽力 Hcj（也有 jHc 的写法），单位为 Oe 或 kA/m。

图 6

内禀矫顽力是反映磁体本身抗退磁能力大小的物理量，内禀矫顽力越大，则抗退磁能力越强，确切的说是抗完全退磁的能力越强。这里需要特别注意 Hcj 与 Hcb 的区别，当 Hcj 数值上大于 Br时，Hcb 的极限值就是 Br，当 Hcj 数值上小于 Br 时，Hcb 的极限值就是 Hcj。

B-H 退磁曲线上任意一点所对应的 B 和 H 的乘积称为磁能积，最大值就是最大磁能积(BH)max，理论上最大磁能积（BH）max=（½ Br）²，最大磁能积兼顾了剩磁和磁感矫顽力，其数值代表磁体蕴含的磁能量的大小，也可反应 J-H 线的初始倾斜度，单位 GOe 或 j/m³。

如果对于以上四个参数仍然难以理解，可以简单的认为磁体就是一杯水，充磁就是加热，剩磁就是停止加热后水的热量，退磁就像是对水进行降温，Hcb 就是当环境低温达到一个数值时，与水的热量抵消，整体对外不体现热量，Hcj 就是完全把水的热量降为 0 所需的环境低温数值。下面是一张简化版的磁滞回线第二象限图。

剩磁 Br，矫顽力 Hcb，内禀矫顽力 Hcj

对于以上磁性参数，我们在实际应用中，应该注意以下几点：

磁滞回线反映了铁磁质的磁化性能，而不同的磁质材料具有不同的磁滞回线，因而具有不同的特性，由于其独特的物理属性，磁质材料不仅在电子电路方面且在材料科学领域均有着广泛的应用。

为研究广泛应用于电力设备的电工钢片材料在不同应力下的磁滞特性，Liu 等人测量了不同应力下电工钢片的磁滞回线。并在此基础上，选取了两种广泛应用的简化 Preisach 模型（磁滞模型的一种），将其分别拓展至不同应力下电工钢片的磁滞特性模拟，提出了应力下基于简化 Preisach 模型的电工钢片磁滞特性模拟方法：根据实测不同应力下的极限磁滞回线，辨识在此工况下的一阶回转曲线，用立方插值法来提取以应力为变量的对应函数，从而构建出可考虑应力的静态 Preisach 模型。

从上图中可知，在电工钢片受到拉应力时，磁滞回线会随着中心发生对称性偏移，拉应力越大偏移量越大，并且较高磁通密度时磁滞回线中间段畸变缩小，随着磁通密度升高，畸变越明显；随着拉应力的增大，畸变也越明显。结合压应力测试结果发现，电工钢片对于机械应力作用较为敏感，且对于拉应力和压应力会随着中心发生对称偏移，并且在较高磁通密度时会表现出不同的曲线畸变特性，所得结论可用于电力设备在应力下的磁滞特性模拟和多目标优化设计。

西安交通大学张磊等人基于冷冻透射电子显微镜技术，在还原氧化石墨烯（rGO）膜上直接观察到了自然环境下生成的二维 CaCl 晶体，其中钙离子的价态为 +1。相关理论和实验同时表明，这些二维 CaCl 晶体具有室温铁磁性、金属性、类压电性，可形成石墨烯-CaCl 异质结，且具备显著的储氢和释氢能力。

（a）二维 CaCl 晶体结构；（b）CaCl@rGO 薄膜的室温磁滞回线

如图所示，CaCl@rGO 薄膜的室温（300K）磁滞回线表明其拥有显著的室温铁磁性。这一发现打破了人们普遍认为的主族金属元素不会具有室温铁磁性的传统观念。理论计算表明这种室温铁磁性同样来源于 +1 价 Ca 离子中的不成对价电子以及相应反常二维晶体结构的边缘或者缺陷效应。因此可以预测其他金属元素也可通过形成类似的反常二维晶体而具有室温铁磁性。该类二维晶体的奇异性质和行为也将拓展功能化石墨烯的应用。

此外，考虑到金属阳离子和碳在地球上的广泛分布，这种具有先前未被认识的性质的纳米级“特殊”化合物可能在自然界中广泛存在。这些发现不仅在具有异常的阴离子-阳离子比、新颖的阳离子价态和奇异电磁学性质的二维晶体研究上取得了突破性进展，而且在材料、生物、化学和物理等方面都具有开创性的应用潜力。