鐘 華 白武帥 侯志堅 董軍軍

北京科技大學 北京 100083

在信息、通訊、交通與自動化這些發(fā)展速度最快、對社會影響最大的領(lǐng)域中，磁性材料都發(fā)揮著不可替代的重要作用。永磁材料作為當今社會最重要的功能材料之一，已廣泛應用于計算機、揚聲器、家用電器、儀器儀表、磁力機械、各種電機、醫(yī)療器械等儀器設(shè)備中。我國是稀土王國和永磁材料生產(chǎn)大國，是被譽為“永磁王”的釹鐵硼的發(fā)明國之一?，F(xiàn)代技術(shù)對永磁體的性能與質(zhì)量提出了更高的要求，而第三代永磁體(NdFeB)滿足不了這些要求，目前第四代永磁體的研制尚未取得重大突破。因此，在現(xiàn)有條件下，通過磁鐵同極相對接獲得高強磁場的方法具有實際意義[1]。

1 問題提出

我們都知道兩塊永磁體同極相對及異極相對放置于同一平面時磁感線分布分別如圖1和圖2所示。由于磁場強度的疊加為矢量相加，于是我們可以猜想兩塊永磁體磁極對接時其磁感線分布情況應該如圖3和圖4所示。

圖1 異名磁極相對磁感線分布

圖2 同名磁極相對磁感線分布

圖3 兩異名磁極相接觸形成磁感線

圖4 兩同名磁極相接觸形成磁感線

異名磁極接觸與正常單塊磁體磁感線沒有分別，而同名磁極對接磁感線分布如圖4所示，相對兩極間磁感線呈相互排斥狀向外部放射分布。近似認為兩磁極產(chǎn)生磁場方向相同，同向疊加，場強為單個磁體磁極部分產(chǎn)生場強的二倍。

2 實驗驗證

2.1 實驗設(shè)備

釹鐵硼永磁體、410型高斯計、有機玻璃、鐵屑、直尺其中釹鐵硼永磁體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 釹鐵硼永磁體技術(shù)參數(shù)

2.2 關(guān)于磁感線分布的驗證

取金屬加工所磨細鐵屑置于厚度為10 mm的有機玻璃上，敲震玻璃使其均勻覆蓋于玻璃表面。在玻璃下面放兩塊分別由N，S極相吸成為一體的釹鐵硼永磁體，輕敲有機玻璃使鐵屑在磁場作用下分布，得到復合磁場作用下的鐵屑分布如圖5所示。我們可以清楚地發(fā)現(xiàn)實驗得到的圖像與猜想的磁感線分布情況(如圖3所示)相同。

圖5 鐵屑在異極對接磁體磁場中的分布

再取金屬加工所磨細鐵屑置于厚度為10 mm的有機玻璃上，敲震玻璃使其均勻覆蓋于玻璃表面。在下面放兩塊N極相對固定于一銅棍上的釹鐵硼永磁體(實物圖如圖6所示)，輕敲有機玻璃使鐵屑在磁場作用下分布，得到復合磁場作用下的鐵屑分布如圖7所示。我們可以清楚地看到實驗得到的圖像與猜想的磁感線分布情況(如圖4所示)高度吻合，這有力地證明了上面提出猜想的正確性。

圖6 兩塊同極對接的釹鐵硼永磁體材料

圖7 鐵屑在同極對接磁體磁場中的分布

2.3 關(guān)于磁場強度的驗證

對于是否如前面猜想所言，在磁體同極對接處會產(chǎn)生一個二倍的場強的問題，我們可以用高斯計通過測量對接磁體各處磁場強度大小來證實。沿對接的兩塊永磁體側(cè)面以不同需要分成若干段，分別測量每一段上的磁場強度并記錄到表2和表3中。最后再以橫向放置的兩塊對接釹鐵硼永磁體為橫軸，磁場強度大小為縱軸做出測量曲線，結(jié)果如圖8所示。

表2 釹鐵硼永磁體異極對接磁場強度分布表

表3 釹鐵硼永磁體同極對接磁場強度分布表

圖8 釹鐵硼永磁體同極對接磁場強度分布圖

由這個曲線我們可以清楚地看到對異名磁極對接而言，中間處磁場近似為0，兩極處最大。而同名磁極對接部分的磁場強度要明顯大于其他部分，共出現(xiàn)三個波峰，分別分布于中間兩N極對接處及左右S極處，且中間波峰值近似等于兩極波峰值的二倍，于是可以證明在較近范圍內(nèi)對接磁體兩側(cè)產(chǎn)生的磁場方向相同，場強大小為兩磁極磁場強度大小的同向疊加。這表明通過磁體同極對接，理論上可以獲得二倍的磁場強度，磁場方向與對接的磁極方向相同，且此理論能得到實驗支持，理論猜想符合實際，通過實驗得到了二倍磁場強度。

3 關(guān)于可能發(fā)生退磁現(xiàn)象的分析

實驗中所有的釹鐵硼永磁體相關(guān)參數(shù)如下：

剩磁，Br：1.223 T；內(nèi)稟矯頑力，Hcj：1052 kA/m；矯頑力，Hcb：849 kA/m；最大磁能積，BH：269 A/m3

使磁化至技術(shù)飽和的永磁體的B(磁感應強度)降低至零所需要的反向磁場強度稱為磁感矯頑力。此實驗所用的永磁體其矯頑力Hcb為849 kA/m，實驗測得單個磁體磁極處磁場強度為300 mT，即239 kA/m。

顯然單個磁體磁場強度遠小于永磁體的矯頑力，不會發(fā)生退磁現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

本文主要研究通過兩塊釹鐵硼永磁體材料同名磁極對接產(chǎn)生磁場增幅情況，且通過實驗結(jié)果已經(jīng)證實加倍磁場強度的正確性，同樣可以利用多個磁體同名對接進而成倍提高區(qū)域性磁場強度。本文主要針對永磁鐵進行研究，但這并不代表此研究不能應用于電磁鐵設(shè)備，電磁鐵工作原理遵循永磁體磁場理論，所以此研究用于電磁鐵設(shè)備在同樣情況下同樣可以大幅度提高磁場強度且更加節(jié)能。隨著社會發(fā)展和技術(shù)的進步，越來越多的設(shè)備需要在高磁環(huán)境下工作，如發(fā)電、軍事、航天、航海、探測、磁懸浮系統(tǒng)等。因此，此研究課題結(jié)論具有實際意義。

[1]劉宏娟.矩形永磁體三維磁場空間分布研究[D].北京:北京工業(yè)大學,2006.

[2]克里斯朵夫·庫珀.磁學[M].濟南:山東教育出版社,2009.

[3]鄒繼斌,劉寶廷,崔淑梅,鄭萍.磁路與磁場[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,1998.

[4]侯昭武.通電線圈產(chǎn)生的電磁場強度[J].欽州學院學報,2007(12):54-58.

[5]汪民.通電矩形線圈附近空間磁場強度分布值的計算方法[J].現(xiàn)代測量與實驗室管理,2012(1):3-6.

[6]劉虹讓,劉景巖,馬全喜.通電圓線圈軸線上磁場分布分析[J].物理通報:大學物理教育,2012(3):19-20.