磁性物質(zhì)及其應(yīng)用

磁性物質(zhì)及其應(yīng)用作者：魏利軍劉東升指導(dǎo)老師：楊曉梅提綱物質(zhì)磁性的來(lái)源我國(guó)古代對(duì)磁性物質(zhì)的應(yīng)用事例常見的磁性物質(zhì)現(xiàn)今磁性物質(zhì)應(yīng)用的新領(lǐng)域12342023/1/112CompanyLogo物質(zhì)磁性的來(lái)源為什么有些物質(zhì)具有磁性？為什么它們可以被磁化？為什么吸鐵石能吸引鋼鐵？為什么指南針會(huì)自動(dòng)地指示方向？由于物質(zhì)的磁性既看不到，也摸不著，我們無(wú)法自己的五種感官（聽覺(jué)、視覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)）直接體會(huì)磁性的存在，也不能很容易地回答上面的問(wèn)題。所以磁性的本質(zhì)和來(lái)源也就被多少蒙上了一些神秘色彩。

2023/1/113CompanyLogo物質(zhì)磁性的來(lái)源怎樣表示物質(zhì)磁性的強(qiáng)弱呢？為什么吸鐵石并沒(méi)有接觸鋼鐵就可以吸引它？從這些神秘的問(wèn)題中我們就可以發(fā)現(xiàn)磁性材料的神奇作用。

2023/1/114CompanyLogo物質(zhì)磁性的來(lái)源在一塊硬紙板的下面放兩塊磁鐵，并且讓它們的S極相對(duì)。紙板上面撒一些細(xì)的鐵粉末。看會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？鐵的粉末會(huì)自動(dòng)排列起來(lái)，形成一串串曲線的樣子。其中，N極和S極之間的曲線是連續(xù)的，也就是說(shuō)曲線從N極直至S極。而S極和S極之間的曲線互相排斥，不能融合和貫穿。這種現(xiàn)象說(shuō)明，磁鐵的磁極之間存在某種聯(lián)系。因此，我們可以假想，在磁極之間存在著一種曲線，它代表著磁極之間相互作用的強(qiáng)弱。這種假想的曲線稱為磁力線，并規(guī)定磁力線從N極出發(fā)，最終進(jìn)入S極。這樣，只要有磁極存在，它就向空間不斷地發(fā)出磁力線，而且離磁極近的地方磁力線密，而遠(yuǎn)處磁力線稀疏。2023/1/115CompanyLogo物質(zhì)磁性的來(lái)源有了磁力線，我們就可以很方便地描述磁鐵之間的相互作用。但是必須明白，磁力線是我們?yōu)榱死斫夥奖愣傧氲模瑢?shí)際上并不存在。在磁極周圍的空間中真正存在的不是磁力線，而是一種場(chǎng)，我們稱之為磁場(chǎng)。磁性物質(zhì)的相互吸引等就是通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)行的。我們知道，物質(zhì)之間存在萬(wàn)有引力，它是一種引力場(chǎng)。磁場(chǎng)與之類似，是一種布滿磁極周圍空間的場(chǎng)。磁場(chǎng)的強(qiáng)弱可以用假想的磁力線數(shù)量來(lái)表示，磁力線密的地方磁場(chǎng)強(qiáng)，磁力線疏的地方磁場(chǎng)弱。單位截面上穿過(guò)的磁力線數(shù)目稱為磁通量密度。

2023/1/116CompanyLogo物質(zhì)磁性的來(lái)源有了磁場(chǎng)的概念，我們便可以深入理解一些磁現(xiàn)象。例如，指南針之所有能夠指示方向，實(shí)際上是由于指南針處于地球磁場(chǎng)中，地球的N極和S極分別對(duì)指南針的S極和N極的吸引力使得指南針轉(zhuǎn)動(dòng)，直至指南針的N極正好指向地球的S極（北極），指南針的S極指向地球的N極（南極）為止。又如，如果把一個(gè)指南針和一根金屬導(dǎo)線平行放置，再向?qū)Ь€內(nèi)通電，那么，導(dǎo)線電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)就會(huì)和指南針的磁場(chǎng)發(fā)生相互作用，使得指南針轉(zhuǎn)動(dòng)，直到它和導(dǎo)線垂直為止。

2023/1/117CompanyLogo現(xiàn)代科學(xué)表明，物質(zhì)的磁性來(lái)源于物質(zhì)原子中的電子。我們知道，物質(zhì)是由原子組成的，而原子又是由原子核和位于原子核外的電子組成的。原子核好象太陽(yáng)，而核外電子就仿佛是圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的行星。另外，電子除了繞著原子核公轉(zhuǎn)以外，自己還有自轉(zhuǎn)（叫做自旋），跟地球的情況差不多。一個(gè)原子就象一個(gè)小小的“太陽(yáng)系”。另外，如果一個(gè)原子的核外電子數(shù)量多，那么電子會(huì)分層，每一層有不同數(shù)量的電子。第一層為1s，第二層有兩個(gè)亞層2s和2p，第三層有三個(gè)亞層3s、3p和3d，依此類推。

物質(zhì)磁性的來(lái)源2023/1/118CompanyLogo物質(zhì)磁性的來(lái)源在原子中，核外電子帶有負(fù)電荷，是一種帶電粒子。電子的自轉(zhuǎn)會(huì)使電子本身具有磁性，成為一個(gè)小小的磁鐵，具有N極和S極。逆時(shí)針的電子流產(chǎn)生小磁鐵的NS極。2023/1/119CompanyLogo

既然電子的自轉(zhuǎn)會(huì)使它成為小磁鐵，那么原子乃至整個(gè)物體會(huì)不會(huì)就自然而然地也成為一個(gè)磁鐵了呢？當(dāng)然不是。如果是的話，豈不是所有的物質(zhì)都有磁性了？為什么只有少數(shù)物質(zhì)（象鐵、鈷、鎳等）才具有磁性呢？原來(lái)，電子的自轉(zhuǎn)方向總共有上下兩種。在一些數(shù)物質(zhì)中，具有向上自轉(zhuǎn)和向下自轉(zhuǎn)的電子數(shù)目一樣多，如右面的上圖所示，它們產(chǎn)生的磁極會(huì)互相抵消，整個(gè)原子，以至于整個(gè)物體對(duì)外沒(méi)有磁性。而低于大多數(shù)自轉(zhuǎn)方向不同的電子數(shù)目不同的情況來(lái)說(shuō)，雖然這些電子所磁矩不能相互抵消，導(dǎo)致整個(gè)原子具有一定的總磁矩。但是這些原子磁矩之間沒(méi)有相互作用，它們是混亂排列的，所以整個(gè)物體沒(méi)有強(qiáng)磁性。物質(zhì)磁性的來(lái)源2023/1/1110CompanyLogo我國(guó)古代對(duì)磁性物質(zhì)的應(yīng)用事例春秋時(shí)代，人們已經(jīng)能夠?qū)⒂捕?度至7度的軟玉和硬玉琢磨成

各種形狀的器具，因此也能將硬度只有5.5度至6.5度的天然磁石制

成司南。東漢時(shí)的王

充在他的著作《論衡》中對(duì)司南的

形狀和用法做了明確的記錄。司南是用整塊天然磁石經(jīng)

過(guò)琢磨制成勺型，勺柄指南極，并使整個(gè)勺的重心恰好

落到勺底的正中，勺置于光滑的地盤之中，地盤外方內(nèi)

圓，四周刻有干支四維，合成二十四向。司南的出現(xiàn)是

人們對(duì)磁體指極性認(rèn)識(shí)的實(shí)際應(yīng)用。

2023/1/1111CompanyLogo我國(guó)古代對(duì)磁性物質(zhì)的應(yīng)用事例指南針的始祖大約出現(xiàn)在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期。它是用天然磁

石制成的。樣子象一把湯勺，圓底，可以放在平滑的“

地盤”上并保持平衡，且可以自由旋轉(zhuǎn)。當(dāng)它靜止的時(shí)

候，勺柄就會(huì)指向南方。古人稱它為“司南”，當(dāng)時(shí)的

著作《韓非子》中就有：“先王立司南以端朝夕?！薄岸顺Α本褪钦姆健⒍ǚ轿坏囊馑?。

中國(guó)古代的司南2023/1/1112CompanyLogo我國(guó)古代對(duì)磁性物質(zhì)的應(yīng)用春秋時(shí)代，人們已經(jīng)能夠?qū)⒂捕?度至7度的軟玉和硬玉琢磨成

各種形狀的器具，因此也能將硬度只有5.5度至6.5度的天然磁石制

成司南。東漢時(shí)的王

充在他的著作《論衡》中對(duì)司南的

形狀和用法做了明確的記錄。司南是用整塊天然磁石經(jīng)

過(guò)琢磨制成勺型，勺柄指南極，并使整個(gè)勺的重心恰好

落到勺底的正中，勺置于光滑的地盤之中，地盤外方內(nèi)

圓，四周刻有干支四維，合成二十四向。司南的出現(xiàn)是

人們對(duì)磁體指極性認(rèn)識(shí)的實(shí)際應(yīng)用。

2023/1/1113CompanyLogo常見的磁性物質(zhì)在生活中的應(yīng)用久磁性靈敏指南針磁性鎖和磁性鑰匙能自動(dòng)拉合的磁性門簾磁寶石制成的磁性項(xiàng)鏈2023/1/1114CompanyLogo現(xiàn)今磁性物質(zhì)應(yīng)用的新領(lǐng)域磁流變液是一種具有良好發(fā)展前景和工程應(yīng)用價(jià)值的新型智能材料，它是由微米級(jí)(1~10m)磁性顆粒(如鐵(Fe))、鈷(Co)、鎳(Ni)及其合金、鐵氧體等)、載液(如礦物油、硅油、水和其他復(fù)雜的混合體等)和表面活性劑組成的穩(wěn)定的懸浮液體。在外加磁場(chǎng)作用下，會(huì)產(chǎn)生明顯的磁流變效應(yīng)：在固體與液態(tài)之間進(jìn)行毫秒(ms)級(jí)快速可逆轉(zhuǎn)化，其粘度保持連續(xù)無(wú)級(jí)可控，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)主動(dòng)控制，耗能極小，因而在航空航天、機(jī)械工程、汽車工業(yè)、精密加工、建筑工程、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，可完成智能傳動(dòng)、制動(dòng)、減振、降噪等功能，制成閥式、剪切式和擠壓式各類磁流變液器件，如液壓控制伺服閥、離合器與制動(dòng)器、振動(dòng)懸架、減振器等。2023/1/1115CompanyLogo磁性物質(zhì)應(yīng)用的新領(lǐng)域磁流變液的粘度在磁場(chǎng)作用下會(huì)逐漸增大，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度大到一定值時(shí)由液態(tài)完全轉(zhuǎn)變成固態(tài)，其過(guò)程快速可逆，這是最引人注目的特性；同時(shí)磁流變液具有較大的屈服應(yīng)力，在240kA/m時(shí)可達(dá)100kPa，是電流變液的20~50倍；并且磁流變液具有良好的動(dòng)力學(xué)和溫度穩(wěn)定性，因而近年來(lái)受到了國(guó)內(nèi)外科技界和工業(yè)界的高度重視，美國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)的許多科學(xué)家和一些企業(yè)紛紛投資開展研究，并且已有產(chǎn)品專利與不同型號(hào)的磁流變液產(chǎn)品上市。2023/1/1116CompanyLogo磁性物質(zhì)應(yīng)用的新領(lǐng)域磁致伸縮與稀土超磁致伸縮材料在外加磁場(chǎng)作用下，材料的尺寸和體積發(fā)生改變的效應(yīng)稱為磁致伸縮效應(yīng)。具有磁致伸縮效應(yīng)的材料即稱為磁致伸縮材料，而最具實(shí)際用途的是尺寸發(fā)生改變的線磁致伸縮材料，其特征參數(shù)是飽和磁致伸縮系數(shù)S、飽和磁化強(qiáng)度Ms、機(jī)電耦合系數(shù)K。2023/1/1117CompanyLogo磁性物質(zhì)應(yīng)用的新領(lǐng)域

稀土超磁致伸縮材料的智能化應(yīng)用以T-D為代表的稀土超磁致伸縮材料作為一種新的高效磁(電)能-機(jī)械(聲)能轉(zhuǎn)換材料，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于壓電陶瓷(PZT)等其他材料，T-D材料的磁彈性、聲學(xué)力學(xué)、磁電熱性能呈現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，因此將其作成換能器則具有大位移、強(qiáng)力、大功率、精密控制、快響應(yīng)、高可靠、磁(電)-機(jī)轉(zhuǎn)換效率高、頻帶寬、能量供應(yīng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，所以在智能化應(yīng)用方面有著廣闊的前景。2023/1/1118CompanyLogo磁性物質(zhì)應(yīng)用的新領(lǐng)域應(yīng)用T-D材料的性能優(yōu)勢(shì)可制成大量應(yīng)用器件，如磁(電)-機(jī)械換能器(驅(qū)動(dòng)器)、傳感器和電子器件，至今已有千種之多。美國(guó)海軍于20世紀(jì)80年代初開始研制T-D水下聲納。每單節(jié)由永磁體產(chǎn)生偏磁場(chǎng)，螺線管產(chǎn)生交流磁場(chǎng)，隨著磁場(chǎng)的變化環(huán)就膨脹收縮將聲波發(fā)射出去，其性能良好。日本用T-D驅(qū)動(dòng)單元裝置了8單元環(huán)狀換能器，工作距離為10000km，而壓電換能器在水下的工作距離僅300km，使用2年未出現(xiàn)過(guò)故障。2023/1/1119CompanyLogo磁性物質(zhì)應(yīng)用的新領(lǐng)域結(jié)束語(yǔ)：材料是磁性物質(zhì)應(yīng)用中的突破點(diǎn)，找到好的磁性材料是關(guān)鍵。智能材料是本世紀(jì)材料科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，智能磁性材料是其中的一個(gè)成員，磁性液體