当前课程知识点:材料学概论 > 第12讲 磁性及磁性材料 > 12.1 磁性的来源 > 12.1.1 磁性源于电流
好 我们讲第九章
磁性及磁性材料
我们这一章的重点
就是讲磁性的来源
磁性材料的分类
磁畴和磁滞回线
软磁材料和硬磁材料
主要是这几部分内容
那么首先我们看
关于磁性的来源
我们学童时代就有些经验
我们拿一根线吊起一个磁体来
这个磁体会自然的南北取向
我们同性极互相排斥
异向极互相吸引
如果用一些铁屑
放在一个磁铁上
那么这些铁屑
会按照磁力线的方向
像针一样的立起来
那么这些现象当时是不可思议
我们到了中学的时候
初高中的时候
我们讲磁学的时候
有一些个现象
跟电学做比较
那么正电荷互相吸引
那么正极磁极也是互相吸引的
但是电力线是从正极出来
负极结束
那么磁力线它是从N极出去
S极进来
它形成一条封闭的曲线
这一点就不一样了
那么正电荷负电荷一接触
它就消失了
那么正磁极负磁极一接触
磁性没有了
但是还可以把它分开
分开又是个N极 S极了
那么电荷有电荷之分
磁没有磁荷
它只有正极负极
没有这个磁荷之分
所以这些现象
我们就觉得好像是磁学
比电学更要难一些
这些现象往往不好理解
那么从历史上讲
应该讲从历史上讲
磁的发现要比电要早的多
比方说在公元前3世纪
在《吕氏春秋》里边
就有一句话
叫做慈石召铁 或引之也
那意思是什么
就是磁铁像慈母一样
对于铁片像对待她的孩子一样
吸引照顾
那么现在我们汉语当中
磁铁的磁
日语当中磁石的磁
都源于当时我们《吕氏春秋》
这个磁字
当然这个磁不是这么写的了
司马迁在《史记》当中
讲过黄帝利用指南车参加战斗
如果这句话是真的
当然是司马迁
他利用别人的传说了
是他说黄帝利用指南车
来参加战斗
那么如果这句话是真的
我们中国发现磁铁
早于世界上任何国家
这个当然有待查证了
到宋朝以后
关于磁铁的技术就很多很多了
比方说在1044年
曾公亮有一本书叫做
《武经总要》
它就记录了
磁铁是怎么制的
它当时叫磁鱼
把这个铁片或者是钢片
铰成鱼的形状
在炭火当中加热
加红热的过程当中
朝着这个南北方向
倾斜的放入水里边
当时不叫淬火
现在我们看是个淬火
把它拿出来
那么这个小磁鱼的指向
就是什么 南北指向
这就是1044年
我们中国人已经会做磁铁了
会做磁铁了
那么后来在1088年
沈括一本书叫做
《梦溪笔谈》
他是讲了用绣花针怎么做磁铁
然后他还测出了这个磁铁的
这个倾角
所谓这个倾角就是说
它的指向跟地球的南北极的
这个指向之间的差别
还是很精密的
后来朱彧在1119年
在萍州可谈当中
有文字记载
就指南针用于航海
据说马可波罗
意大利人马可波罗到中国来
把中国的指南针带回去了
来用于航海
那么这样也 也是一种传说了
也是一种传说了
意思是说
我们中国人发明磁性材料
用磁性材料做指南针
当然指南针是中国的
四大发明之一了
它是先于世界的其他地方
那么磁铁这个磁
叫做magnet
它是源于什么
(古希腊)的一个地方
这个地名是Magnesia
源于这个地方
这就是的发展
当然人大规模的
有意识的制造磁性材料
是在20世纪初的事情
那么这就是关于这个
磁性和磁性材料的一些
发展的历史过程
我们下边要讲的一个问题
是什么
就是说到底什么叫做磁性
磁性它是怎么来的
磁性是怎么来的
什么叫磁性
磁性怎么来的
应该说我提出了第一个命题
是什么
所有的磁性它都源于电流
有电流才有磁性
磁性的根源在于电流
我们中学里学过
直流电流当中周围有磁场
一个线圈当通过电流的时候
它会产生N极S极
交流电的周围会有电磁场
所以这个磁性它的根源
在于电流
那么第二个命题
应该是这么说
就是说所有材料
都具有磁性
应该是这样讲的
广义的磁性都具有磁性
那么就什么叫做磁性
有两种说法
一种说法是什么
就是说在磁场的作用之下
物体的状态发生变化
产生新的磁场
第二种说法就是说
在磁场的作用之下
物体会磁性状态会发生变化
会产生新的磁场
或者是它自发的会产生出
磁场出来
这两种定义
都是关于这个磁性
什么叫磁性
那么这里边就讲了
任何材料都有磁性
按照我刚才的定义说
只要有外场磁场的作用
它的原来的磁性
就会发生变化
那么从这种意义上讲
材料的磁性有各种各样的类型
我们常见的类型
可以有弱磁性有强的磁性
一般来讲是磁性很弱的
一个磁性很强的
如果要细分
在弱磁性当中
有抗磁性的材料
有反铁磁性的材料
有顺磁性的材料
那么在强磁性的材料当中
有铁磁性的材料
和亚铁磁性的材料
那么磁性的分类
是这样分类的
我们刚才讲了
既然说磁性源于电流
磁性的来源在于电流
那么我们刚才说的
这几种材料的分类
是怎么源于电流
它到底是什么原因产生的
我想是这样
因为物质是由原子所组成的
原子又是由原子核
和核外电子所组成的
那么核外电子带电
它要运动就会产生电流
原子核带电
它要运动也会产生电流
这些电流都会产生磁性
都会产生磁性
你比方说电子的运动
有轨道运动
电子的运动有自旋运动
轨道运动和自旋运动
应该讲它都会产生什么
都会产生磁矩
那么有了磁矩它就会有磁性
那么原子核
它是带电的
如果原子核运动
它也会产生磁性
但是原子核的磁性
相对于电子自旋磁矩
产生的磁性和轨道磁矩
产生的磁矩
相比要小的多
大概几千分之一
几百分之一
它也是有磁性的
你比方说我们在医院里边
经常检查身体的时候
那个核磁共振
它利用的就是核它的
运动的磁矩叫做核磁矩
但是这个核磁矩非常小
那好了
因为原子的核外电子
它都是由轨道运动
和自旋运动
轨道运动产生这个
这个轨道磁矩
自旋运动产生自旋磁矩
按说起来
这两种运动都会产生磁矩
那就会有磁性
但是
由于它的运动状态不同
或者是特别是晶体当中
它变成固体以后
那么它的原子之间的相互位置
对应的相对的运动
对应的相互的作用
因此它的原子的磁矩作用不同
因此产生了不同的磁性的类型
首先讲我就讲这个抗磁性的
什么叫做抗磁性的
那么产生抗磁性的原因是什么
就是说它的轨道磁矩
或者自旋磁矩
或者叫做原子磁矩
它彼此是抵消的
彼此是可以说是
完全抵消的
比方说像一些惰性气体
氦氖氩氪氙氡这些惰性气体
还有金 银这些物质
它的这个轨道磁矩
或者自旋磁矩
是完全抵消的
在外界这个原子体现不出来
当你在外场
外磁场的作用之下
它可能原来的轨道磁矩
和自旋磁矩
有一些微弱的反应
这个微弱的反应
跟外磁场是相反的
把这种磁性
我们给它叫做抗磁性
它这个磁化率是非常低的
而且它的磁化率是负的
这跟我们平常有一个线圈
我们拿一个磁场
拿一个磁铁跟它一靠近
线圈跟磁铁
它有很微弱的排斥作用
是一样的
把这种磁性
我们给它叫做抗磁性的
一般气体它为什么是这种样子
因为气体他本身他首先是
闭壳层的
它闭壳层它的原子磁矩
反应不出来
而且原子之间它又没有
固定的相互作用
它是在空间当中飞行的
因此它表现为抗磁性的
那么我们看这个图
这个图左面第一个图
是反铁磁性
为什么是反铁磁性
注意 这个反铁磁性
这个材料它是有了原子磁矩
有了原子磁矩
已经对外表现出原子磁矩来了
刚才那个抗磁性的材料
有的对外就不表现出
原子磁矩来
那么反铁磁性
对外它是每个原子表现出来了
磁矩出来了
但是这些原子磁矩的排列
是平行的而且是相反的
大小相等方向相反
排列是平行的
因此它对外表现不出磁矩出来
表现不出磁性出来
在外场的作用之下
那它跟逆磁性材料不太一样
它在外场作用之下
它可能跟外场有净的
平行的排列的情况
把它叫做反铁磁性的
反铁磁性很弱
它的磁化率是正的
但是值很小
那么所谓顺磁性的材料
是什么意思
顺磁性的材料
就是在温度以上
在绝对零度以上
这些原子磁矩
它是非常混乱的
彼此互相抵消的
有原子磁矩但是
它是混乱的
彼此是抵消的
那么对外表现不出
这个净磁矩出来
那么在外磁场的作用之下
顺磁性的材料
也可能也会表现出
跟外磁场相同的一些磁矩出来
但是也是很弱
这是关于抗磁性反铁磁性
顺磁性
这些都是弱磁性的材料
都是弱磁性的材料
下边我们讲上边这个图的
最右边叫做铁磁性
铁磁性材料是
它是起源是什么
它是原子磁矩平行排列
平行排列大小相等
平行排列大小相等
对外表现出磁矩
而且这个磁矩比较强
它的磁化率比较高比较大
磁化率比较大
那么这是铁磁性材料
还有一种磁性比较强的
叫做亚铁磁性
亚铁磁性是怎么意思
就是说在这个材料当中
有两种类型的原子磁矩
那么一种是朝上的
一种是朝下的 彼此平行
一个朝上一个朝下的
不过朝上的这个强
朝下的这个弱
或者是朝上的这个弱
朝下的这个强
二者相减 对外表现出
原子磁矩出来了
这种叫做亚铁磁性
很显然一般来讲
亚铁磁性的磁性
不如铁磁性的强
一般来讲
我们说铁磁性跟亚铁磁性
是强磁性的材料
抗磁性反铁磁性顺磁性
是弱磁性的材料
我们平常所说的磁性材料
我们平常约定
约定俗成的那个磁性材料
都指的铁磁性的
和亚铁磁性的
它的来源是这个来源
注意 反铁磁性
顺磁性和铁磁性
它都是固体所具有的性质
它已经排成固体了
因为原子有磁矩了
排成固体了
就是这个原子磁矩怎么作用
如果作用的互相相反
那么就是反铁磁性的
如果它是在一定温度下
它非常紊乱
就是顺磁性的
如果它是整齐的
排列成一个方向
就是铁磁性的
很显然铁磁性和亚铁磁性的
磁性肯定是比较强的
我们就看看这个图
就可以看的出来
铁磁性的情况
顺磁性的情况
反铁磁性的情况
和完全 完全抗磁性
完全抗磁性的超导体
就是这种情况
当然我们刚才这个
看这个磁性的起源
我们刚才是按照这个
原子磁矩来讨论这个
各种类型的分类
如果我们按照物质
跟一个磁极的反应来讲
很明显
你看这个图上所示的
中间一个支点
那边是个砝码这边是个物质
本来它是平衡的
拿一个磁铁靠近它
强烈吸引的那就是铁磁性
或者亚铁磁性
轻微吸引的就是弱磁性
反铁磁性
那么轻微排斥的
就是抗磁性的
强烈排斥的
就是完全抗磁性的
这是从外观表示
我们刚才讲的是从这个
磁性的起源来考虑
上边所讲
就是磁性材料的分类
磁性材料的分类
那么磁性材料的分类
对于我们初学磁性的人来讲
非常重要
这一点非常重要
一定要弄清楚了
什么是抗磁性的
什么是反铁磁性的
什么是顺磁性的
什么是铁磁性的
什么是亚铁磁性的
哪个强哪个弱
它的根源是什么
先把这个问题弄清楚了
好 我们看 看这张表
就是磁性分类及其产生机制
那么强磁性的
有铁磁性和亚铁磁性
弱磁性的有顺磁性的
反铁磁性的和抗磁性的
我们看看这个物质的实例
铁磁性的是铁钴镍
铁钴镍三个过渡族元素
那么下边就是稀土元素
铁钴镍是三个过渡族元素
注意 下边是钆锝镝
等元素及其合金
还有金属间化合物等等
那么注意我们在开始讲的时候
首先明白就是
铁磁性材料的代表
是铁钴镍
注意代表是铁钴镍
记着为什么是铁钴镍
下边我们要讲
亚铁磁性的代表
亚铁磁性注意
亚铁磁性一定是什么
各种铁氧体材料
还有一些它元素材料
纯元素的材料
不可能组成亚铁磁性的
它一定是两种
或者两种以上的
表现为一大一小
磁矩一大一小
它一定是这个
代表的是各种铁氧体
顺磁性的材料
看看这个举例子
什么氧 铂什么这些
1A族 2A族等等这些
反铁磁性
待会我们还可以看到
有铬 锰 这个钕钐
等过渡族
或者稀土化合物
那么抗磁性
主要是金银
还有这个惰性气体
我们这张表当中
特别 因为我们下边讲
这个磁性材料
主要讲的铁磁性材料
和亚铁磁性材料
铁磁性材料
和亚铁磁性材料
我们要弄清楚了
哪些材料是铁磁性的
哪些材料是亚铁磁性的
铁磁性产生的根源是什么
亚铁磁性产生的根源
是什么
把这两个问题一定要弄的
非常非常清楚
一定要弄的非常清楚
什么是铁磁性的
什么是亚铁磁性的
铁磁性产生的根源是什么
亚铁磁性产生的根源是什么
这是我们讨论问题
最重要的部分
-1.1 材料的定义和分类,选择材料的标准
-1.1 材料的定义和分类,选择材料的标准--作业
-1.2 材料的作用
--1.2.7 “制造材料者制造技术”,材料可以“以不变应万变”
-1.2 材料的作用--作业
-1.3 材料科学与工程四面体
-1.3 材料科学与工程四面体--作业
-1.4 材料与创新
--1.4.2 “9.11事件”世贸大厦垮塌和“3.11大地震”福岛核事故都涉 及材料
-1.4 材料与创新--作业
-本讲作业--作业
-2.1 元素在周期表中的位置决定于其核外电子排布
--2.1.3 原子的核外电子排布(1)——量子数和电子轨道
--2.1.4 原子的核外电子排布(2)——电子排布的三个准则
-2.1 元素在周期表中的位置决定于其核外电子排布--作业
-2.2 元素周期表反映元素的规律性
--2.2.1 核外电子排布的应用(1)——碳的sp3、sp2、sp杂化
--2.2.2 核外电子排布的应用(2)——四面体键的奇妙之处
--2.2.3 核外电子排布的应用(3)——电子授受及元素氧化数变化
--2.2.4 核外电子排布的应用(4)——过渡族元素和难熔金属
-2.2 元素周期表反映元素的规律性--作业
-2.3 过渡族元素、稀土元素和镧系元素
-2.3 过渡族元素、稀土元素和镧系元素--作业
-本讲作业--作业
-3.1 材料性能与组织结构的关系
-3.1 材料性能与组织结构的关系--作业
-3.2 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体
-3.2 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体--作业
-本讲作业--作业
-4.1 高炉炼铁和转炉炼钢
-4.1 高炉炼铁和转炉炼钢--作业
-4.2 金属材料的组织结构
-4.2 金属材料的组织结构--作业
-4.3 铸锭及其组织
-4.3 铸锭及其组织--作业
-本讲作业--作业
-5.1 金属材料的加工
-5.1 金属材料的加工--作业
-5.2 钢材的热处理
--5.2.4 钢的淬火(quenching)(1)——加热和急冷的选择
--5.2.5 钢的淬火(quenching)(2)——增加淬透性和防止淬火开裂
-5.2 钢材的热处理--作业
-5.3 钢的强化机制
--5.3.6 合金钢(2)——高速钢、不锈钢、弹簧钢和轴承钢
-5.3 钢的强化机制--作业
-本讲作业--作业
-6.1 粉体材料的性能
--6.1.1 粉体及其特殊性能(1)——小粒径和高比表面积
--6.1.2 粉体及其特殊性能(2)——易流动性和高分散性
--6.1.3 粉体及其特殊性能(3)——低熔点和高化学活性
--6.1.4 粉体的特性及测定(1)——粒径和粒径分布的测定
--6.1.5 粉体的特性及测定(2)——密度及比表面积的测定
--6.1.6 粉体的特性及测定(3)——折射率和附着力的测定
-6.1 粉体材料的性能--作业
-6.2 粉体的加工与处理
-6.2 粉体的加工与处理--作业
-6.3 粉体的应用
--6.3.3 粉体精细化技术——粒度精细化及粒子形状的改善
-6.3 粉体的应用--作业
-6.4 纳米材料
-6.4 纳米材料--作业
-本讲作业--作业
-7.1 陶瓷材料的定义和分类
-7.1 陶瓷材料的定义和分类--作业
-7.2 坯体成型
--7.2.2 陶瓷成型工艺(1)——旋转制坯成型和注浆成型
--7.2.3 陶瓷成型工艺(2)——干压成型、热压注成型和等静压成型
--7.2.4 陶瓷成型工艺(3)——挤压成型、注射成型和流延成型
-7.2 坯体成型--作业
-7.3 陶瓷烧结
-7.3 陶瓷烧结--作业
-7.4 陶瓷材料的结构
-7.4 陶瓷材料的结构--作业
-7.5 结构陶瓷
--7.5.1 结构陶瓷及应用(1)——Al2O3和Zr02
--7.5.2 结构陶瓷及应用(2)——TiO2、BeO和AlN
-7.5 结构陶瓷--作业
-7.6 功能陶瓷
--7.6.4 功能陶瓷及应用(3)——微波器件、传感器和超声波马达
-7.6 功能陶瓷--作业
-本讲练习--作业
-8.1 玻璃的发展简史
-8.2 玻璃的定义和特征
-8.3 玻璃的加工
-8.1-8.3 小节练习--作业
-8.4 建筑及高铁用玻璃
--8.4 建筑及高铁用玻璃--作业
-8.5 高技术玻璃
-8.5 高技术玻璃--作业
-本讲练习--作业
-9.1 何谓高分子和聚合物
-9.1 何谓高分子和聚合物--作业
-9.2 聚合物的合成
-9.2 聚合物的合成--作业
-9.3 从结构层次看聚合物
-9.3 从结构层次看聚合物--作业
-本讲练习--作业
-10.1 高分子材料性能与加工
--10.1.8 聚合物的成形加工及设备(1)——压缩模塑和传递模塑
--10.1.9 聚合物的成形加工及设备(2)——挤出成型和射出成型
--10.1.10 聚合物的成形加工及设备(3)——塑料薄膜和纤维丝制造
-10.1 高分子材料性能与加工--作业
-10.2 胶粘剂和涂料
-10.2 胶粘剂和涂料--作业
-本讲练习--作业
-11.1 复合材料的定义和分类
-11.1 复合材料的定义和分类--作业
-11.2 增强材料和基体材料
-11.2 增强材料和基体材料--作业
-11.3 复合材料的应用
-11.4 天然复合材料
-11.5 生物材料
-11.3-11.5 节练习--作业
-本讲练习--作业
-12.1 磁性的来源
--12.1.2 过渡金属元素3d壳层的电子结构与其磁性的关系
-12.1 磁性的来源--作业
-12.2 磁性材料的分类
-12.2 磁性材料的分类--作业
-12.3 磁畴和磁滞回线
-12.3 磁畴和磁滞回线--作业
-12.4 软磁材料与硬磁材料
-12.4 软磁材料与硬磁材料--作业
-本讲练习--作业
-13.1 薄膜的定义和薄膜形成的必要条件
-13.1 薄膜的定义和薄膜形成的必要条件--作业
-13.2 薄膜制备——PVD法
-13.2 薄膜制备——PVD法--作业
-13.3 薄膜制备——CVD法
-13.3 薄膜制备——CVD法--作业
-13.4 薄膜的加工
--13.4.2 反应离子刻蚀(RIE)和反应离子束刻蚀(RIBE)
-13.4 薄膜的加工--作业
-13.5 薄膜材料的应用
-13.5 薄膜材料的应用--作业
-本讲作业--作业


