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磁性材料与应用(2)
浏览次数:3381次 发布日期:2018-11-20

软磁合金粉芯的基础理论 (2)

              (磁性的历史与根源)

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引 言

在过去,电对于人类来说,是主导人类发展的核心之一; 在现代,电对于人类来说,就如同空气,水一般,是不可或缺的因素。因此,哪怕不是专家,一般人对于电也有普遍的认知,也意识到了电的重要性。

为了更安全有效地使用电器,我们身边大部分电器中都有磁性物质,但是很多人要么误以为这是电的一部分,要么根本不知道此类物体的存在,所以相对于它的贡献,并没有被广泛认识。

可是,近由于能量,环境等问题,高效率在电产品,太阳能发电,电车等领域成为重要话题。渐渐地,人们对磁性物质的认知也在慢慢改变,现在已成为战略性核心材料,促进了对于磁性物质的研究和开发。

因此学习磁性物质的学生和从事相关专业的人数越来越多,但是,可供他们参考的教材却不多,大部分的技术书籍都比较着重于理论性的部分,对于磁性物质的研究开发非常有局限性。

因此,在后期会结合实际,介绍关于磁性物质的全面理论。关于磁性物质的领域,从材料到产品及应用,因为涉及到的范围较为广泛,会分次,阶段性地进行介绍。

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磁学的历史 

磁学的历史起源于,人们发现了有一种奇怪的石头(磁铁矿)可以吸引铁,在西方是公元前7世纪,在东方是公元前3世纪左右。其实我们赖以生存的地球也是一个巨大的磁铁,构成地球内部构造之一的外部核的对流运动和地球的自转形成感应电流,从而形成地球磁场。根据这样的地球环境,初使用磁性物质的产品是指南针,对于人类的发展做出了很大的贡献。

对于磁学的研究是1600年在英国正式开始的,发现了磁铁的南北有两种不同的性质,同极相斥,异极相吸,而且有指向地球南北的性质。

后面直到1700年,都不知道电和磁的密切关系,以为两者是完全区分的,所以一直对两者分别进行了研究。直到1820年,丹麦的H.C. Oersted发现通过导线的电流会影响磁针,才知道电和磁有密切的关系,再后来发明了初的磁电石。

作为现代磁学基础的研究是从20世纪开始正式进行的,在20世纪后期随着电子产品的急速发展,磁作为决定电和电子产品性能,品质及竞争力的重要基础材料,做了更多的研究。


磁性的根源 

磁性的发生是因为物质内部的两种原因,这两种可以看作;一个是源于电子的,另一个是源于原子核的。

但是源于原子核的磁性相对于源于电子的只有数千分之一那么小,所以一般物质磁性的代表性原因可以归结于物质的电子运动。

电子做以自己为轴的旋转运动和围绕原子核的轨道运动,所以虽然根据物质有所不同,但是这两种运动,都会影响磁性值。

关于代表物质磁性特征的电子旋转运动,电子根据旋转方向,以+,-,两个方向运动,大部分的原子互相以+,-相反方向成对,所以正负值相抵,外部不会表现出磁性,但是在Fe, Ni, Co等强磁性物质中,在3d轨道之内不成对,因此外部会表现出很强的磁性。


以Fe为例; Fe的元素编号是26,由26个电子组成,其排列是1s22s22p63s23p63d64s2 ,

在3d 轨道有4个不成双的电子,而这4个电子则影响磁性。

在实际的Fe原子中3d轨道和4s轨道的能量相近,3d轨道的6的电子和4s轨道的2个电子相互作用,各轨道的实际电子排列不同,但在此不做更深的介绍。

过去以为影响物质磁性的,主要是来源于电子自转的旋转运动,但是根据对稀土类元素(Nd, Sm, Tb 等)的研究,发现此类元素除了电子的自转运动,电子的轨道运动也对磁性有很大的影响。


磁的单位

关于磁性物质的单位有cgs-emu(electromagnetic units)和SI(system internation)两种单位系。

cgs-emu系是从很久以前在所有磁的范围中使用的,而且现在也广泛使用于测量考试领域之中,但是SI系作为国际标准,逐步代替了它的位置。

两个系的区别在于;cgs-emu系在真空状态也有相同的磁感应强度B(magnetic induction)和磁场强度H(magnetizing force), SI系在真空状态下B值和H值不同,是在现有的cgs-emu系的基本单位meter-kilogram-second上添加了ampere的四个层次。image.png


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