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)磁性的來源我國古代對磁性物質(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？為什么指南針會自動地指示方向？由于物質(zhì)的磁性既看不到，也摸不著，我們無法自己的五種感官（聽覺、視覺、味覺、嗅覺、觸覺）直接體會磁性的存在，也不能很容易地回答上面的問題。所以磁性的本質(zhì)和來源也就被多少蒙上了一些神秘色彩。

2023/1/113CompanyLogo物質(zhì)磁性的來源怎樣表示物質(zhì)磁性的強弱呢？為什么吸鐵石并沒有接觸鋼鐵就可以吸引它？從這些神秘的問題中我們就可以發(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。紙板上面撒一些細(xì)的鐵粉末。看會發(fā)生什么現(xiàn)象？鐵的粉末會自動排列起來，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，而遠處磁力線稀疏。2023/1/115CompanyLogo物質(zhì)磁性的來源有了磁力線，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?，實際上并不存在。在磁極周圍的空間中真正存在的不是磁力線，而是一種場，我們稱之為磁場。磁性物質(zhì)的相互吸引等就是通過磁場進行的。我們知道，物質(zhì)之間存在萬有引力，它是一種引力場。磁場與之類似，是一種布滿磁極周圍空間的場。磁場的強弱可以用假想的磁力線數(shù)量來表示，磁力線密的地方磁場強，磁力線疏的地方磁場弱。單位截面上穿過的磁力線數(shù)目稱為磁通量密度。

2023/1/116CompanyLogo物質(zhì)磁性的來源有了磁場的概念，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，實際上是由于指南針處于地球磁場中，地球的N極和S極分別對指南針的S極和N極的吸引力使得指南針轉(zhuǎn)動，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)生的磁場就會和指南針的磁場發(fā)生相互作用，使得指南針轉(zhuǎn)動，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，而核外電子就仿佛是圍繞太陽運轉(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。一個原子就象一個小小的“太陽系”。另外，如果一個原子的核外電子數(shù)量多，那么電子會分層，每一層有不同數(shù)量的電子。第一層為1s，第二層有兩個亞層2s和2p，第三層有三個亞層3s、3p和3d，依此類推。

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

既然電子的自轉(zhuǎn)會使它成為小磁鐵，那么原子乃至整個物體會不會就自然而然地也成為一個磁鐵了呢？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，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)生的磁極會互相抵消，整個原子，以至于整個物體對外沒有磁性。而低于大多數(shù)自轉(zhuǎn)方向不同的電子數(shù)目不同的情況來說，雖然這些電子所磁矩不能相互抵消，導(dǎo)致整個原子具有一定的總磁矩。但是這些原子磁矩之間沒有相互作用，它們是混亂排列的，所以整個物體沒有強磁性。物質(zhì)磁性的來源2023/1/1110CompanyLogo我國古代對磁性物質(zhì)的應(yīng)用事例春秋時代，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。東漢時的王

充在他的著作《論衡》中對司南的

形狀和用法做了明確的記錄。司南是用整塊天然磁石經(jīng)

過琢磨制成勺型，勺柄指南極，并使整個勺的重心恰好

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

人們對磁體指極性認(rèn)識的實際應(yīng)用。

2023/1/1111CompanyLogo我國古代對磁性物質(zhì)的應(yīng)用事例指南針的始祖大約出現(xiàn)在戰(zhàn)國時期。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

候，勺柄就會指向南方。古人稱它為“司南”，當(dāng)時的

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?、定方位的意思。

中國古代的司南2023/1/1112CompanyLogo我國古代對磁性物質(zhì)的應(yīng)用春秋時代，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。東漢時的王

充在他的著作《論衡》中對司南的

形狀和用法做了明確的記錄。司南是用整塊天然磁石經(jīng)

過琢磨制成勺型，勺柄指南極，并使整個勺的重心恰好

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

人們對磁體指極性認(rèn)識的實際應(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拉合的磁性門簾磁寶石制成的磁性項鏈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)用價值的新型智能材料，它是由微米級(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。在外加磁場作用下，會產(chǎn)生明顯的磁流變效應(yīng)：在固體與液態(tài)之間進行毫秒(ms)級快速可逆轉(zhuǎn)化，其粘度保持連續(xù)無級可控，可實現(xiàn)實時主動控制，耗能極小，因而在航空航天、機械工程、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、制動、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、離合器與制動器、振動懸架、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作用下會逐漸增大，當(dāng)磁場強度大到一定值時由液態(tài)完全轉(zhuǎn)變成固態(tài)，其過程快速可逆，這是最引人注目的特性；同時磁流變液具有較大的屈服應(yīng)力，在240kA/m時可達100kPa，是電流變液的20~50倍；并且磁流變液具有良好的動力學(xué)和溫度穩(wěn)定性，因而近年來受到了國內(nèi)外科技界和工業(yè)界的高度重視，美國、日本、德國等國的許多科學(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、飽和磁化強度Ms、機電耦合系數(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-機械(聲)能轉(zhuǎn)換材料，其性能遠遠優(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，因此將其作成換能器則具有大位移、強力、大功率、精密控制、快響應(yīng)、高可靠、磁(電)-機轉(zhuǎn)換效率高、頻帶寬、能量供應(yīng)簡單等優(yōu)點，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)勢可制成大量應(yīng)用器件，如磁(電)-機械換能器(驅(qū)動器)、傳感器和電子器件，至今已有千種之多。美國海軍于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，螺線管產(chǎn)生交流磁場，隨著磁場的變化環(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)過故障。2023/1/1119CompanyLogo磁性物質(zhì)應(yīng)用的新領(lǐng)域結(jié)束語：材料是磁性物質(zhì)應(yīng)用中的突破點，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成員，磁性液體