磁性物质及其应用

磁性物质及其应用作者：魏利军刘东升指导老师：杨晓梅提纲物质磁性的来源我国古代对磁性物质的应用事例常见的磁性物质现今磁性物质应用的新领域12342023/1/112CompanyLogo物质磁性的来源为什么有些物质具有磁性？为什么它们可以被磁化？为什么吸铁石能吸引钢铁？为什么指南针会自动地指示方向？由于物质的磁性既看不到，也摸不着，我们无法自己的五种感官（听觉、视觉、味觉、嗅觉、触觉）直接体会磁性的存在，也不能很容易地回答上面的问题。所以磁性的本质和来源也就被多少蒙上了一些神秘色彩。

2023/1/113CompanyLogo物质磁性的来源怎样表示物质磁性的强弱呢？为什么吸铁石并没有接触钢铁就可以吸引它？从这些神秘的问题中我们就可以发现磁性材料的神奇作用。

2023/1/114CompanyLogo物质磁性的来源在一块硬纸板的下面放两块磁铁，并且让它们的S极相对。纸板上面撒一些细的铁粉末。看会发生什么现象？铁的粉末会自动排列起来，形成一串串曲线的样子。其中，N极和S极之间的曲线是连续的，也就是说曲线从N极直至S极。而S极和S极之间的曲线互相排斥，不能融合和贯穿。这种现象说明，磁铁的磁极之间存在某种联系。因此，我们可以假想，在磁极之间存在着一种曲线，它代表着磁极之间相互作用的强弱。这种假想的曲线称为磁力线，并规定磁力线从N极出发，最终进入S极。这样，只要有磁极存在，它就向空间不断地发出磁力线，而且离磁极近的地方磁力线密，而远处磁力线稀疏。2023/1/115CompanyLogo物质磁性的来源有了磁力线，我们就可以很方便地描述磁铁之间的相互作用。但是必须明白，磁力线是我们为了理解方便而假想的，实际上并不存在。在磁极周围的空间中真正存在的不是磁力线，而是一种场，我们称之为磁场。磁性物质的相互吸引等就是通过磁场进行的。我们知道，物质之间存在万有引力，它是一种引力场。磁场与之类似，是一种布满磁极周围空间的场。磁场的强弱可以用假想的磁力线数量来表示，磁力线密的地方磁场强，磁力线疏的地方磁场弱。单位截面上穿过的磁力线数目称为磁通量密度。

2023/1/116CompanyLogo物质磁性的来源有了磁场的概念，我们便可以深入理解一些磁现象。例如，指南针之所有能够指示方向，实际上是由于指南针处于地球磁场中，地球的N极和S极分别对指南针的S极和N极的吸引力使得指南针转动，直至指南针的N极正好指向地球的S极（北极），指南针的S极指向地球的N极（南极）为止。又如，如果把一个指南针和一根金属导线平行放置，再向导线内通电，那么，导线电流产生的磁场就会和指南针的磁场发生相互作用，使得指南针转动，直到它和导线垂直为止。

2023/1/117CompanyLogo现代科学表明，物质的磁性来源于物质原子中的电子。我们知道，物质是由原子组成的，而原子又是由原子核和位于原子核外的电子组成的。原子核好象太阳，而核外电子就仿佛是围绕太阳运转的行星。另外，电子除了绕着原子核公转以外，自己还有自转（叫做自旋），跟地球的情况差不多。一个原子就象一个小小的“太阳系”。另外，如果一个原子的核外电子数量多，那么电子会分层，每一层有不同数量的电子。第一层为1s，第二层有两个亚层2s和2p，第三层有三个亚层3s、3p和3d，依此类推。

物质磁性的来源2023/1/118CompanyLogo物质磁性的来源在原子中，核外电子带有负电荷，是一种带电粒子。电子的自转会使电子本身具有磁性，成为一个小小的磁铁，具有N极和S极。逆时针的电子流产生小磁铁的NS极。2023/1/119CompanyLogo

既然电子的自转会使它成为小磁铁，那么原子乃至整个物体会不会就自然而然地也成为一个磁铁了呢？当然不是。如果是的话，岂不是所有的物质都有磁性了？为什么只有少数物质（象铁、钴、镍等）才具有磁性呢？原来，电子的自转方向总共有上下两种。在一些数物质中，具有向上自转和向下自转的电子数目一样多，如右面的上图所示，它们产生的磁极会互相抵消，整个原子，以至于整个物体对外没有磁性。而低于大多数自转方向不同的电子数目不同的情况来说，虽然这些电子所磁矩不能相互抵消，导致整个原子具有一定的总磁矩。但是这些原子磁矩之间没有相互作用，它们是混乱排列的，所以整个物体没有强磁性。物质磁性的来源2023/1/1110CompanyLogo我国古代对磁性物质的应用事例春秋时代，人们已经能够将硬度5度至7度的软玉和硬玉琢磨成

各种形状的器具，因此也能将硬度只有5.5度至6.5度的天然磁石制

成司南。东汉时的王

充在他的著作《论衡》中对司南的

形状和用法做了明确的记录。司南是用整块天然磁石经

过琢磨制成勺型，勺柄指南极，并使整个勺的重心恰好

落到勺底的正中，勺置于光滑的地盘之中，地盘外方内

圆，四周刻有干支四维，合成二十四向。司南的出现是

人们对磁体指极性认识的实际应用。

2023/1/1111CompanyLogo我国古代对磁性物质的应用事例指南针的始祖大约出现在战国时期。它是用天然磁

石制成的。样子象一把汤勺，圆底，可以放在平滑的“

地盘”上并保持平衡，且可以自由旋转。当它静止的时

候，勺柄就会指向南方。古人称它为“司南”，当时的

著作《韩非子》中就有：“先王立司南以端朝夕。”“端朝夕”就是正四方、定方位的意思。

中国古代的司南2023/1/1112CompanyLogo我国古代对磁性物质的应用春秋时代，人们已经能够将硬度5度至7度的软玉和硬玉琢磨成

各种形状的器具，因此也能将硬度只有5.5度至6.5度的天然磁石制

成司南。东汉时的王

充在他的著作《论衡》中对司南的

形状和用法做了明确的记录。司南是用整块天然磁石经

过琢磨制成勺型，勺柄指南极，并使整个勺的重心恰好

落到勺底的正中，勺置于光滑的地盘之中，地盘外方内

圆，四周刻有干支四维，合成二十四向。司南的出现是

人们对磁体指极性认识的实际应用。

2023/1/1113CompanyLogo常见的磁性物质在生活中的应用久磁性灵敏指南针磁性锁和磁性钥匙能自动拉合的磁性门帘磁宝石制成的磁性项链2023/1/1114CompanyLogo现今磁性物质应用的新领域磁流变液是一种具有良好发展前景和工程应用价值的新型智能材料，它是由微米级(1~10m)磁性颗粒(如铁(Fe))、钴(Co)、镍(Ni)及其合金、铁氧体等)、载液(如矿物油、硅油、水和其他复杂的混合体等)和表面活性剂组成的稳定的悬浮液体。在外加磁场作用下，会产生明显的磁流变效应：在固体与液态之间进行毫秒(ms)级快速可逆转化，其粘度保持连续无级可控，可实现实时主动控制，耗能极小，因而在航空航天、机械工程、汽车工业、精密加工、建筑工程、医疗卫生等领域广泛应用，可完成智能传动、制动、减振、降噪等功能，制成阀式、剪切式和挤压式各类磁流变液器件，如液压控制伺服阀、离合器与制动器、振动悬架、减振器等。2023/1/1115CompanyLogo磁性物质应用的新领域磁流变液的粘度在磁场作用下会逐渐增大，当磁场强度大到一定值时由液态完全转变成固态，其过程快速可逆，这是最引人注目的特性；同时磁流变液具有较大的屈服应力，在240kA/m时可达100kPa，是电流变液的20~50倍；并且磁流变液具有良好的动力学和温度稳定性，因而近年来受到了国内外科技界和工业界的高度重视，美国、日本、德国等国的许多科学家和一些企业纷纷投资开展研究，并且已有产品专利与不同型号的磁流变液产品上市。2023/1/1116CompanyLogo磁性物质应用的新领域磁致伸缩与稀土超磁致伸缩材料在外加磁场作用下，材料的尺寸和体积发生改变的效应称为磁致伸缩效应。具有磁致伸缩效应的材料即称为磁致伸缩材料，而最具实际用途的是尺寸发生改变的线磁致伸缩材料，其特征参数是饱和磁致伸缩系数S、饱和磁化强度Ms、机电耦合系数K。2023/1/1117CompanyLogo磁性物质应用的新领域

稀土超磁致伸缩材料的智能化应用以T-D为代表的稀土超磁致伸缩材料作为一种新的高效磁(电)能-机械(声)能转换材料，其性能远远优于压电陶瓷(PZT)等其他材料，T-D材料的磁弹性、声学力学、磁电热性能呈现出明显的优势，因此将其作成换能器则具有大位移、强力、大功率、精密控制、快响应、高可靠、磁(电)-机转换效率高、频带宽、能量供应简单等优点，所以在智能化应用方面有着广阔的前景。2023/1/1118CompanyLogo磁性物质应用的新领域应用T-D材料的性能优势可制成大量应用器件，如磁(电)-机械换能器(驱动器)、传感器和电子器件，至今已有千种之多。美国海军于20世纪80年代初开始研制T-D水下声纳。每单节由永磁体产生偏磁场，螺线管产生交流磁场，随着磁场的变化环就膨胀收缩将声波发射出去，其性能良好。日本用T-D驱动单元装置了8单元环状换能器，工作距离为10000km，而压电换能器在水下的工作距离仅300km，使用2年未出现过故障。2023/1/1119CompanyLogo磁性物质应用的新领域结束语：材料是磁性物质应用中的突破点，找到好的磁性材料是关键。智能材料是本世纪材料科学技术发展的重要方向之一，智能磁性材料是其中的一个成员，磁性液体