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磁性材料與應用(2)
瀏覽次數:1987次 發布日期:2018-11-20

軟磁合金粉芯的基礎理論 (2)

              (磁性的歷史與根源)

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引 言

在過去,電對于人類來說,是主導人類發展的核心之一; 在現代,電對于人類來說,就如同空氣,水一般,是不可或缺的因素。因此,哪怕不是專家,一般人對于電也有普遍的認知,也意識到了電的重要性。

為了更安全有效地使用電器,我們身邊大部分電器中都有磁性物質,但是很多人要么誤以為這是電的一部分,要么根本不知道此類物體的存在,所以相對于它的貢獻,并沒有被廣泛認識。

可是,最近由于能量,環境等問題,高效率在電產品,太陽能發電,電車等領域成為重要話題。漸漸地,人們對磁性物質的認知也在慢慢改變,現在已成為戰略性核心材料,促進了對于磁性物質的研究和開發。

因此學習磁性物質的學生和從事相關專業的人數越來越多,但是,可供他們參考的教材卻不多,大部分的技術書籍都比較著重于理論性的部分,對于磁性物質的研究開發非常有局限性。

因此,在后期會結合實際,介紹關于磁性物質的全面理論。關于磁性物質的領域,從材料到產品及應用,因為涉及到的范圍較為廣泛,會分次,階段性地進行介紹。

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磁學的歷史 

磁學的歷史起源于,人們發現了有一種奇怪的石頭(磁鐵礦)可以吸引鐵,在西方是公元前7世紀,在東方是公元前3世紀左右。其實我們賴以生存的地球也是一個巨大的磁鐵,構成地球內部構造之一的外部核的對流運動和地球的自轉形成感應電流,從而形成地球磁場。根據這樣的地球環境,最初使用磁性物質的產品是指南針,對于人類的發展做出了很大的貢獻。

對于磁學的研究是1600年在英國正式開始的,發現了磁鐵的南北有兩種不同的性質,同極相斥,異極相吸,而且有指向地球南北的性質。

后面直到1700年,都不知道電和磁的密切關系,以為兩者是完全區分的,所以一直對兩者分別進行了研究。直到1820年,丹麥的H.C. Oersted發現通過導線的電流會影響磁針,才知道電和磁有密切的關系,再后來發明了最初的磁電石。

作為現代磁學基礎的研究是從20世紀開始正式進行的,在20世紀后期隨著電子產品的急速發展,磁作為決定電和電子產品性能,品質及競爭力的重要基礎材料,做了更多的研究。


磁性的根源 

磁性的發生是因為物質內部的兩種原因,這兩種可以看作;一個是源于電子的,另一個是源于原子核的。

但是源于原子核的磁性相對于源于電子的只有數千分之一那么小,所以一般物質磁性的代表性原因可以歸結于物質的電子運動。

電子做以自己為軸的旋轉運動和圍繞原子核的軌道運動,所以雖然根據物質有所不同,但是這兩種運動,都會影響磁性值。

關于代表物質磁性特征的電子旋轉運動,電子根據旋轉方向,以+,-,兩個方向運動,大部分的原子互相以+,-相反方向成對,所以正負值相抵,外部不會表現出磁性,但是在Fe, Ni, Co等強磁性物質中,在3d軌道之內不成對,因此外部會表現出很強的磁性。


以Fe為例; Fe的元素編號是26,由26個電子組成,其排列是1s22s22p63s23p63d64s2 ,

在3d 軌道有4個不成雙的電子,而這4個電子則影響磁性。

在實際的Fe原子中3d軌道和4s軌道的能量相近,3d軌道的6的電子和4s軌道的2個電子相互作用,各軌道的實際電子排列不同,但在此不做更深的介紹。

過去以為影響物質磁性的,主要是來源于電子自轉的旋轉運動,但是根據對稀土類元素(Nd, Sm, Tb 等)的研究,發現此類元素除了電子的自轉運動,電子的軌道運動也對磁性有很大的影響。


磁的單位

關于磁性物質的單位有cgs-emu(electromagnetic units)和SI(system internation)兩種單位系。

cgs-emu系是從很久以前在所有磁的范圍中使用的,而且現在也廣泛使用于測量考試領域之中,但是SI系作為國際標準,逐步代替了它的位置。

兩個系的區別在于;cgs-emu系在真空狀態也有相同的磁感應強度B(magnetic induction)和磁場強度H(magnetizing force), SI系在真空狀態下B值和H值不同,是在現有的cgs-emu系的基本單位meter-kilogram-second上添加了ampere的四個層次。image.png


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