“材料物理性能”课程中材料磁性能的讲解

2018-03-30李桂杰朱慧灵

山东化工 2018年8期

李桂杰，朱慧灵

(山东科技大学材料科学与工程学院，山东青岛 266590)

材料的性能是材料科学与工程的四要素之一，也是材料应用的前提。近些年，多功能和高性能的新材料层出不穷，要求我们深入学习和研究材料的各项物理性能，从材料的微观结构出发，探索开发新材料的途径[1]。因此，“材料物理性能”课程被确定为山东科技大学材料类专业的一门重要的专业基础课。要求学生通过“材料物理性能”课程的学习，掌握材料物理性能的基本理论和电、光、热、磁、弹性与内耗性能的指标、物理本质、影响因素、物理性能测试方法及其在材料科学研究中的应用，了解与各种物理性能相关的重要功能材料和最新研究动态，同时培养学生感知、分析和解决问题的能力。为正确选择和使用材料，改变材料性能，探索新材料、新性能、新工艺打下理论基础。材料的磁性能是"材料物理性能"课程中重要的一部分，但是涉及到的理论较多，而且物理本质比较抽象，学生学习起来比较困难，学习兴趣不高。本文结合多年的教学探索，从引言的讲解、磁性能指标的讲解、物理本质的讲解、影响因素的讲解、磁性能测量及其在材料科学与研究中的应用的讲解、磁性材料的讲解等几个方面介绍了作者的思考和体会。

1 引言的讲解

材料的磁性能是一种重要的物理性能，在引言部分，首先提出问题：大家知道生活中哪些地方用到了磁性材料？让学生积极发言。然后为学生介绍在公元前3世纪，我国的《吕氏春秋·季秋记》就记载了“慈石招铁”。我国公元前2500年就记载了磁性指南-司南。后来，出现了指南针。然后介绍世界各国科学家对磁学研究的贡献，比如从1902年P.塞曼和H.A.洛伦兹获得诺贝尔奖，到1998年崔琦获得诺贝尔奖，至少有24位研究磁学的科学家获得了诺贝尔奖。在电力技术、电子技术、通信技术、计算机技术、生物技术、空间技术等方面，磁学和磁性材料都是不可缺少的重要部分。并列举出大量的事例，如发电机、电动机、磁盘、硬盘、汽车、磁悬浮列车、核磁共振仪、隐身战机、电磁炮、宇航员头盔的密封等磁性材料，配合播放大量的图片、动画和视频，激发学生的学习兴趣。

2 磁性能指标的讲解

学生在大学物理中已经学习过表征磁性能的指标，如磁场强度、磁感应强度、磁矩、磁化强度、磁化率、磁导率、饱和磁感应强度、剩余磁感应强度、矫顽力等。但是这一部分也很重要，在学习磁性能之前要求大家先在课后复习这部分内容，课堂上老师再带领同学回顾，并且强调磁矩在磁场中会受到力，产生力矩，在力矩作用下磁矩向着静磁能减小的方向移动，即向着磁场方向移动，当磁矩方向和磁场方向相同时，静磁能最小，为讲解后面的技术磁化理论打下基础。

3 物理本质的讲解

根据磁化率的不同，材料的磁性分成五类，即抗磁性、顺磁性、铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性。为讲清各种磁性的物理本质，我们以田莳主编的《材料物理性能》为主[2]，并参考了其它几本教材[3-4]，力图让学生理解得透彻。抗磁性来源于电子轨道运动，循轨运动的电子在外磁场作用下都会产生一个附加的抗磁磁矩。向学生提出问题"为什么会产生抗磁磁矩？"然后以He原子为例，分析其原因。要强调抗磁性来源于电子轨道运动，但并不是来源于电子轨道磁矩。并且引导学生思考是不是只有抗磁性物质才具有抗磁性，顺磁性、铁磁性等其它材料是否具有抗磁性？顺磁性来源于原子的固有磁矩。要引导学生思考如果物质的原子固有磁矩为零，会不会具有顺磁性？然后分析没有磁场和施加磁场后原子磁矩的排列情况。在讲解磁性材料的自发磁化理论时，首先给出铁磁性产生的条件：(1)原子内部要有未填满的电子壳层；(2)相邻原子核之间距离Rab与未填满的内电子层的半径r之比Rab /r>3使交换积分A 为正。第一个条件学生比较容易理解。在讲解第二个条件时，重点要讲清电子的交换作用和交换能的概念。当相邻的原子相互靠近到一定距离处，3d电子之间能够产生一种静电的交换作用，即相互交换电子的位置。为什么能相互交换电子？因为3d电子云重叠，其中一个原子的3d电子既可以绕其中的一个原子核旋转，也可以绕另一个原子核旋转，就好像迷路了一样，一会儿绕这个原子核旋转，一会儿又绕另一个原子核旋转，另外一个原子的3d电子也是类似。这就相当于两个电子相互交换位置。从而引起系统能量的变化，这个变化的能量就是交换能Eex。交换能Eex又与两个原子磁矩夹角的余弦值和交换积分有关系，即：

Eex=-2Aμ1μ2cosφ=-2Aμ2cosφ

式中：μ1，μ2——相邻两个原子的电子自旋磁矩(原子磁矩)；

φ——μ1，μ2之间的夹角；

A——交换积分。

而A是原子核间距离Rab和d电子层半径r的函数。

接下来引导学生分析如果A>0，相邻原子磁矩如何排列交换能最小； A<0时, 相邻原子磁矩如何排列交换能最小。然后再给出Rab /r>3时交换积分A>0，Rab /r<3时交换积分A<0。最后得出结论，铁磁性材料的Rab /r>3，交换积分A>0，只有当相邻原子磁矩同向平行排列时交换能最小。而反铁磁性和亚铁磁性材料的Rab/r<3，只有当相邻原子磁矩反向平行排列时交换能最小。而铁磁性材料相邻原子磁矩同向平行排列，是分成很多小区域的，这些小区域称为磁畴。同一个磁畴内部原子磁矩的排列方向相同。不同磁畴原子磁矩的排列方向不同。而为什么会形成磁畴？引导大家从能量的观点去分析磁畴的形成过程。磁畴具有交换能、磁晶各向异性能、磁弹性能、退磁能、磁畴壁能。重点要分析出减少退磁能是分畴的基本动力。引导学生分析出分畴后铁磁体端部出现异性磁荷，使端面磁荷数量减少，退磁场降低，从而使退磁能减少。技术磁化过程分为磁畴壁可逆迁移区、不可逆迁移区、磁畴旋转区。学生较难理解的是施加外磁场后，磁畴壁的迁移方向。比如铁磁体是由两个磁畴组成，自发磁化强度方向均沿易磁化方向。磁畴壁向着易磁化方向与外磁场方向夹角较大的方向移动。应向学生强调，磁畴壁中的原子磁矩是逐渐转向的。在外磁场作用下，磁畴壁中的原子磁矩和畴壁附近的原子磁矩逐渐转向与外磁场方向相近的易磁化方向。而原子磁矩沿该易磁化方向排列能量最低，最稳定。在本部分授课时，应采用板书与多媒体相结合，公式要写在黑板上，也要在黑板上画图，让学生有思考的时间，并配合播放图片和动画，学生会更理解得更清楚。

4 影响因素的讲解

通过前面的讲解，学生将自发磁化和技术磁化理论掌握好以后，影响材料铁磁性和亚铁磁性的因素也就很容易理解了。如温度对于饱和磁化强度和饱和磁感应强度的影响，先让学生思考温度升高饱和磁化强度和饱和磁感应强度会怎么变化？学生很容易想到温度升高，饱和磁化强度和饱和磁感应强度会降低，然后和学生一些分析原因：温度升高，原子热振动加剧，削弱原子磁矩同向排列直至丧失有序。再比如变形程度增大，引导学生思考最大磁导率和矫顽力会怎么变化？学生很容易想到变形程度增大，最大磁导率降低，矫顽力增大。然后和学生一些分析原因：点阵畸变和内应力的增加使壁移阻力增大，也不利于磁矩的转动，技术磁化和退磁过程都变得困难。

5 磁性能测量及其在材料科学与研究中的应用的讲解

磁性能测量部分主要简单讲解冲击法、热磁仪法、振动样品磁强计法等方法的测量原理，要重视实验课上学生动手操作。实验课时，将学生分成几组，让学生将老师科研工作制备的磁性材料制成样品，学生自己动手操作仪器，然后分析结果。在讲解磁性能测量在材料科学与研究中的应用时，引导学生进行思考和讨论。比如讲解钢中残余奥氏体含量的测定，引导学生思考低碳钢和高碳钢中残余奥氏体的测定方法相同吗？为什么？为什么可以用磁性法测量钢中残余奥氏体含量？除了磁性法以外，还有哪些方法可以测量钢中残余奥氏体含量？再比如讲解磁性法研究淬火钢的回火转变时，引导学生思考在不同回火温度范围饱和磁化强度变化的原因是什么？还有哪些方法可以研究钢的回火转变？

6 磁性材料的讲解

磁性材料部分主要采用讨论法教学。提前几天布置给学生要讨论的主题，如软磁材料，硬磁材料，信息存储磁性材料，新型磁性材料等。提前布置给学生任务，把全班同学分成几组，每组5个人左右，让同学课下通过网络、图书馆等途径查阅相关资料，并撰写报告。课堂上每组选出一位同学介绍各种磁性材料的性能特点、应用领域、合金系列、制备方法等，别的同学补充或者修正，其他组同学和老师提问，最后老师总结。这样可以调动学生学习的积极性，使每位学生参与到教学的整个过程中，提高学生学习兴趣。