“材料物理性能”課程中材料磁性能的講解

李桂杰，朱慧靈

(山東科技大學 材料科學與工程學院，山東 青島 266590)

材料的性能是材料科學與工程的四要素之一，也是材料應用的前提。近些年，多功能和高性能的新材料層出不窮，要求我們深入學習和研究材料的各項物理性能，從材料的微觀結構出發(fā)，探索開發(fā)新材料的途徑[1]。因此，“材料物理性能”課程被確定為山東科技大學材料類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課。要求學生通過“材料物理性能”課程的學習，掌握材料物理性能的基本理論和電、光、熱、磁、彈性與內耗性能的指標、物理本質、影響因素、物理性能測試方法及其在材料科學研究中的應用，了解與各種物理性能相關的重要功能材料和最新研究動態(tài)，同時培養(yǎng)學生感知、分析和解決問題的能力。為正確選擇和使用材料，改變材料性能，探索新材料、新性能、新工藝打下理論基礎。材料的磁性能是"材料物理性能"課程中重要的一部分，但是涉及到的理論較多，而且物理本質比較抽象，學生學習起來比較困難，學習興趣不高。本文結合多年的教學探索，從引言的講解、磁性能指標的講解、物理本質的講解、影響因素的講解、磁性能測量及其在材料科學與研究中的應用的講解、磁性材料的講解等幾個方面介紹了作者的思考和體會。

1 引言的講解

材料的磁性能是一種重要的物理性能，在引言部分，首先提出問題：大家知道生活中哪些地方用到了磁性材料？讓學生積極發(fā)言。然后為學生介紹在公元前3世紀，我國的《呂氏春秋·季秋記》就記載了“慈石招鐵”。我國公元前2500年就記載了磁性指南-司南。后來，出現了指南針。然后介紹世界各國科學家對磁學研究的貢獻，比如從1902年P.塞曼和H.A.洛倫茲獲得諾貝爾獎，到1998年崔琦獲得諾貝爾獎，至少有24位研究磁學的科學家獲得了諾貝爾獎。在電力技術、電子技術、通信技術、計算機技術、生物技術、空間技術等方面，磁學和磁性材料都是不可缺少的重要部分。并列舉出大量的事例，如發(fā)電機、電動機、磁盤、硬盤、汽車、磁懸浮列車、核磁共振儀、隱身戰(zhàn)機、電磁炮、宇航員頭盔的密封等磁性材料，配合播放大量的圖片、動畫和視頻，激發(fā)學生的學習興趣。

2 磁性能指標的講解

學生在大學物理中已經學習過表征磁性能的指標，如磁場強度、磁感應強度、磁矩、磁化強度、磁化率、磁導率、飽和磁感應強度、剩余磁感應強度、矯頑力等。但是這一部分也很重要，在學習磁性能之前要求大家先在課后復習這部分內容 ，課堂上老師再帶領同學回顧，并且強調磁矩在磁場中會受到力，產生力矩，在力矩作用下磁矩向著靜磁能減小的方向移動，即向著磁場方向移動，當磁矩方向和磁場方向相同時，靜磁能最小，為講解后面的技術磁化理論打下基礎。

3 物理本質的講解

根據磁化率的不同，材料的磁性分成五類，即抗磁性、順磁性、鐵磁性、亞鐵磁性、反鐵磁性。為講清各種磁性的物理本質，我們以田蒔主編的《材料物理性能》為主[2]，并參考了其它幾本教材[3-4]，力圖讓學生理解得透徹?？勾判詠碓从陔娮榆壍肋\動，循軌運動的電子在外磁場作用下都會產生一個附加的抗磁磁矩。向學生提出問題"為什么會產生抗磁磁矩？"然后以He原子為例，分析其原因。要強調抗磁性來源于電子軌道運動，但并不是來源于電子軌道磁矩。并且引導學生思考是不是只有抗磁性物質才具有抗磁性，順磁性、鐵磁性等其它材料是否具有抗磁性？順磁性來源于原子的固有磁矩。要引導學生思考如果物質的原子固有磁矩為零，會不會具有順磁性？然后分析沒有磁場和施加磁場后原子磁矩的排列情況。在講解磁性材料的自發(fā)磁化理論時，首先給出鐵磁性產生的條件：(1)原子內部要有未填滿的電子殼層；(2)相鄰原子核之間距離Rab與未填滿的內電子層的半徑r之比Rab /r>3使交換積分A 為正。第一個條件學生比較容易理解。在講解第二個條件時，重點要講清電子的交換作用和交換能的概念。當相鄰的原子相互靠近到一定距離處，3d電子之間能夠產生一種靜電的交換作用，即相互交換電子的位置。為什么能相互交換電子？因為3d電子云重疊，其中一個原子的3d電子既可以繞其中的一個原子核旋轉，也可以繞另一個原子核旋轉，就好像迷路了一樣，一會兒繞這個原子核旋轉，一會兒又繞另一個原子核旋轉，另外一個原子的3d電子也是類似。這就相當于兩個電子相互交換位置。從而引起系統(tǒng)能量的變化，這個變化的能量就是交換能Eex。交換能Eex又與兩個原子磁矩夾角的余弦值和交換積分有關系，即：

Eex=-2Aμ1μ2cosφ=-2Aμ2cosφ

式中：μ1，μ2——相鄰兩個原子的電子自旋磁矩(原子磁矩)；

φ——μ1，μ2之間的夾角；

A——交換積分。

而A是原子核間距離Rab和d電子層半徑r的函數。

接下來引導學生分析如果A>0，相鄰原子磁矩如何排列交換能最?。?A<0時, 相鄰原子磁矩如何排列交換能最小。然后再給出Rab /r>3時交換積分A>0，Rab /r<3時交換積分A<0。最后得出結論，鐵磁性材料的Rab /r>3，交換積分A>0，只有當相鄰原子磁矩同向平行排列時交換能最小。而反鐵磁性和亞鐵磁性材料的Rab/r<3，只有當相鄰原子磁矩反向平行排列時交換能最小。而鐵磁性材料相鄰原子磁矩同向平行排列，是分成很多小區(qū)域的，這些小區(qū)域稱為磁疇。同一個磁疇內部原子磁矩的排列方向相同。不同磁疇原子磁矩的排列方向不同。而為什么會形成磁疇？引導大家從能量的觀點去分析磁疇的形成過程。磁疇具有交換能、磁晶各向異性能、磁彈性能、退磁能、磁疇壁能。重點要分析出減少退磁能是分疇的基本動力。引導學生分析出分疇后鐵磁體端部出現異性磁荷，使端面磁荷數量減少，退磁場降低，從而使退磁能減少。技術磁化過程分為磁疇壁可逆遷移區(qū)、不可逆遷移區(qū)、磁疇旋轉區(qū)。學生較難理解的是施加外磁場后，磁疇壁的遷移方向。比如鐵磁體是由兩個磁疇組成，自發(fā)磁化強度方向均沿易磁化方向。磁疇壁向著易磁化方向與外磁場方向夾角較大的方向移動。應向學生強調，磁疇壁中的原子磁矩是逐漸轉向的。在外磁場作用下，磁疇壁中的原子磁矩和疇壁附近的原子磁矩逐漸轉向與外磁場方向相近的易磁化方向。而原子磁矩沿該易磁化方向排列能量最低，最穩(wěn)定。在本部分授課時，應采用板書與多媒體相結合，公式要寫在黑板上，也要在黑板上畫圖，讓學生有思考的時間，并配合播放圖片和動畫，學生會更理解得更清楚。

4 影響因素的講解

通過前面的講解，學生將自發(fā)磁化和技術磁化理論掌握好以后，影響材料鐵磁性和亞鐵磁性的因素也就很容易理解了。如溫度對于飽和磁化強度和飽和磁感應強度的影響，先讓學生思考溫度升高飽和磁化強度和飽和磁感應強度會怎么變化？學生很容易想到溫度升高，飽和磁化強度和飽和磁感應強度會降低，然后和學生一些分析原因：溫度升高，原子熱振動加劇，削弱原子磁矩同向排列直至喪失有序。再比如變形程度增大，引導學生思考最大磁導率和矯頑力會怎么變化？學生很容易想到變形程度增大，最大磁導率降低，矯頑力增大。然后和學生一些分析原因：點陣畸變和內應力的增加使壁移阻力增大，也不利于磁矩的轉動，技術磁化和退磁過程都變得困難。

5 磁性能測量及其在材料科學與研究中的應用的講解

磁性能測量部分主要簡單講解沖擊法、熱磁儀法、振動樣品磁強計法等方法的測量原理，要重視實驗課上學生動手操作。實驗課時，將學生分成幾組，讓學生將老師科研工作制備的磁性材料制成樣品，學生自己動手操作儀器，然后分析結果。在講解磁性能測量在材料科學與研究中的應用時，引導學生進行思考和討論。比如講解鋼中殘余奧氏體含量的測定，引導學生思考低碳鋼和高碳鋼中殘余奧氏體的測定方法相同嗎？為什么？為什么可以用磁性法測量鋼中殘余奧氏體含量？除了磁性法以外，還有哪些方法可以測量鋼中殘余奧氏體含量？再比如講解磁性法研究淬火鋼的回火轉變時，引導學生思考在不同回火溫度范圍飽和磁化強度變化的原因是什么？ 還有哪些方法可以研究鋼的回火轉變？

6 磁性材料的講解

磁性材料部分主要采用討論法教學。提前幾天布置給學生要討論的主題，如軟磁材料，硬磁材料，信息存儲磁性材料，新型磁性材料等。提前布置給學生任務，把全班同學分成幾組，每組5個人左右，讓同學課下通過網絡、圖書館等途徑查閱相關資料，并撰寫報告。課堂上每組選出一位同學介紹各種磁性材料的性能特點、應用領域、合金系列、制備方法等，別的同學補充或者修正，其他組同學和老師提問，最后老師總結。這樣可以調動學生學習的積極性，使每位學生參與到教學的整個過程中，提高學生學習興趣。

7 結語

在材料物理性能課程的學習中，材料的磁性能是重要的一部分內容，內容繁雜而且抽象，學生學習起來有一定難度。我們采用啟發(fā)法、討論法等方法教學，并將板書設計和多媒體相結合，配合播放大量的圖片、動畫和視頻，提高了學生的學習興趣，取得了良好的教學效果。

[1] 王海燕，胡前庫.“材料物理性能”教學方法探索[J].科教文匯,2016(2):40-41.

[2] 田 蒔.材料物理性能[M].北京：北京航空航天大學出版社,2004.

[3] 徐京娟，鄧志煜，張同俊.金屬物理性能分析[M].上海：上?？茖W技術出版社,1988.

[4] 曹 陽.結構與材料[M].北京，高等教育出版社,2003.