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英国学者对于磁铁: 历史,现状和未来的看法《上篇》

      本文概述了磁铁的发展历史,从磁铁矿石,到钢铁,磁钢,铁氧体,钐和钕磁铁的生产。 并对今后提高磁体磁性能的进一步研究方向进行了讨论。 关键词: 磁铁,磁性材料,磁性能

    1. 简介磁性材料可分为两大类: 所谓的软磁性材料(矫顽力 hc 低于0.4 a / m)和拥有属性高的硬磁性材料。 后者用于制造永久磁铁,这是日常生活和许多工业部门以及科学研究中常用的仪器和设备的重要组成部分。 例如,电讯及资讯科技设备、测量及控制仪器,以及电流发电机和电动马达,都可以找到磁铁。 它们也是电声装置和不同类型传感器的基础。 磁铁的规模和用途的多样性可以从它们的世界产量中得到证明,每年产量达到几十万吨。 光是硬盘驱动器的制造,每年就要生产大约3亿件,同时考虑到现代汽车平均装备有35个电动马达,全球汽车年产量大约7000万辆,这相当于每年生产20亿个磁铁马达。 因此,无论从科学角度,还是从经济角度,寻找服务参数越来越好的新磁体材料(即既具有高剩磁比率、矫顽力和磁能密度(bh) max 值,又具有良好的温度稳定性) ,并保持原材料的供应和相对较低的价格,都是极为重要的。 本文回顾了磁性材料在几个世纪中的发展历程,从史前时代开始,一直到现在,直到未来的材料。


图2。 磁铁矿时代的磁铁矿石(fe3o4)是第一个天然磁铁,已知的古代(中国,希腊)。 当时(约公元前2500年)观察到磁铁矿石受外力吸引铁块的现象[1,2]。 古老的传说说,除了其他事情外,关于从船壳中拉出一段距离的铁制部件,航行的船只经过位于锡兰和苏门答腊之间的群岛,如托勒密(约公元前100-178年)所描述的。 还有一些故事是关于从牧羊人的凉鞋上拔出指甲,解除骑士的武装并使他们不能动弹,或者是关于增强磁铁的作用力(例如,用铁屑摩擦磁铁) ,以及抑制它(例如大蒜、洋葱或一天中的某个时间)。 在不同的时间和不同的地点,在发现磁铁矿石的地方,它被称为,或者: 镁石,吕底亚的石头,古埃及的荷鲁斯的骨头,英国的磁石,法国的爱慕石,根据中国的资料,早在公元前3000-2500年,磁铁矿最早的应用之一就是在指南针上,作为地球磁场南北方向的指示器。 图1显示了用磁性矿石制成的平衡勺形罗盘,放在光滑的铜或青铜盘上(图1 a) ,浮鱼(图1b) ,以及一只在垂直轴上旋转的海龟(图1c)。 当时,作为地球磁极位置的指示器,磁性矿石主要用于摩擦用于指南针的铁针

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     图一世界上最早的中国汉代四南罗盘的模型(公元前三世纪左右) ,它是用磁铁矿石制成的勺子,放置在光滑的青铜盘(a)上,浮鱼(b)上,龟绕着垂直轴旋转(c)。 

     另一方面,在欧洲,作为磁铁研究发展史的开端,有关泰勒斯的资料(约公元前624年至公元前546年) ,正如亚里士多德(aristotle)在他的专著《阿尼玛论》(de anima)中所述(大约公元前384年至公元前322年) , 根据这个信息”磁铁有灵魂,因为它吸引铁”。 柏拉图(公元前427-347)在《对话录》和《提迈乌斯》中也表达了类似的观点。 不幸的是,这些解释观察到的现象的尝试并不完全正确。 

     罗马诗人哲学家泰特斯 · 卢克莱修 · 卡罗(公元前97-55年) ,在他的《自然的铁的吸引力》一书中,对磁铁吸引铁的现象(其中称为石头)进行了相当大的论述。 磁石及其对铁的“喜爱”也是老普里留斯(公元23-79年)在他的自然历史(第三十七卷)中写的。 圣奥古斯丁,另一方面,在他的工作题为“ de civitate dei”写于公元413-426年,描述的经验,吸引铁戒指磁石。 这些都是导致发现磁感应强度现象的第一个有趣的经历。 

    13世纪到17世纪是磁铁研究史上的一个重要时期。 与这一时期相关的名字包括佩特鲁斯 · 佩雷格里诺斯(13世纪下半叶,很可能被认为是马里库特的彼得[4])、吉安巴蒂斯塔·德拉·波尔塔(1535-1615)和威廉 · 吉尔伯特(1544-1603)。 在他1269年8月写给他朋友的信中,他介绍了”磁极”这个术语,并描述了指南针。 他的著作《自然磁铁》(magiae naturalis)也大量涉及磁铁,例如磁相互作用的来源、磁铁(磁铁矿石)的分解、用于测量磁铁之间作用力的天平描述,或用细铁屑观察磁铁周围的磁场。 科尔切斯特的威廉 · 吉伯特是一位英国物理学家和伊丽莎白一世的私人医生,1600年在伦敦出版了他的著作《 de magnete... 》之后,他获得了世界声誉。 吉尔伯特的一个重要成就是在放置磁针的实验基础上发展了一个理论从磁性矿石中切割出来的球体的表面,称为 terrella,意思是地球是一个巨大的球形磁铁。 

     2). 吉尔伯特还在更大程度上讨论了永久磁化铁棒的方法,特别是用于指南针。 特别是,他描述了用磁铁矿单向摩擦铁试样表面的方法,以及锻造位于地球磁场北南方向的细铁丝,然后在地球磁场中长时间磁化它(没有塑性变形)的方法。 他还建议使用铁的硬化,在今天的意义上,这是一个马氏体结构后,这种处理,导致轻微增加矫顽力。 第一次磁性矿石的测量是由 h. du bois 和 e.t. jones 在1896年进行的。 他们只测量了矫顽力 hc 和剩磁 jr,分别为4.0 ka / m (50 oe)和0.44 t (4400g)。

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    图2 william gilbert 的 terrella -- 磁性地球的比例模型,由磁石3制成。 钢铁时代,吉尔伯特描述的用铁条制造磁铁的双接触方法,在18世纪30年代的英格兰由赛文顿 · 萨维利延续了下来。 这种方法是用一根磁铁矿磁极接触一个表面,然后沿着整个磁针长度反复摩擦。 这种活动重复了很多次,直到完全磁化。 制造人造磁铁的进一步重大进展,是由戈温 · 奈特(1713-1772)完成的,他是英国著名的硬化钢磁铁制造商。 该方法将两个斜磁体置于被磁化的钢板中间,两极相反。 然后磁铁就互相移开了。 这个操作重复了很多次,同时只改变了板面。 这种制造磁铁的方法被称为分离接触法。

    1750年,约翰 · 米歇尔(1727-1793) ,一位英国物理学家和天文学家,发明了一种用钢铁制造磁铁的方法,这种方法是通过对分离接触法(多种双重接触法)的改进而实现的。 在这种方法中,硬化钢板被磁化放置在两个非磁化棒之间。 磁化是用两块倾斜的磁铁来完成的,就像约翰 · 坎顿提出的方法一样,通过反复摩擦淬硬的钢表面来完成。 正如约翰 · 米歇尔所指出的,这种先进的方法使得磁铁不仅可以由软铁制成,还可以由硬化钢制成,因为硬化钢的磁化时间要长得多。 同样重要而有趣的磁铁生产工作不仅在英国进行,还在法国(1700-1782)和俄罗斯(f. u. aepinus (1724-1802)。

    英国在18世纪取得了显著的进步,从含碳量1.0% 的碳钢发展到含碳量1.5% 的碳钢。 不幸的是,没有获得好的磁性能(矫顽力为3.8 ka / m)。 而 g. hannack [10]、德国雷米和奥地利 b. hler 在1883-1885年的研究表明,最好的磁钢含碳量为0.6% ,钨含量为5%-5.5% (w / w)(hc 5.6 ka / m,br 1.03 t,(bh) max 3.1 kj / m3)。 玛丽亚 · 奥多夫斯卡-居里(两次获得诺贝尔奖: 1903年物理学奖和1911年化学奖) ,因发现钋和镭以及放射性研究而闻名,在1898年致力于钨钢磁性测量的第一次科学研究[11]。 1885年,hopkinson [12]首次给出了淬火铬钢(6.0% (w / w) cr)的磁性能。 他达到了 hc 4.8 ka / m br 0.95 t (bh) max 3.0 kj / m3。 然而,在1892年 hadfield [13]指出,当铬含量达到28% (w / w)时,钢的磁性能提高,而超过这个值时,磁性能下降。 在这组马氏体磁钢中,钴含量为3ー30% (w / w)的钢是20世纪20年代开发的。 钴含量为30% 的磁体具有以下磁性能: hc 19.9 ka / m,br 0.9 t,(bh) max 7.5 kj / m3

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