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(jié)構(gòu)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(chǔ)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(nèi)耗性能的指標、物理本質(zhì)、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(guān)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(chǔ)。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(zhì)比較抽象，學生學習起來比較困難，學習興趣不高。本文結(jié)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(zhì)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(xiàn)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(guān).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(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)、生物技術(shù)、空間技術(shù)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(jīng)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(nèi)容 ，課堂上老師再帶領(lǐng)同學回顧，并且強調(diào)磁矩在磁場中會受到力，產(chǎn)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(shù)磁化理論打下基礎(chǔ)。

3 物理本質(zhì)的講解

根據(jù)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(zhì)，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。抗磁性來源于電子軌道運動，循軌運動的電子在外磁場作用下都會產(chǎn)生一個附加的抗磁磁矩。向?qū)W生提出問題"為什么會產(chǎn)生抗磁磁矩？"然后以He原子為例，分析其原因。要強調(diào)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(zhì)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(zhì)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(chǎn)生的條件：(1)原子內(nèi)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(nèi)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(chǎn)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(zhuǎn)，也可以繞另一個原子核旋轉(zhuǎn)，就好像迷路了一樣，一會兒繞這個原子核旋轉(zhuǎn)，一會兒又繞另一個原子核旋轉(zhuǎn)，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(guān)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(shù)。

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(jié)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(nèi)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(xiàn)異性磁荷，使端面磁荷數(shù)量減少，退磁場降低，從而使退磁能減少。技術(shù)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(zhuǎn)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?qū)W生強調(diào)，磁疇壁中的原子磁矩是逐漸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)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(shù)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(nèi)應力的增加使壁移阻力增大，也不利于磁矩的轉(zhuǎn)動，技術(shù)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(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(wù)，把全班同學分成幾組，每組5個人左右，讓同學課下通過網(wǎng)絡(luò)、圖書館等途徑查閱相關(guān)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(lǐng)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(jié)。這樣可以調(diào)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(jié)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(nèi)容，內(nèi)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(shè)計和多媒體相結(jié)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(shù)出版社,1988.

[4] 曹 陽.結(jié)構(gòu)與材料[M].北京，高等教育出版社,2003.