磁性材料与超导材料
电气设备的材料选择与性能研究
电气设备的材料选择与性能研究在现代社会中，电气设备的应用无处不在，从家庭中的电器到工业生产中的大型设备，它们的正常运行都依赖于合适的材料选择和优异的性能表现。
电气设备的材料不仅影响着设备的性能、可靠性和安全性，还在很大程度上决定了设备的成本和使用寿命。
因此，深入研究电气设备的材料选择与性能，对于提高电气设备的质量和性能具有重要的意义。
一、电气设备中常用的材料1、导电材料在电气设备中，导电材料是实现电能传输和分配的关键。
常见的导电材料包括铜、铝、银等金属。
铜具有良好的导电性和导热性，机械强度高，是电气设备中最常用的导电材料之一。
铝的导电性略逊于铜，但密度小、价格相对较低，在一些对重量和成本要求较高的场合也得到了广泛应用。
银的导电性最好，但由于价格昂贵，一般只在特殊要求的高精密电气设备中使用。
2、绝缘材料绝缘材料用于隔离带电部件，防止电流泄漏和短路。
常见的绝缘材料有陶瓷、塑料、橡胶和云母等。
陶瓷具有良好的耐高温和绝缘性能，常用于高压电气设备中。
塑料如聚乙烯、聚苯乙烯等具有重量轻、加工方便等优点，广泛应用于低压电气设备中。
橡胶具有良好的弹性和柔韧性，常用于电线电缆的绝缘层。
云母具有极高的绝缘性能和耐高温性能，常用于高温和高压的电气设备中。
3、磁性材料磁性材料在变压器、电机等电气设备中起着重要的作用。
常见的磁性材料有硅钢片、铁氧体等。
硅钢片具有高磁导率和低磁滞损耗，适用于制作变压器的铁芯。
铁氧体具有较高的电阻率和良好的磁性能，常用于高频磁性元件中。
二、材料选择的考虑因素1、电气性能材料的电气性能是选择的首要考虑因素。
导电材料应具有低电阻、高导电性，以减少电能损耗。
绝缘材料应具有高绝缘电阻、高击穿强度，以确保电气设备的安全运行。
磁性材料应具有高磁导率、低磁滞损耗，以提高电气设备的效率。
2、机械性能电气设备在运行过程中会受到各种机械力的作用，因此材料应具有足够的机械强度、硬度和韧性。
例如，电线电缆需要具有一定的抗拉强度和柔韧性，以防止在安装和使用过程中断裂。
磁性材料、超导材料和器件
TG4852006010035激光切割金属厚板新技术/谢小柱，李力钧，张屹，刘继常，鄢锉(湖南大学激光研究所)//激光技术.―2005,29(3).―251～254.介绍了激光切割金属厚板的过程，分析了存在的主要问题及产生的原因，最后从激光器、聚焦光学系统以及辅助气流的改进等方面介绍了一些激光切割厚板的新技术，为进一步的研究和工业化应用提供了技术参考。
图5表0参24TG6652006010036飞秒激光加工过程中光学参数对加工的影响/于海娟，李港，陈檬，张丙元(北京工业大学激光工程研究院)//激光技术.―2005,29(3).―304～307.分析了国际上飞秒激光同材料相互作用的实验研究，介绍了飞秒激光加工过程中，各个光参数对加工质量和加工尺寸的影响，针对光参数在飞秒激光加工过程中产生的影响做出了分析。
图8表0参13TM22，O411.32006010037一种新型人工异向介质结构的设计和仿真/皇甫江涛，冉立新，陈抗生(浙江大学信息与电子工程学系)//浙江大学学报（工学版）.―2005,39(4).―584～587.根据异向介质可以由具有等效负磁导率的开路环形谐振器阵列和具有等效负介电常数的细金属导线阵列构成的基本原理，提出了一种新型的、相互对等嵌入的开路环形谐振器的结构，与传统的开路环谐振器相比，新结构中内环和外环相互对称，具有更好的电流分布形态和电磁特性。
采用这种新型开路环形谐振器阵列和细金属导线阵列组合，得到了一种新型的人工异向介质，并同时给出了完整的设计和仿真过程。
通过对上述介质的功率传输特性和“负”Snell折射特性的仿真，表明该结构在特定的频段内表现出了明显的“异向”性质。
图6表0参6TM22+1，TM2862006010038复合层状Bi7Ti4NbO21铁电陶瓷的结构与介电和压电性能研究/张丽娜，赵苏串，郑嘹赢，李国荣，殷庆瑞(中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室)//物理学报.―2005,54(5).―2346～2351.制备了Bi7Ti4NbO21，Bi4Ti3O12及Nb掺杂Bi4Ti3O12（Nb-Bi4Ti3O12）层状结构铁电陶瓷材料。
超导体应用
超导体应用超导体应用一、超导体应用概述超导体是一种特殊的磁性材料，它的特征是电阻可以降低到比一般导体极低的水平，当温度低于它的超导温度时，它可以完全抵抗电场的作用，由于它的低电阻特性，它有很多实际应用。
下面将简单介绍超导体的基本特性和其在电力系统中的应用。
二、超导体的基本特性1、超导体是一种具有低电阻的材料，可以降低潮流对线路的负荷，减少电能损失。
2、超导体的电阻可以在低温下迅速降低，比一般导体低几个数量级，甚至可以达到数十微欧，相对导体来说优势很明显，特别是在高温环境下的应用就更加明显了。
3、超导体可以在高电场下发挥其良好的磁性特性，具有良好的磁屏蔽性，可以有效避免磁偏扰。
4、超导体的抗力特性良好，它可以耐受电路长时间的振荡，出现少量变化，不容易损坏，可以提高电路的可靠性。
5、由于超导体的抗氧化性，可以防止短路和烧毁，更安全，可以更有效的利用电力。
三、超导体在电力系统中的应用1、超导体可以用于电缆的制造，如锰铍超级导线和铁氧体超级导线等，这种电缆具有良好的线路损耗和磁屏蔽性，用于电力交换和输送。
2、高效率的超导发电机可以替代传统的发电机，具有良好的效率和低损耗特性，可以降低发电成本。
3、超导体调压器可以用于高压电网的调压，来减少线路的变化和发电机的负荷，从而提高系统的效率。
4、超导电抗器可以用于智能电力系统中，调节电流、调节电压和稳定系统频率，从而帮助电网实现自动化管理。
5、超导体也可以用于电力电子设备的制造，如电力变换器、高压电容器、电力电容器等，它们的性能可以比一般电子器件更加稳定和可靠。
四、总结超导体是一种很有前景的新型材料，它的电阻低、电抗高、抗温性能优越，具有极大的应用潜力，它可以广泛应用到电力系统，如电缆、发电机、电抗器等，以提高系统的效率和可靠性。
磁性材料、超导材料和器件
2006，25（2）.―41～44.采用传统固相反应合成法制备（1－x）Na0.5K0.5NbO3-xLiTaO3无铅压电陶瓷，研究了LiTaO3对Na0.5K0.5NbO3材料晶体结构和压电性能的影响。
结果表明：随着LiTaO3含量的增加，材料逐渐由斜方相向四方相过渡。
当x＜0.06时，材料为斜方相；当X＞0.06时，材料为四方相：并发现有未知相结构的Ta2O5存在；材料在x=0.06处为准同型相界，该组分材料具有良好的压电性能：d33=134～151pC N-1，k p=30％～38％，Q m=153，N d=318lHz m。
图4表1参94、磁性材料、超导材料和器件O48，TN386.12007020168高k栅极电介质材料与S i纳米晶体管/张邦维(湖南大学应用物理系)//微纳电子技术.―2006，43（3）.―113～120.Si MOS晶体管进入nm尺度后，原来通用的栅极介电材料SiO2已不能适应纳米晶体管继续小型化的需要，必须用高k栅极电介质材料取而代之。
对Si纳米晶体管为什么要采用高k栅极电介质材料、此类材料的物理性能和电学性能、与Si之间的相容性以及材料中缺陷对其性能和器件的影响等一系列问题进行了论述，并且讨论了高k栅极电介质材料的进一步发展。
图7表1参0O48，TQ136.1+22007020169 C O x Ti1-x O2-δ体材中氢退火引起的铁磁性及结构相变/孔令刚，康晋锋，王漪，刘力锋，刘晓彦，张兴，韩汝琦(北京大学微电子学研究所)//物理学报.―2006，55（3）.―1453～1457.利用固相反应法在700℃～1000℃不同的温度下、空气中烧结Co3O4和TiO2混合物，制备了（Co3O4）x/3（TiO2）1-x（0＜x≤0.1）样品，所有的烧结样品均表现出顺磁行为，但经500℃氢退火后均表现出室温铁磁性。
X射线衍射（XRD）分析显示，在所有样品中均存在钙钛矿相CoTiO3，说明Co3O4与TiO2反应形成了CoTiO3；同时，在700℃低温和900℃以上的高温烧结样品中分别观察到了单相的锐钛矿和金红石相结构。
磁性材料、超导材料和器件
PMAC数控代码进行加工。
开发出的-C维激光加工软件实用性强，可快速、高效地完成对三维复杂形状工件的激光加工。
图6表0参4TM201.4+42007030036环氧树脂基真空绝缘材料的制备和性能测试/汤俊萍，张磊，邱爱慈，李盛涛，董勤晓，李静雅，王海洋(西安交通大学电气工程学院)//强激光与粒子束.―2006，18（3）.―505～508.介绍了一种用于脉冲功率装置真空绝缘子的环氧树脂基复合材料的研制机理、制备过程和典型性能。
初步测试结果表明，添加一定量的水合氧化铝颗粒可以使环氧树脂材料的表面电阻率由5×1016Ω降低为6×1011Ω，这一特性有利于释放由于沿面闪络等原因沉积在真空绝缘子表面的电荷，从而使材料在脉冲电压下的沿面闪络电压有所提高，实验得到在上升沿400ns的脉冲电压作用下，沿面闪络电压可从17kV提高到28kV。
图4表1参6TM2122007030037 P V P调控的纳米复合氧化铝涂层性能研究/杨晔，胡坤，郑康，方前锋，崔平(中国科学院固体物理研究所材料物理重点实验室)//功能材料与器件学报.―2006，12（3）.―197～202.利用聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinyl pyrrolidone，PVP）添加到勃姆石溶胶/纳米α-Al2O3粒子体系中形成纳米复合浆料，采用旋涂、热处理的过程制备出具有一定厚度的Al2O3绝缘涂层，结果表明：PVP的添加能改变复合浆料中纳米α-Al2O3粒子的分散稳定性，进而调节涂层的结构以及电性能。
当PVP与勃姆石溶胶中[Al3＋]之间的物质的量比xPVP=1.2左右时，涂层介电击穿强度达到最大值～67kV/mm。
由于纳米α-Al2O3粒子的引入，空间电荷极化成为涂层内部主要极化机制。
图5表1参13TM2482007030038 A L I C E实验中同轴电缆的信号传输特性的研究/王亚平，蔡勖(华中师范大学粒子物理研究所)//核电子学与探测技术.―2006，26（2）.―195～198.在ALICE实验中，将大量采用同轴电缆作为信号传输线。
磁性材料与超导材料
同时，零电阻允许有远高于常规导体的载流密度，可用以形成强磁场或超强磁场。
零电阻是超导体最基本的特性，它意味着电流可以在超导体内无损耗地流动，使电力的无损耗传输成为可能；
发现超导电性后，昂内斯即着手用超导体来绕制强磁体，但出乎他的意料，超导体在通上不大的电流后，超导电性就被破坏了，即超导体具有临界电流Ic。
超导材料的发展历程
1911年，科学家发现，金属的电阻和它的温度条件有很大关系：
温度高时，它的电阻就增加，温度低时电阻减少。并总结出一个金属电阻与温度之间的关系的理论公式。
当时，荷兰物理学家昂尼斯为检验金属电阻与温度之间的关系的理论公式的正确性，就用水银作试验。
将水银冷却到-40℃时，亮晶晶的液体水银变成了固体；然后，他把水银拉成细丝，并继续降低温度，同时测量不同温度下固体水银的电阻，当温度降低列4 K时，水银的电阻突然变成了零。
电磁炉
传统 工业
在医学上，利用核磁共振可以诊断人体异常组织，判断疾病，这就是我们比较熟悉的核磁共振成像。 利用磁性纳米材料表面功能基团与可识别病兆的功能分子进行耦联，是实现磁性纳米晶体在疾病鉴别诊断中应用的最可行的手段之一。 生物 医学
电磁炮是把炮弹放在螺线管中，螺线管产生的磁场对炮弹将产生巨大的推动力将炮弹射出的一种新型武器“电磁式武器”。类似的还有电磁导弹等。
科学家预料，球状碳分子Ｃ--60掺杂金属后，有可能在室温下出现超导现象，那时，超导材料就有可能像半导体材料一样，在世界引起一场工业和技术革命。
1
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1995年美国国立洛斯阿拉莫斯实验室的科学家已经把高温超导体制成柔韧的细带状，由于没有电阻，其导电性是铜丝的1200多倍。
1996年，日本电气公司制出长一千米的高温超导线材，电流密度达到6000A/cm2，这种线材已达到了实用化的水平。
磁性材料、超导材料和器件
德镇陶瓷学院机电学院)//电子元件与材料.―2005，24（11）.―33～34.当介质材料的εr一定时，谐振器的频率与其高度成反比。
通过试验发现：当谐振器的频率相同时，采用低εr的介质材料，可以降低研磨加工所需的精度要求，从而提高调频的工作效率。
采用εr=40介质材料制成1500MHz的谐振器，当高度误差为±0.01mm时，频率误差小于3MHz；如果采用εr=90的材料，则超过5MHz。
图1表2参5TM2862006050059 K ovar合金注射成形技术的研究/秦明礼，曲选辉，罗铁钢，段柏华(北京科技大学材料科学与工程学院)//真空电子技术.―2005，（4）.―37～40.以Fe粉、Ni粉和Co粉为原料，研究了利用注射成形技术生产Kova r合金封装盒体的工艺。
选择了一种蜡基多聚物粘结剂体系，在粉末装载量为58％时，喂料的最佳注射参数是：温度160～170℃，压力90～120MPa。
以喂料的热分析结果为指导，制定出合理的热脱脂工艺，对于6mm×6mm ×50mm的注射坯，总共脱脂时间约为18h。
将脱脂坯在1300℃烧结后，材料的致密度可达8.06g cm-3，热膨胀系数在（4.5～6.0）×10-6K-1之间（25～450℃），所制备的封装盒体的气密性小于1.2×10-9Pa m3S-1。
图9表2参104、磁性材料、超导材料和器件O482006050060 CF4/C H F3反应刻蚀石英和BK7玻璃/黄长杰，王旭迪，汪力，胡焕林(合肥电力规划设计院)//真空.―2005，42（4）.―49～51.用CF4/CHF3作为工作气体对石英和BK7玻璃进行了研究，分析了气体组分、气体流量和射频偏压等几种因素对刻蚀速率的影响，结果表明刻蚀速率与射频偏压的均方根成正比。
在1CF4；1CHF3的等离子体中由于与光刻胶良好的刻蚀选择比。
在石英基片上获得了侧壁陡直的槽形。
磁性功能材料
磁性功能材料磁性功能材料是一类具有特殊磁性性质的材料，它们在现代科学技术和工程领域中具有广泛的应用。
磁性功能材料以其独特的磁性特性，在电子、信息、能源、医疗等领域发挥着重要作用。
本文将对磁性功能材料的定义、分类、性能及应用进行介绍。
首先，磁性功能材料根据其磁性特性可分为铁磁性材料、铁磁性材料、铁磁性材料和超导材料。
铁磁性材料是指在外磁场作用下具有明显磁化特性的材料，如铁、镍、钴等；铁磁性材料是指在一定温度下具有铁磁性的材料，如铁氧体、钡铁氧体等；铁磁性材料是指在外磁场下不具有自发磁化的材料，但具有铁磁性的材料，如铁氧体、铁氧体等；超导材料是指在一定温度下具有完全抗磁性的材料，如铜氧化物、铁基超导体等。
其次，磁性功能材料具有多种磁性特性，如饱和磁化强度、剩余磁化强度、矫顽力、磁导率等。
饱和磁化强度是指在外磁场作用下，材料磁化达到饱和时的磁场强度；剩余磁化强度是指在去除外磁场后，材料仍保留的磁化强度；矫顽力是指在外磁场作用下，材料磁化反转所需的磁场强度；磁导率是指材料对磁场的导磁能力。
这些磁性特性对磁性功能材料的应用具有重要的影响。
最后，磁性功能材料在电子、信息、能源、医疗等领域具有广泛的应用。
在电子领域，磁性功能材料可用于制造磁存储器件、磁传感器、磁随动器等；在信息领域，磁性功能材料可用于制造磁记录材料、磁性传感器、磁性透镜等；在能源领域，磁性功能材料可用于制造磁性发电机、磁性制冷材料、磁性储能材料等；在医疗领域，磁性功能材料可用于制造磁共振成像设备、磁性靶向药物传递系统、磁性植入材料等。
可以看出，磁性功能材料在各个领域都具有重要的应用前景。
综上所述，磁性功能材料是一类具有特殊磁性性质的材料，它们在现代科学技术和工程领域中具有广泛的应用。
了解磁性功能材料的定义、分类、性能及应用对于推动相关领域的发展具有重要意义。
希望本文能够为读者对磁性功能材料有更深入的了解提供帮助。
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9
⑵ 磁化强度M
宏观磁体由许多具有固有磁矩的原子组 成。
当原子磁矩同向平行排列时，宏观磁 体对外显示的磁性最强。
当原子磁矩紊乱排列时，宏观磁体对
外不显示磁性。
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宏观磁体单位体积在某一方向 的磁矩称为磁化强度M：
M = ∑原子/V
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⑶ 磁化率及磁导率
任何物质在外磁场作用下，除了外 磁场H外，由于物质内部原子磁矩的有 序排列，还要产生一个附加的磁场M。
磁矩的排列与磁性的关系
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④ 反磁性物质 不存在 未成对电子 → 没有永 久磁矩。惰性气体，不 含过渡元素的离子晶体 ，共价化合物和所有的 有机化合物，某些金属 和非金属。
磁 场
反磁性 m= -10-5 ~-10-6 磁矩的排列与磁性的关系
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⑤ 反铁磁性物质 FeO，FeF3，NiF3， NiO ， MnO ， 各 种 锰盐以及部分铁氧 体ZnFe2O4等，它们 相邻原子的磁矩反 向平行，而且彼此 的强度相等，没有 磁性。
铁磁性 m= 10-2 ~106
磁矩的排列与磁性的关系
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② 亚铁磁性物质
如铁氧体(M2+Fe23+O4)等， 磁 是一些复杂的金属化合物，场
比铁磁体更常见。
它们相邻原子的磁矩反向平 行，但彼此的强度不相等， 具有高磁化率和居里温度。
亚铁磁性 m= 10-2 ~106
磁矩的排列与磁性的关系
方法： （1）高温 （2）剧烈振动 （3）逐渐减弱的交变磁场的作用
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稀土永磁材料
钴基永磁材料
1:5型 R-Co，R代表稀土，如：SmCo5 2:17型 R-Co，R代表稀土，如：Sm2Co17
铁基永磁材料:代表是R-Fe-B，如NdFeB
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下面重点介绍一下永磁 NdFeB，其典型合金成份为 Nd15Fe8B77
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5
1928：英国，狄拉克用相对论量子力学完美地解 释了电子的内禀自旋和磁矩，并与德国物理学家 海森伯一起证明了静电起源的交换力的存在，奠 定了现代磁学的基础。
1936 ： 苏 联 ， 郎 道 完 成 了 巨 著 “ 理 论 物 理 学 教 程”，其中包含全面而精彩地论述现代电磁学和 铁磁学的篇章。
1831年：英国，法拉第，电磁感应现象
1873年：英国，麦克斯韦，统一电磁理论
1899年：法国，居里，居里温度，磁性转变
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二十世纪
1905：法国，郎之万基于统计力学理论解释了 顺磁性随温度的变化。
1907：法国，外斯提出分子场理论，扩展了郎 之万的理论。
1921：奥地利，泡利提出玻尔磁子作为原子磁 矩的基本单位。美国，康普顿提出电子也具有 自旋相应的磁矩。
1991：德国，克内勒提出了双相复合磁体交换作 用的理论基础，指出了纳米晶磁体的发展前景。
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⑴ 磁性材料的分类
① 按化学组成分类
金属磁性材料、非金属(铁氧体)磁性 材料
② 按磁化率大小分类
顺磁性、反磁性、铁磁性、反铁磁 性、亚铁磁性
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③ 按功能分类 软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩 磁材料、旋磁材料、压磁材料、 泡磁材料、 磁光材料、磁记录材料
目前,稀土永磁的应用已遍及电动机械、电器仪表与电音设
备，如扬声器、传感器；磁轴承和强力磁选机；电子及离子束
1983年日本住友特种金属公司和美国GM公司几乎同时研 制出NdFeB合金。后来又用Co替代部分Fe，提高居里温度； 用Dy或Tb取代部分Nd ，提高矫顽力，改善磁体的高温性能 。这类稀土永磁材料的性能特点是：①磁能积比非稀土永磁大
4倍以上,因此在相同磁能积条件下,使用稀土永磁可缩小体积, 便于设备、仪表小型化、轻量化；②矫顽力是铁氧体的3-5倍, 利用此性质可以制作较薄的磁体;③剩磁与AlNiCo相当,比铁氧 体高二倍。
磁 场
反铁磁性 m= 10-2 ~10-5
磁矩的排列与磁性的关系
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⑸ 磁性材料（按功能分）
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硬磁性材料 外磁场撤去后，不易去磁，具有很强的剩磁 应用：永磁体
软磁性材料 外磁场撤去后，容易去磁，没有明显的剩磁 应用：电磁铁
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退磁
原来有磁性的物体，失去磁性的现质
存在未成对电子 → 永久
磁矩。La，Pr，MnAl， 场 磁
FeSO4·7H2O， Gd2O3 …； 在居里温度以上的铁磁性
金属Fe, Co, Ni等。
居里温度 由铁磁性或亚 铁磁性转变为顺磁性的临 界温度称为居里温度(Tc)。
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顺磁性 m=10-6 ~10-5
第二章 磁性材料与超导材料
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1
第一节 磁性材料
具有强磁性的材料称为磁性材料。
磁性材料具有能量转换，存储或改变能 量状态的功能，是重要的功能材料。
磁性材料广泛地应用于计算机、通讯、 自动化、音像、电视、仪器和仪表、航空航 天、农业、生物与医疗等技术领域。
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2
磁学发展史
5000年前：天然磁石(Fe3O4) 2300年前：天然磁石，“司南”，指南 仪
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在物质内部外磁场和附加磁场的总和 称为磁感应强度B。
B = o(H+M) = M / H
o -- 真空磁导率 -- 磁化率
=B/H
-- 磁导率
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13
⑷ 磁性的起源
① 铁磁性物质
具有极高的磁化
磁
率，磁化易达到饱和
场
的物质。
如Fe，Co， Ni， Gd等金属及其合金称 为铁磁性物质。
1936-1948：法国，奈耳提出反铁磁性和亚铁磁性 的概念和理论。
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6
1967：奥地利，斯奈特在量子磁学的指导下发现 了磁能积空前高的稀土磁体(SmCo5)，从而揭开 了永磁材料发展的新篇章。
1974：第二代稀土永磁Sm2Co17问世。
1982：第三代稀土永磁Nd2Fe14B问世。
1990：原子间隙磁体Sm-Fe-N问世。
1086年：沈括，《梦溪笔谈》，指南针
1119年：朱或，《萍洲可谈》，罗盘，航海 1405-1432年：郑和，指南仪，航海
1488-1521年：哥伦布，伽马，麦哲伦，指南 仪，航海发现
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3
十七世纪：英国，威廉.吉伯 ，《磁体 》
十八世纪：法国，库仑， 库仑定律
十九世纪
1820年：丹麦，奥斯特，电流产生磁场